关于大型农场既有泵站无人化运行改造的思考

刘勇 杨剑锋 沈丽丽 徐识溥

（1上海市农业科学院农业科技信息研究所/上海数字农业工程与技术研究中心，上海 201403；2丰产数据服务（上海）有限公司，上海 201100；3光明食品集团上海农场有限公司，上海 200072）

农业生产离不开水，根据中华人民共和国水利部发布的《2020年中国水资源公报》显示，2020年全国农业用水量为3.61×1011m3，占全国用水总量的62.1%，如此高的占比除了因为我国农业生产规模大之外，还有一个重要的原因是农田灌溉水的有效利用系数远低于发达国家，仅为0.565，这意味着每1 m3农田灌溉水仅有0.565 m3被农作物吸收利用。

泵站（或称泵房）可为水提供势能和压能，是解决无自流条件下排灌、供水和水资源调配问题的唯一动力来源，主要用于农田排灌、城市给排水以及跨流域调水等[1]。泵站作为重要的工程措施，不仅在水资源的合理调度和管理中起着不可替代的作用，还能解决洪涝灾害、干旱缺水、水环境恶化当今三大水资源问题，故其在防洪、排涝、抗旱减灾以及工农业用水和城乡居民生活供水等方面发挥着重要作用，承担着区域性的防洪、除涝、灌溉、调水和供水的重任[1-3]。但是，泵站也是耗能大户，节能和节水一样重要，因此泵站的经济运行和优化管理就显得尤为重要。在我国大型农场的农业生产中，泵站作为农场灌溉系统的重要组成部分，具有为农场内所有支渠和田块提供水源的作用。而目前大型农场既有泵站的运行都是由人工现场操作，尤其是在用水季，为确保水泵的正常运转和发现故障时能及时处理，泵站需要有人24 h值守，这种原始的泵站运行方式很难实现节水节电，已无法满足当前大型农场对农业生产的要求（例如，要求对农业用水进行合理调度、节能减排实现碳中和、减少人工投入和降低劳动强度等）。

在数字农业、精准农业、智慧农业不断发展的今天，要积极使用各种高科技手段对农业用水的方方面面进行管理。因此，运用“互联网+”和现代信息技术手段对大型农场既有泵站进行改造就显得非常重要。在此背景下，笔者在分析我国大型农场既有泵站运行存在问题的基础上，提出了大型农场既有泵站无人化运行的改造方案，并在苏北某大型国有农场进行了实际应用。现拟将相关情况总结介绍如下，以期推进大型农场既有泵站无人化运行的改造进度，加快大型农场农业用水管理的科学化、实时化、现代化步伐。

1 我国大型农场既有泵站运行存在的主要问题

笔者经实地调研发现，我国大型农场既有泵站的运行管理模式仍以人工巡检和现场操控为主，且泵站运行以工作人员的过往主观经验为主导，缺乏调度手段，泵站能否安全运行主要取决于工作人员的责任心。经归纳，我国大型农场既有泵站运行存在的主要问题表现为以下几个方面。

1.1 设备自动化水平低

我国大型农场既有泵站的所有设备均只提供操控按钮，必须由工作人员进行现场操作。同时，设备无通信接口，无法接收除“开关”之外的其他控制命令，更无法通过设置参数使其自动运行。此外，不同泵站、甚至同一泵站不同功能模块的操作方式不同，且来自不同供应渠道的产品之间难以进行沟通协调，各泵站只能独立运行，无法进行集中管理。

1.2 设备运行效率低

目前，大型农场的每个泵站至少配置了2台水泵（甚至一些泵站配置了6台以上的水泵），在1台水泵运行时，另1台水泵作为备用。而在人工操作模式下，工作人员习惯将其中1台水泵作为常用水泵，另1台水泵则始终作为备用水泵，这种使用方式会导致常用水泵因过度使用而老化，而备用水泵因长期闲置而出现故障，从而降低了设备的运行效率。

1.3 设备感知能力弱

我国大型农场既有泵站大多数没有配置具备感知能力的设备，导致泵站对外界环境无任何感知能力，而少数配置了具备感知能力设备的泵站也只是对压力、流量、温度等基础数据进行采集，而对于电力工况、水泵本体作业工况等重要参数的监控严重缺乏，从而使泵站的自动化运行和智能化运维成为空谈。

1.4 设备运维管理水平不一

目前大型农场泵站的工作人员普遍年龄偏大，且不具备设备的运维知识和实际操作能力，在泵站运行出现问题时，往往因无法快速定位问题设备，而无法快速排除故障或快速报修（甚至在报修过程中无法准确描述故障核心）。另外，有的泵站的设备运维管理虽然由第三方机构托管，且设备运维管理水平有了一定提高，但由于机构的服务响应速度跟不上，再加上水泵、控制柜及自控系统等设备的供应商不同，当泵站运行出现问题时，会因各供应商沟通协调不畅而降低设备的维修效率。

2 泵站无人化运行的改造方案

为解决上述问题，笔者运用“互联网+”思维，提出了我国大型农场既有泵站的运行改造方案，即在不改变泵站原有电气结构的前提下，通过增加泵站智能控制柜[智能控制柜接入泵站电气系统，对泵房进行监测和控制，并通过互联网与运行于云端的农业灌溉用水调度管理云平台（以下简称云平台）相连接，实现泵站的互联网化]，实现泵站的无人值守和自动高效运转。

2.1 泵站无人值守改造

泵站的无人值守改造是通过对现有泵站加装智能控制柜来实现的。该智能控制柜采用轻耦合的实施方案，无需对现有泵房的电气结构进行改动，即可兼容各类现有水泵控制柜（如自耦降压水泵控制柜、变频水泵控制柜和软起动水泵控制柜），并通过内置“雾边缘计算器”，结合自研的“五遥”（遥测、遥信、遥视、遥控、遥调）技术，且能实现现有各类水泵控制柜的“重生”。该智能控制柜可通过多达16种的自主保护方式，及快速接入遵循Modbus规约的各类传感设备，并将相关数据传输至云平台，用于灌溉用水的调度决策，保障水泵安全运行，延长水泵使用寿命，提高能效利用率。该智能控制柜主要由以下功能模块组成。

2.1.1 智能调度模块

该模块可根据实际工况需求，按运行效率，实现水泵的智能调度，避免人工操控时出现单台水泵过度使用或过度闲置等情况，从而提高水泵的总体使用寿命。

2.1.2 智能调配模块

该模块可根据进水水位，结合引水需求，进行分组轮灌，从而实现灌溉用水的智能调配。例如，该模块在多用户用水的情况下，根据灌溉面积大小进行分组轮灌，实现灌溉水资源对各用户的均匀分配。

2.1.3 实时检测模块

该模块可实现对多个参数进行实时检测，例如，电力工况（三相电流电压等）、能耗（电机的功率、温度等）、线路（三相电流是否平衡、缺相、漏电等）、设备工况（电机的转速和振动等），从而为泵站的自动高效运转提供调控依据。

2.1.4 安全保障模块

该模块分为“消安模块”和“环控模块”。其中，“消安模块”主要用于实现泵站的消防安全，例如，通过防入侵系统防止非法用水和动物咬噬线缆等情况的发生，通过门禁系统实现对泵站运行进行考勤，通过漏水探测器和烟雾传感器实现对泵房安全风险的感知；“环控模块”主要用于泵站的环境监控，主要包括实时视频、热成像等视频监控和灯控、通风、水质监测等。

2.2 泵站互联网化改造

通过智能控制柜，将每个泵站的每台水泵都接入互联网，由云平台对每个泵站乃至每台水泵进行远程运行管理、远程监测、远程控制等（例如，远程运维、远程监控、零距离巡检、诊断报告生成及保养建议定期推送等），从而实现“五遥”。同时，云平台还提供了远程计时操作、计费操作、运行状况推送等功能，其中，针对计费操作提供了远程充值功能，并通过小程序或公众号等，实现结算和充值等信息的推送（而对于不会使用手机的人群或用户，智能控制柜提供了24 h无人值守的现场圈存机服务，无需手机或电脑，仅通过IC卡即能实现账单查询、相关明细费用打印等）。此外，为配合监管机构对泵站运行进行监管，云平台提供了泵站能效和能耗、水量和水质、资金和费用等数据的查询功能。

3 改造后的泵站控制系统

改造后的泵站控制系统以云平台为中心，以智能控制柜为终端节点，组成了一个既可远程控制又可本地操作的大型灌溉调度管理控制系统。其中，智能控制柜可通过两种方式与云平台建立连接：一种是通过有线方式接入基地局域网，经布设于基地局域网内的雾边缘计算网关与云平台建立连接，从而实现远程通信；另一种是通过智能控制柜搭载的云边缘计算网关和4G通信模块，直接通过附近的移动通信基站接入互联网，进而与云平台建立连接实现远程通信。云平台采用微服务框架，用户可根据不同需求逐步完善其功能配置，无需反复搭建各类平台，避免了重复投资。同时，云平台除了具备2.2所述的功能外，还具有智能视频分析功能（对接入云平台的所有视频监控信息进行机器视觉分析，做出告警判断，并对泵站内外状况等进行实时分析），数据存储、分析、查询功能，终端设备组网规划功能等。此外，云平台除了能与智能控制柜实现远程通信外，还提供了用户侧访问接口和第三方访问接口，用户不仅可以通过PC端、微信小程序、微信公众号、专用APP等多种方式，对云平台进行操作、监测及后台管理配置，还可利用大屏进行用水调度大数据展示及现场实时操作，同时还可通过第三方访问接口，与既有专家系统、公共云平台、相关监管部门等进行交互对接。

4 运行改造方案的应用实例

笔者根据苏北某大型国有农场的实际需求，结合泵站无人化运行改造方案，对该农场的15个泵站进行了智能化升级，实现了对潜水泵、轴流泵和混流泵三种类别61台水泵的远程控制。具体为：通过多种传感器实现了对泵站电机运行工况、供电线路、能耗、电力工况等的实时检测和调控，实现了电机的高效率和低功耗运行；通过增加烟雾传感、漏水探测、入侵检测等功能，保障了泵站的安全运行；通过智能调度调配算法，实现了多电机协同运作、灌溉用水按需分配。以上所有功能均通过互联网与云平台对接，用户足不出户通过控制室的电脑即可对整个农场所有泵站内的任意一台水泵进行控制。控制中心的操作界面以泵站为单位，点开某个泵站后，即可打开当前泵站的控制界面，控制界面的展示内容包括泵站内外视频监控，水泵的开关控制，水泵的电压、电流、温度等实时数据，以及水泵运行时长等。

虽然该农场改造后的泵站无人化运行的功能仍比较简单，只具备远程控制功能，但运行半年后用户反馈表明，无人化运行的泵站控制方式相当便利，减少了之前工作人员在高温烈日下现场操作的辛苦，且远程控制效率高，控制命令响应及时，原来18人的泵房管控团队可缩减至3人（1人负责开关操作，2人负责出现故障后的运维）。

5 小 结

对我国大型农场既有泵站进行无人化运行改造，实现泵站的远程化操作、自动化控制、智能化运维，不仅改造方式简单（例如，智能控制柜采用轻耦合的实施方案，无需对泵站原有设施进行任何改造即能实现对泵站进行智能化管控；保留传统的操作方法，工作人员能从原有的使用习惯平顺过渡到无人化运行），还能节省大量人工（例如，改变原来人工24 h值守巡检的模式，较好地解决目前我国农业劳动力缺乏和劳动力成本逐年升高的问题），更具有显著的节水节电效果（例如，智能控制柜能根据用水量情况智能调控水泵的运行时长和运行功率，减少不必要的水资源和电能浪费；合理的多机联动调度算法可保障泵站内的每台水泵都在最佳工况下运行，从而提高设备的使用寿命，节省相关维修更换的费用）。因此，对我国大型农场既有泵站进行无人化运行改造具有良好的应用前景，可为规模农场带来巨大的经济效益。