智能灌溉系统工程案例分析

朱霞雁

（上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200125）

1 项目背景

上海国际旅游度假区核心区（内含上海迪士尼乐园；下统称为“乐园”）一期占地范围为390 hm2，其中绿化面积约100 hm2，绿化率超过25%。对照全球迪士尼乐园绿化灌溉的统一标准，本工程采用的乐园绿化灌溉水量远远大于国内设计中通常采用的标准值（日均1～3 L/m2·d）。同时考虑到不同季节植物生长特点等因素，最终确定整个园区最高日需求灌溉水量达到9 700 m3/d，最高峰值流量为764 L/s。

为此，在整个园区内布置了环状及支状的灌溉水供水管网系统。在园区市政道路下，埋设了灌溉水供水总管（DN110~De630），呈环状布置。同时对各个用水地块敷设支状供水管网，即根据用水需求在诸如主题乐园、酒店、餐饮店以及其他配套设施等的入口处预留支管接口（De110~De450），并保证接口处的水压为0.65~0.70 MPa。

在园区内有一个体量巨大的中心湖，湖水量达150万m3。为保持湖水洁净，园区内配套建设了一座综合水处理厂，并在该厂内设有灌溉水的增压泵房。当园区进入灌溉时段，灌溉水进水管直接从中心湖泊取水，经增压泵加压，再经过滤器过滤及消毒后，将灌溉水打入园区环路上的灌溉水总管，为整个园区提供灌溉水。

2 智能灌溉需求

绿化灌溉有许多方法，包括喷灌、滴灌等，其系统包括：水源取水、增压系统、灌溉水输水管道系统、喷头及控制器等。目前在设计灌溉系统时，通常注重于灌溉总水量的确定、管网分布、喷头的选择和布置；在灌溉的控制方式上，有的虽然采用自动灌溉的控制方式，但是大多只考虑了时间控制和气象因素等,并且是由普通的控制器程序来完成。为了有效提高水的利用率，节省劳务和日常养护开支等运行成本，并最大程度地满足植物需水要求，维护美丽的绿化景观，本工程采用中央控制系统对绿化灌溉进行运行控制，这种智能化灌溉控制方式是智慧城市和节能减排上工程实践的体现。

3 智能灌溉特点

灌溉控制系统采用中央计算机控制系统，即MAXICOM2控制系统（见图1）。如图2所示，中央控制系统通过发出指令，并不断地监控反馈信息来检验指令的执行，实现对灌溉系统的管理。计算机每天自动收集由气象站采集的气象数据，计算ET值，并不断地对原有程序进行自动修改。通过专用的管理软件，运算出植物前一天损耗的水量，并决策当天是否需要补充水分以及所需补充的水量。若需补水，中央计算机向各集群控制器发送指令并由CCU集群控制器传送给各田间控制器，由田间控制器完成电磁阀的启闭。在一定的时间内按一定的顺序自动完成园林绿地的灌溉并自动停机。如传感器传来异常信息（如降雨，过分干燥，系统漏水等），将会自动中断或暂停程序，待排除异常情况后，继续恢复程序运行。

图1 园区绿化灌溉（中央计算机系统控制）

图2 智能灌溉系统设备

灌溉水系统管网除了采用人工捡漏的方法来探测漏点以外，还同时采用更为先进的捡漏仪器和更为有效快速的捡漏法。通过这种软硬结合的方式，灌溉水自控系统集成软件捡漏系统，分析采集的各种管线数据，包括压力、流量、温度、黏度、速度及摩擦力等基础数据，并对管线的非线性、不确定性、随机性因素引起的误差进行补偿，从而提高漏点测量的灵敏度、精度及可靠性。当供水管道发生漏损时，系统根据采集的参数发出报警信号，调度人员收到报警信息后利用系统的漏点检测程序判断漏点的位置。

4 MAXICOM2中央计算机自动控制系统配置

（1）中央控制器

中央控制软件是一个可以安装在灌溉运行管理人员的办公室电脑上的软件包。中央控制器的电脑可以通过预先装有的软件实现对其他电脑的远程访问，可在任何地方进行远程控制。

（2）集群控制器（CCU）

集群控制器（CCU）是一台没有键盘和显示屏的电脑。它是中控软件和每个区域田间设备的中间管理员。它负责控制和监测田间卫星站和其它如流量、雨量传感器等设备。

由中央计算机发出的灌溉指令自动从中央控制器下传到CCU。下传之后再从CCU发送到对应的卫星控制器。CCU不间断的监测系统状况，并将结果在用户设定的时间（通常设在灌溉循环结束后）自动上传到中央控制器。

（3）卫星控制器

卫星控制器包含 12、16、24、32和 40站等几种配置，可安装在室内或室外。

（4）通讯路径

在系统中有两个重要的通讯路径：中央控制器数据通讯路径和卫星站数据通讯路径。中央控制器通讯路径是指从中央控制器到CCU的路径，它可以采用电缆、电话、移动电话或者无线电、光缆等多种通讯方式。卫星数据通讯路径是指从CCU到卫星控制器的路径，它可以采用电缆或无线电两种通讯方式。

（5）解码器

解码器有两种类型：脉冲解码器和传感解码器。

脉冲解码器检测由传感设备（比如流量传感器）所引起的脉冲信号来进行相关的控制。传感解码器则用于监测开/关设备，比如雨量传感器或湿度传感器等。通过解码器记录在CCU中的田间状况并反映给计算机中央控制器。

（6）流量传感器和主阀

在一个由MAXICOM2控制的灌溉系统中，流量传感器和主阀可安装在每个节点位置。传感器通过脉冲解码器向CCU或区域卫星报告当前流量，CCU将实际流量与预计中的理论值进行比较。当发生流量异常时，不仅检查问题出现的区域并将有问题区域隔离，从而保证在检修时不会影响到整个系统的正常运行。流量传感器也能够记录每个区甚至整个区域的用水总量。

（7）雨量计

雨量计通过收集降雨量信息并向CCU发出信息报告。根据用户设定的界限值，监测程序运行或中断灌水程序。

（8）气象站

气象站通过收集气温、风速、降雨、太阳辐射和湿度等数据，在用户设定的时间，由MAXICOM2中央控制器从气象站下载数据，并根据这些数据计算出E T值，用以调整所有灌溉程序的运行时间。

（9）遥控系统

遥控系统允许通过无线电或电话在远处访问MAXICOM2，操作员可通过无线电或电话的数字按键键盘启动、停止、暂停、优先运行程序或某站点等。

图3为上海迪士尼绿化灌溉示意图。

图3 上海迪士尼绿化灌溉示意图

5 自动控制系统的运行

园区中主题乐园、酒店等地块内所有自动灌溉设备均由这套中央控制系统统一管理。不同区域灌溉设施的控制均接入此套中央控制系统内接受程序的统一管理，无须另外建设中央控制系统和气象站。

由中央计算机到终端电磁阀的工作过程为：中央计算机编程，并将程序下达到CCU，CCU再将各轮灌区灌溉控制程序发到相关区域控制器，区域控制器依照中央计算机制作的程序启闭各轮灌区电磁阀。

灌溉水系统管网事故状况主要是由于管网爆管所引起。当供水管网水力条件发生较大变化，比如新增加一个大的突发流量时，供水管网的全部节点的水压都会受到大小不等的影响。通过接受由灌溉自控系统实施回传的管网信息（包括测压电水压、管段流量及各水源供水量），对管网的状态进行连续不断地监视，分析运行状态的动态变化过程，发现新增突发流量及突发流量的位置。并且通过和以往的用水数据比对，判断新增突发流量是否为异常流量，从而及时找到爆管发生区域或爆管点，并通过相应的程序关闭这些区域灌溉设备，通过报警通知管理人员进行维修。另通过流量管理软件来实现整个系统的流量最优分配和最大利用率。

6 结语

本工程中全系统、大规模的智能精细化的绿化灌溉理念彻底颠覆了粗放化的传统绿化灌溉模式。这类大规模的智能灌溉控制系统的应用实例在国内类似项目中属首次新实践。