花园智能养护管理与城市综合能源系统规划建设的展望

石 岩

(华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206)

1 引言

目前，我国步入“五位一体”的发展新布局，同时在“十三五”期间确立“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展新理念，城市中各式各样的花园大面积出现。随着绿地面积的增加，相应的配套养护管理手段仍大多局限于手工操作。这种监管模式一方面对每个劳动者提出了体力要求，另一方面无法实现自动监管导致对花园的各种响应不及时。例如仅花园养护管理中灌溉一项，就存在诸多问题，这些问题共同导致了水资源利用率低下。城市花园作为较为独立的一个区域，可作为城市微网的最佳示范区，可极大提高资源利用率。同时，城市花园系统也可与海绵城市及地下综合管廊系统紧密结合，提高城市智慧化水平。

2 城市花园管理现状

2.1 自动化水平低

自工业革命以来，提高自动化就成为了各行各业的最终目标，以量化指标代替经验指标。但作为快速发展的城市花园还大量依赖人力工作，养护管理水平依赖于园林工人的技术水平。为了降低人工成本，聘用园林工人大多没有专业知识背景，即专业素质不高。这就导致病虫害防治不及时、浇灌时间不合理、缺乏监护等问题的出现。

2.2 资源利用率低

我国水资源贫乏，人均可利用淡水资源仅为世界平均值的1/4。据统计我国部分城市绿化用水已达到城市居民生活用水的36.8%，但由于我国大部分城市采用大水漫灌的方式，导致约80%的水因深层泄露变成无效水[1]。我国的平均灌溉水利用率约40%，而发达国家的灌溉水利用率可达到80%～90%。同时，自然降水大多未得到及时蓄积利用，处理后的城市污水也很少用于花园灌溉的循环利用。

城市花园散布在市区中人口聚集区，大多是市民散步的最佳去处，故有必要安装相应的照明设施。目前其照明常常采用连续不间断照明，照明时间一般从晚七点至12点。但九点以后花园明显人流减少，这就造成了电能的浪费，加重了电网负荷。

3 智能花园养护管理系统规划

整个智能养护管理系统由智能浇灌系统、水路监控系统、照明控制系统3个模块构成，3个系统之间互相耦合、信息共享。由于花园空间宽阔可采用光伏板及蓄电池，给控制系统及其他电力消耗装置供能，以形成城市花园微网。

智能浇灌系统应该做到因灌溉对象的需水要求而设计，这就要求因“植”制宜，自动根据现场实时的气候、植物、土壤湿度进行量化浇灌。在达到节水目标的同时，也有利于实现草坪、花卉的长势均匀、色泽丰富。因而为实现对水资源的高效利用，需对气象温度、湿度、降水、光照等因素[2]进行综合考虑，实现按需、按量自动灌溉。在建设初期对不同区域的规划即可确定相应的浇灌方式，故而分布式计算机在获得前述相关参数时可根据预设数值直接控制电磁阀启停。值得注意的是，对于土壤湿度的检测应选取表层及深层两个参数，以提高检测精度，由于大多数花园植被的根系不会低于土壤表面20 cm，故而可将深层取样点定为据土壤表层20 cm处。

水路监控系统主要防止水管破裂及电磁阀“偷挑”引起的跑水，为了使其与现行管道铺设达到最大兼容，受电路中KCL定律的启发，在花园供水管道分支入口处增加基于霍尔效应的流量传感器。在系统未达到开启条件而存在流量数据时，即判断为出现了跑水现象。此时也可通过电力线载波通信通知远方值班人员及时处理故障。

照明设备应在无人时自动关停，有人时自动开启，这可以通过光敏及人体红外传感器参数的变化，由分布式计算机控制。这样在保证路人需求的前提下可以实现对电能的节约。

在不久的将来，我们甚至可以通过城市中的监控系统结合计算机视觉技术，在智能养护管理系统中实现城市花园病虫害检测预防、快速无损花园植被生长状况监测等功能。

4 现代城市建设与综合能源系统的展望

4.1 海绵城市与城市综合管廊建设展望

海绵城市是指城市对于自然降水可以做到吸纳、蓄存、过滤和净化，减小城市内涝风险。在进行城市综合管廊系统建设时，可将绿地供水系统与城市生活用水系统分离，这样既可以降低对于自然水供水系统的供水压力，又可以通过将蓄水池中的水直接泵至绿化水系统以提高雨水的消纳与利用率。虽然雨水利用在20世纪的发达国家就达到了标准化及产业化水平，但在我国起步较晚，仅在部分极度缺水城市小规模得以尝试性应用并取得了良好效果。以首钢工业区改造为例，其构建的“生态海绵”城市区由雨水净化系统、雨水渗透系统和雨水蓄集利用系统组成。改造中的核心技术是绿地改造，结合城市雨水汇集等综合雨水利用技术实现了类似海绵吸收的生态方式。在未来城市花园中，绿化水的调度可仅作为海绵城市蓄水的重要部分，有效减缓缺水城市的供水压力[3]。

4.2 综合能源系统的应用展望

能源是人类赖以生存和发展的基础，是国民经济的命脉。原有各供能系统单独规划、单独设计和独立运行的模式，无法充分发挥能源潜力，会对能源造成浪费。对能源系统进行一体化规划设计和运行优化，以形成统一的社会综合能源系统、承接全球能源互联网，将成为保障用能安全与社会稳定的必经之路。在能源需求大幅度增长与环境保护日益迫切的双重压力之下，美、加等国家将注意力投向了未来30～50年后人类社会能源的主要承载形式——综合能源系统(integrated energy system，IES)[4]。微网(Microgrid)项目与美国、加拿大所提IES类似，目的是研究用户侧终端IES中各类能源的友好利用和开发。

由于城市花园的用电负荷需求稳定，不存在较大波动，这就对其孤岛运行提供了极大便利。就城市能源网来看，城市花园作为一个独立的荷节点，结合光伏及小型蓄电池，在日常中完全可以作为电力孤岛运行。一旦出现长时间阴雨，则可以并网运行。实际上，德国等主要发达国家已建成了综合能源系统的初步形式，例如德国马德格堡气电水综合能源调度中心，就可以实现对马德格堡所需全部气电水进行同步调度，满足居民需求。

5 结语

城市花园在提高城市宜居性的同时也带来了一些问题，本文在电能与水资源利用方面进行了初步讨论，便显示出其广阔的应用前景。相信城市花园终将克服其种种问题，为市民的生活提供便利，也为智慧城市的建设提供参考。