执行申请灌溉调度决策支持系统研究与设计

韩小龙，丁文捷，李桐满，陆 阳

（1.宁夏水利科学研究院，银川 750021；2.宁夏大学，银川 750021）

随着节水灌溉技术的推广应用，闸门操作越来越精细，灌溉管理工作越来越繁重。行水期，灌溉管理员昼夜往返于闸门口之间，工作十分辛苦，迫切需要便捷的灌溉管理系统。近年来，灌溉调度决策支持系统主要研究通过测量、人工采集（或反演）雨情、水情、工情、墒情、水文气象和视频等信息[1,2]，综合灌溉预报[3,4]、农艺措施[5,6]、多水源分配[7]、地下水位[8]等条件，决策闸门或泵站启闭[9]、测站、用水单元、渠系建设物、管理机构诸多输水关联信息[1]，达到最佳时间、最少灌水量、输水安全、水闸运管服务[10]等目标，进而减少配水矛盾，发挥水资源最大效益[9]。灌溉调度决策支持系统的体系结构可以概括为数据库、水文预报、水情分析、用水计划、灌溉进度、用水总结、灌排评价等子系统[2]。其中水利部将灌区数据库分为基础数据库和空间数据库、专题数据库、工程建设管理、节水灌溉项目、政策法规[11]等五类。水文预报研究有SHE、SWAT、数字流域[12]等预测模型。用水计划子系统有基于作物需水量静态配水计划[13]，基于遥感的动态配水计划[14]等。灌溉管理子系统包含有制定灌溉计划、监督执行、运行评价、实时调整的动态运行管理[15]等。然而研究目标过于集中于“节水灌溉，减少输水损失，缩短输水时间，提高灌区经济效益”等方面[3]，存在“管理模型和软件过于复杂，片面追求理论最优解和算法的完美，可操作性差，通用化程度不高，用水利益冲突反映不足，用水决策协调不足”等问题，难以大面积推广[1]。

调度决策支持来源于制造业，原意是指如何具体规划、组织生产活动使各种资源得到充分合理的利用，并通过监控、反馈执行过程信息，调整组织过程计划，使生产效益最大化[16]。本文在马孝义研究的系统结构[2]和俞扬峰的系统功能[15]基础上，概述了执行申请灌溉管理过程，自动生成并更新灌溉调度计划的方法，设计了手机APP、闸门智能锁、调度决策支持子系统功能，然后介绍如何应用这些子系统规划水的时空分布，督促用水户和管理员分工协作，最大化提升水的生产效率。

1 总体设计

系统整体采用计划-执行-监测-更新计划的过程。即：通过手机APP 收集需水信息，地理信息系统（GIS）展示需水的空间分布，流量图计划供水的时间分布，建立灌溉调度计划；应用闸门智能锁管理用水户按计划灌溉，同时监测并反馈水情信息；服务器根据监测和反馈的信息更新计划，用更新的计划指导或建议灌溉作业间平稳衔接(见图1)。

图1 执行申请灌溉管理概览Fig.1 Overview Apply for irrigation

自动、迅速且灵活地建立灌溉调度计划是执行申请灌溉的核心。为此，先将灌溉调度计划转化为矩形条带装箱问题（2DR-SPP）[17]，即将渠道流水简化成流量-时间构成的矩形（宽表示流量，长表示用水时段，面积代表总水量，上下沿代表闸门操作），上游来水预测简化成箱体，灌溉申请为矩形货物。再依据自然结构和权属将灌区离散化，分为灌溉单元、渠段单元和管理单元并组成“树”形结构[4,18]。最后灌溉申请（Q-H矩形）沿灌区结构（二叉树）从下至上汇总（2DR-SBP分层装箱）[19]，初步建立灌溉计划。图2展示了灌区的自然结构抽象为灌区的逻辑结构，再映射为灌溉调度计划的过程。

图2 灌溉单元到灌溉调度计划的二次映射Fig.2 Quadratic mapping from irrigation unit to scheduling

将灌区空间结构简化成二叉树逻辑结构后，有：

A={a∈树节点|a是灌溉单元}；B={b∈树节点|b是渠段单元}；C={c∈树节点|c是管理单元}；流量X={x∈B|x＜设计流量}。

灌溉申请审批时：

灌溉申请Y={Q,H|y∈Y,Q是申请流量，H是申请时段}；

灌溉审批D={D∈C|[0,1]y= 0拒绝,y= 1批准}。

按灌区逻辑结构逐层分解配水计划：

按灌区逻辑结构逐层汇总申请：

配水计划与申请汇总之间的差反应了供需水矛盾。调度员用矩形条带装箱的方法分配水资源，同时指导并建议各个灌溉作业的流量、持续时间、作业间衔接关系，进而初始化灌溉调度计划。

在执行过程中，系统依据灌溉调度计划指导农户灌溉，监测并交互执行过程中的信息，统计分析计划和执行之间的偏差。每一组流量都有计划、监测、交互3个记录，记作计划流量为Qs，监测流量为Qm，通过交互推断流量为Qi，假设随机数Qs、Qm、Qi与实际流量为Qt之间存在固定的概率分布，如：超声波测流仪器刚经过率定维护后，计划、监测、交互流量存在β分布，则：

流量最可能为：

方均差为：

灌区环境复杂，初始的灌溉调度计划难以一一贯之。服务器循环执行（2DR-ODP 开维装箱）程序[20]，依据监测分析结果更新计划，指导或建议灌溉作业间顺利过渡。

最后，统筹规划灌溉调度计划，促进灌区整体满意。比如采用灌溉申请和实际灌溉之间的欧式距离表示用水户满意度，用全体用户满意度之和评价调度计划。

设灌溉作业：

式中：Q表示水量；H表示开始时间。

用水户满意度：

总之，用水户只需要按照APP 提示事前申请、提前到岗、按计划执行即可，系统尽量按时按量的将水配送给所有的用水户，最大化满足生产需求。

2 子系统设计

2.1 执行申请灌溉APP设计

根据需求分析，执行申请灌溉管理APP 应至少包含三类用例，分别是灌溉申请审批、灌溉过程交互、灌溉结果通知，如图3所示。

图3 执行申请灌溉APP用例Fig.3 Apply for irrigation APP use cases

灌溉申请审批：用水户通过APP 提出灌溉申请，管理员汇总申请水量并层层审批，调度员根据申请和年度配水计划等确定输水时间和水量，审批灌溉调度计划。

灌溉过程交互：用水户根据批准的灌溉调度计划，在规定的时间内操作闸门达到批准的流量，自助管理闸门。灌溉过程中及时将流量、灌溉进度、预计结束时间等信息反馈给服务器，并接受服务器监督管理。

灌溉结果通知：本轮灌溉结束后，服务器将用水时段、用水总量，是否按计划操作闸门等信息发送给用水户，并收缴水费。

2.2 闸门智能锁设计[21]

闸门智能锁包括：锁结构，单片机、闸门高度霍尔传感器、锁销、键盘、通信模块、超声波流量仪等。结构如图4所示。

图4 闸门智能锁结构Fig.4 Smart Sluice lock structure

闸门智能锁主要功能包括按照计划管理闸门开启时间和开度，并将监测的水位、流速、流量等信息和用户操作信息传回服务器（见图5）。设计简洁、耐用适合农业生产管理。

图5 闸门智能锁活动图Fig.5 Smart Sluice lock Activity diagram

2.3 灌溉调度决策支持系统设计

每级灌溉管理单元都需要为下级灌溉单元提供灌溉调度决策支持服务，所以系统整体采用B/S 结构，Supermap Object10i 搭建水利一张图架构，SQLServer 作为数据库（系统主界面如图6所示），主要功能包括灌溉单元注册、管理单元配置、配水计划、灌溉计划、进度跟踪、流量统计分析等。

图6 灌溉调度决策支持系统主界面Fig.6 Main interface of irrigation scheduling decision support system

灌溉单元注册：在GIS底图中将管理区域分为若干灌溉单元，与渠段建立树形结构，注册面积、土壤属性、权属等基本信息。

管理单元配置：将渠管理处、农村用水协会、闸门、泵站、蓄水池等抽象为灌溉管理单元[4,18]。每个管理单元都应配置管理制度、年度配水计划、管理员/用水户权责、节水灌溉计划、运维管理计划，协商协作方式、冲突解决办法、水费纠纷调解方案等。

灌溉配水计划：综合灌溉申请审批、年度计划、来水预测多方面信息[3-15]，结合本区域的输水损失、灌溉管理制度、值班计划等制定本轮灌溉调度计划。

监督并指导灌溉作业：监测水情并指导农户依计划灌溉，收集灌溉进度信息，根据监测和交互的信息更新灌溉计划，督促灌溉作业顺利衔接。

流量统计分析：综合灌溉计划、水情监测、用水户交互等信息，实现一数一源，多元核算[20]的流量统计分析功能。

3 系统应用

执行申请灌溉调度决策支持系统主要功能包括协助调度员制定灌溉调度计划，根据计划指导用水户灌溉；应用闸门智能锁管理灌溉过程，根据监测交互等信息动态更新调度计划；对比计划与实际灌溉进度；收集并适时分发消息，督促灌溉作业平稳交接；统计分析用水计量，提高用水户满意程度等。它是灌溉信息收集分发、转换处理、存储展示、计划监督、统计分析的工具。只要用户正确使用该系统，就能在便利农民生产生活的同时提出科学、精准、高效的输配水建议。图7是调度员、管理员、用水户、以及闸门智能锁、调度决策支持系统之间消息传递转换，分工管理的协作图。

图7 执行申请灌溉系统协作图Fig.7 Apply for irrigation collaboration diagram

综上所述，在灌溉管理的过程中，利用通信技术将灌溉过程中的数据集中在服务器端，系统通过循环装箱程序持续更新水的时空分布计划，管理员通过岗位、角色、职责分工协作减少灌溉管理工作量，调度员通过系统与设备、人员之间交互协同灌溉进度，进而达到节水灌溉，提高灌溉管理工作效率等应用目标。

4 结果与结论

执行申请灌溉调度决策支持系统采用手机APP 申请审批用水需求操作简单，易于扩展，用地理信息系统展示需水的时空分布，用矩形条带装箱反应供需水矛盾，将灌区自然结构抽象为树形逻辑结构，采用二叉树拓扑约束下的矩形条带装箱算法自动生成并动态更新灌溉调度计划，采用闸门智能锁管理灌溉过程，改善了系统的通用性、灵活性和易用性。再通过对比灌溉计划与执行过程之间的差异，监督灌溉作业间平稳交接，促使理论计划转换实际行动。最后通过用户满意度评价，明渠测流统计分析方法，用水纠纷调节制度等，实现“以人为本，实时监测，多元核算，智能分析，动态预测，精准服务”的数字灌区的总目标[20]。

信息技术的飞速发展，萌生了针对精量化节水灌溉需求的执行申请灌溉管理，迅捷地建立灌溉调度计划是调度决策支持的核心。虽然仅考虑了灌区空间结构的调度算法难以适应田间复杂的运行环境，相应的配套管理制度、协作机制、评价统计方法等也缺实际的检验，但是它扩展了数字化灌区研究和建设方向，在降低现代化灌区建设成本，提高水资源利用效率等方面有着良好的应用前景。随着用水户协作能力的提升，以及治水管水等服务水平的进步，必然会深入改变传统的灌溉管理模式。