现代化灌区建设中信息化工程规划设计架构初探

饶远谋

（华池县水务局，甘肃 华池 745600）

我国是典型的农业大国，灌区是发展农业生产不可或缺的基础。在农业节水化的新要求、新形势下，加快建设现代化灌区，对保障国家粮食安全、水安全和促进乡村振兴具有十分重要的意义。现代化灌区指按照“人-社会-自然”相互和谐发展的原则，通过科学合理的生产布局，配套适用的排灌系统和高效的信息化系统，实现灌区水资源开发利用及管理能效的最大化[1-3]。其中，现代化灌区建设中信息化工程是利用传感器、互联网、物联网、云计算、大数据、5G等先进技术构建物联感知、数据汇聚、运算分析、科学决策及智慧应用的智能化、网络化系统，是实现灌区水、肥、气、热、作物等元素动态监控和管理的重要措施，也是实现灌区水资源“总量控制、定额管理”的必然方向[4-8]。文章从工程设计实践与积累着手，从灌区生产、管理、技术等角度进行分析，结合灌区现代化建设中业务发展、用户使用、数据库建设、运行安全等方面的实际需求，从设计层面构建灌区信息化工程的建设架构，以期为现代化灌区建设提供参考和技术支撑。

1 灌区信息化工程存在的问题及原因分析

我国从1990年开始大型灌区信息化工程的建设，特别是在2010年以后，灌区信息化建设取得了较大成就，但是从灌区运行的需求及行业发展的方面仍存在以下问题。

1.1 规划设计不合理，需求分析不到位

在灌区信息化工程规划设计阶段，由于前期现场调研和需求分析不到位，使得工程规划、设计方案、实施方案、建设内容、技术路线、工程措施、设备配置等方面与实际需求脱节。主要原因在于，灌区新建信息化工程与已建信息化工程的衔接不够，工程没有与灌区管理业务实际紧密衔接。

1.2 系统应用水平低，功能发挥不充分

虽然近些年灌区信息化水平得到了很大的提升，但总体水平仍然较低，相当一部分灌区仅实现了干渠/干管的自动化量测水功能。究其原因，主要有3点：一是缺乏数据支持，系统集成应用性差；二是灌区管理体制机制老旧，信息孤岛较多，一定程度上限制了应用效能的发挥；三是信息化技术普及程度不够，灌区管理人员在使用中存在一定的难度。

1.3 工程建设缺标准，运行管理不规范

灌区信息化工程建设过程中，无论软件开发还是硬件选型，均是参考其他行业标准，且这些标准也存在不一致性，特别在量测水设备选型中表现得尤为严重。同时，灌区信息化工程管理也缺乏相应的规范，导致工程在使用过程中难以有效地维修和养护，造成使用寿命短。

2 规划设计中如何进行需求分析

在灌区信息化工程规划设计中，需要重点对灌区计量监控、用户及产业发展、灌区数据库建设以及运行安全等几个方面进行重点分析。

2.1 计量监控需求

现阶段，我国灌区信息化程度相对较低，计量监控设施明显不足[9]。一方面，满足灌区管理的水情（水位、流量、流速等信息）、雨情（降雨量、降雨频率等信息）、墒情（土壤含水量信息）、工情（测控一体闸门、电磁阀、田间控制器等工作信息）等“四情”监控系统不够完善，严重制约着灌区管理水平及工作效率的提升；另一方面，缺乏能够实时监控灌区内作物长势需求、病虫害防治需求的信息化系统，也限制了作物种植水平和产出效率的提高。这与发达国家还具有较大差距。因此，在规划设计中，对灌区管理层面应注重对“四情”监控系统的需求分析；在作物层面应侧重于对农作物生长、病虫害统防统治的需求分析。

2.2 多方用户及产业发展需求

灌区中与农业生产相关的生产主体，主要包括农民、农场主、种植大户、专业化种植企业等，这些主体迫切需要通过灌区信息化工程来获取生产资料、农技信息、市场动向等，用以降低生产和市场风险，从而提高农业生产效益。灌区中与农业生产相关的服务主体，主要包括农资供应商、植物保护服务商、农机服务商等，这些社会化服务组织也需要通过信息化手段来匹配服务对象，为农业生产提供生产资料。从政府层面来看，水行政主管部门或灌区管理单位也需要通过灌区信息化手段来掌握辖区内灌区动态和生产情况。同时，农产品经销商、消费者等也需要运用信息化工程来加速农产品的流通、实现农产品溯源等。可见，灌区信息化工程的用户涉及生产主体、服务主体、政府管理者、经销商、消费者等，应从多角度开展需求分析。

2.3 灌区数据库建设需求

现阶段，有相当一部分灌区的水文气象、灌溉作业、农业生产等数据仍采用手抄、报表等方式采集，无法长期有效储存和实时快速分析，更无法支撑现代化灌区的建设，亟待通过信息化工程来搭建海量数据汇聚、快速查询、统计分析、公开透明的灌区数据库，为灌区发展规划、农业产业布局、农事生产等提供支撑。因此，在需求分析中更应注重对灌区数据库的建立。通过物联平台将灌区雨情、水情、工情、墒情、安全等多元数据采集汇聚、筛选加工、标准化处理后，按业务需求建立相应的数据库，打破信息孤岛，服务于各方用户。

2.4 运行安全需求

现代化灌区建设中，灌区设施设备的运行安全显得越来越重要。一方面，按照“统一规划、统一设计”的原则，结合灌区测控设备和业务应用系统的需求情况，在可信通信网络、可信接入边界、可信计算环境、安全管理规则等方面进行重点分析；另一方面，应从灌区信息化工程设备运行情况、服务启用情况、故障报修情况等分析总结规律，在灌区信息化工程架构设计中，提高系统的正常运行率，实现运行管理工作的可管、可控、可优化。

3 灌区信息化工程设计架构

3.1 架构设计

围绕现代化灌区建设中对计量监控、农业产业发展、数据库建设及运行安全等多元化、复杂性的需求，面向用户、农场主、种植企业、社会化服务组织及政府等多方面、多目标对象，初步设计了现代化灌区信息化工程架构，如图1所示。从下到上，可划分为物联感控、网络通信、数据、智慧应用、科学决策共5个层级和管理制度、标准规范、运维体系、安全体系共4个体系，从而形成信息感控全面、科学调度合理、智能管理高效、科学决策迅速、灾害预警及时、产业链接可靠的现代化灌区智慧信息工程系统模型。

3.2 系统描述

3.2.1 物联感控层

物联感控层通过划分不同的控制单元，运用3S技术、视频技术、物联网技术等通过汇聚多种类型的智能传感终端、视频监控终端、计量控制终端、气象数据采集终端、自动控制系统等，为现代化灌区提供全面的数据感知能力。作为信息化工程的基础层，物联感控层感知的内容主要包括水情信息、工情信息、墒情信息、水质信息、气象信息、岸线信息、库坝信息、闸阀信息、泵站信息等。在规划设计中，通过需求分析对物联感控设备进行优化布局，能够实现对现代化灌区范围内全对象、全要素的数据采集，为上层数据中心提供全面准确有效的感知数据。

3.2.2 网络通信层

网络通信层是利用通信技术、无线技术和网络安全技术等，通过灌区控制专用网、业务管理网、公共通信网、互联网、卫星通信等为灌区提供容量大、覆盖广、安全可靠的网络通信设施，实现灌区数据快速安全地传输与汇聚。作为信息化工程的安全传输通道，在规划设计中按照感控信息点和自动控制现地站的实际需求合理布设通信设备。一般布设原则是，日常通道和备用通道采用不同的通信技术，现地设备自检通信异常时自动切换通信通道，且设计中还应加设临时备用电源切换设备。

3.2.3 数据层

数据层是利用云技术、大数据技术、数据仓库技术、数据挖掘技术和GIS技术等，构建由基础的云设施、各数据库和支撑系统组成的数据中心，为现代化灌区提供数据高效存储和运算能力。其中云设施包括机房网络、云计算、云存储等，实现数据的存储和计算；数据库包括基础数据库、业务数据库、科研数据库、市场数据库、共享数据库等灌区数据资源；支撑系统主要包括报表服务、数据服务、地图服务、模型服务等，为上层应用提供标准的数据、地图、应用服务等支撑。

3.2.4 智慧应用层

智慧应用层属于现代化灌区信息化工程的核心，主要在上述3个功能层级的基础上，借助各种先进水利技术、虚拟现实技术、AI技术等构建灌区管理、水资源管理和农作物管理等智能应用，为灌区高效运转提供支撑，也为科学决策层提供应用成果数据。其中，灌区管理包含日常、设备、人员、财产、物资、用户等管理；水资源管理主要包括计量计费、水量配置、闸阀集控、岸线监控、预警预报、水权交易等方面的管理；农作物管理包含长势监控、水肥方案、植物保护、绿色飞防、流通加工、产品溯源等方面的管理。

3.2.5 科学决策层

科学决策层则以调度决策、大屏展示、专家咨询和综合会商4个中心为依托，综合利用大屏技术、专家决策支持技术、大数据可视化技术、虚拟现实技术等建设灌区“一张图”，是现代化灌区调度指令发布、综合信息展示、用户交互及查询会商的窗口。科学决策层为现代化灌区多方用户提供更加直观形象的监测数据和成果数据，能够对灌区管理工作动态和发展趋势进行全景展示，为管理决策者提供科学、实时的数据支撑。

3.2.6 体系建设

灌区信息化工程设计架构中的5个功能层级的建设和运行均需要配套科学的管理制度体系和标准规范体系，构建完善的运维体系和安全体系，用以保障现代化灌区信息化工程效益能够最大化长久发挥。在规划设计中，管理制度体系应从灌区管理体制机制改革着手，力求满足信息化工程的运行需求。标准规范体系是现代化灌区建设的重要基础，规划设计中应遵循并完善标准规范，确保各系统的互联互通、信息共享和业务协同。从信息化工程的全生命周期来看，运维阶段是持续时间最长的，也是体现和发挥信息化价值最重要的阶段。建立完备的运维体系，强化信息基础设施的智能运维，是保障整个信息化工程正常运行的重要手段。信息化工程作为现代化灌区重要的组成部分，应该在国家相关法律法规的约束指导下，积极采用多种方法措施建立安全体系，如逻辑隔离、入侵检测、系统访问控制、恶意代码防护、国产密码等，确保其可靠运行。

3.3 投资分析

分别以渠灌区、井灌区各66.67 hm2及实现基本功能为原则进行现代化灌区信息化工程投资分析。不同配置等级的信息化工程建设投资相差较大，一般随用户配置要求的升高而增大。其中，渠灌区信息化工程建设每公顷投资11 625～30 255元，首部控制、四情监测、遥感系统及田间控制系统投资占总投资的4.6%～8.2%、1.6%～3.0%、1.5%～2.9%和85.9%～92.4%。与渠灌区相比，井灌区低配型和高配型信息化工程建设投资分别提高了41.8%和3.7%，每公顷投资达到16 500～31 350元，首部控制、四情监测、遥感系统及田间控制系统投资占总投资的22.3%～34.3%、1.8%～2.3%、1.5%～3.8%和59.5%～74.4%，见表1。由此可见，从投资角度看，渠灌区信息化工程设计中应重点关注田间控制系统，尽力做到闸、阀配置合理、集控便捷；而井灌区由于增加机井控制等系统，首部控制部分投资增加，在进行信息化工程设计中，则需要综合考虑首部和田间两套控制系统的布局和配置，力求在达到目标需求的同时尽量降低投资。

表1 现代化灌区信息化工程建设投资分析表

4 结语

现代化灌区是现代化农业生产的基础，而信息化工程是现代化灌区中不可或缺的“中枢神经”，在最严格水资源管理、农业水价综合改革、高标准农田建设等方面发挥着越来越重要的作用。现代化灌区信息化工程基础架构需要在灌区管理中充分研究应用和不断优化，更需要重点运用5G、云计算、大数据、人工智能等新兴科技，打造因地制宜的现代化信息系统和智慧云平台，推动灌区管理方式转变，逐步提高灌区自动化控制水平、智能决策能力和运行服务效率，加快推进灌区现代化改造，有力提升国家粮食安全。