水联网全渠道控制系统设计及应用

朱现坡，刘晋龙，2，王 瑶，李晓鹏，马晓兵，马泽全

（1．清华大学水利水电工程系，北京 100084；2．北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100082；3．宁夏回族自治区秦汉渠管理处，宁夏 吴忠 750499）

0 引言

2021年11月国家发展和改革委员会、水利部、工业和信息化部等多部门联合印发《“十四五”节水型社会建设规划》，要求“持续实施国家节水行动，加快推进节水型社会建设”[1]，强调大型灌区的现代化改造，强化农业用水的精细化管理，要求全面提升水资源利用效率和效益。同时期，宁夏回族自治区政府也提出，谋划实施水资源集约利用，加快打造黄河流域高质量发展先行区，推动水联网建设等地方要求[2]。水联网数字治水及其包括的全渠道控制技术的研究、系统的设计与应用，既是顺应国家和地方政府的大政方针，也是水利行业高质量发展的重要一环。

水联网概念是由清华大学王光谦院士在物联网概念基础上提出的[3]。水联网以信息技术、互联网、物联网与水利领域的深度融合理论为基础，集物理、信息和市场等水网为一体，以“实时感知、水信互联、过程跟踪、智能处理”为技术核心特征[4]，以水资源的准确预报、精准配送、高效管理为目标。近年来灌区管理信息化和全渠道控制领域也有较多的探索和应用[5–12]，但在智能化和调控效果方面还没有见到很好的案例。为此，基于水联网理论和技术体系[13–16]，根据灌溉管理中调度控制与监控分析2条业务主线的特征、功能需求及技术特征，设计水联网全渠道控制的业务流程、功能模块，研发出水联网全渠道控制系统，并结合秦汉渠农场渠的渠道状况和设备特征进行本地生产化改造。

1 灌区概况介绍

秦汉渠管理处是宁夏青铜峡河东自流灌区的业务主管部门，秦汉渠下辖 9个管理所，农场渠管理所是其中 1个。青铜峡河东自流灌区有河东总干渠1条，从北至南分出秦渠、马连渠、汉渠、东干渠4条干渠，以及由秦渠支出的农场渠和由马连渠支出的波浪渠 2条支干渠。

农场渠全长为 31.6 km，渠首引水流量为 25 m³/s，实灌面积约为 14 700 hm2，由农场渠管理所管理。农场渠沿干渠有渠首闸 1座、节制闸 4座、退水闸1座、干渠直开口 48座，大部分直开口安装有测控一体化闸门。4座节制闸将干渠划分为 4个渠池，其中，第一、二渠池共 21个需水口，且都安装有测控一体化闸门。总体上，农场渠具备较好的全渠道控制硬件设备基础。

农场渠缺乏自动化设备维护、信息化管理人才和系统，过去直开口向田间的灌溉控制主要通过人工单闸控制，对个人经验依赖较大，精准度较低。水联网全渠道控制系统的设计和本地化应用，可充分发挥测控一体化设备的性能，减少人员编制，提高灌区管理信息化水平。

2 系统分析与设计

水联网全渠道控制系统是基于秦汉渠农场渠的渠道特征设计的生产化应用系统，依据实际需水目标，通过全渠道控制算法进行渠道闸门联调联控，是水联网数字治水云平台的核心系统，以水联网的“实时感知、水信互联、过程跟踪、智能处理”的技术特征为核心，主要实现渠道闸门基础信息管理、需水计划制定及执行管理、全渠道闸门智能控制、闸控记录及效果分析、闸门状态数据监控及分析等功能。

2.1 主要业务分析

水联网全渠道控制系统包括调度控制、监控分析 2条业务主线，2条业务主线并行在系统中分别承担不同的业务职能。2条业务主线与全渠道控制系统功能模块的业务流程关系如图1所示。

图1 全渠道控制系统业务流程架构

1）调度控制业务主线。调度控制业务主线是指动态制定需水计划，利用智能算法调度控制渠道闸门，以达到需水目标相关的业务。调度控制业务主线主要实现需水计划制定、全渠道智能控制、开启关闭全渠道控制、需水目标达成分析等功能。

2）监控分析业务主线。监控分析业务主线是指通过实时或历史数据，查看渠道及闸门运行状况，监控渠道运行风险，以及对比分析闸门状态变化趋势等相关的业务。监控分析业务主线主要实现渠道运行状态、闸门实时数据状态、闸控命令执行结果、异常告警等分析功能。

监控分析业务主线在调度控制时期起到数据提供、分析和监控等重要作用，2条业务主线有机交互，执行灌溉任务，完成灌溉目标；监控分析业务主线在不进行调度控制的时期也可正常运行，实时监控、分析渠道和闸门当前及历史运行状态。

2.2 功能架构分析

水联网全渠道控制系统由业务层、算法层、接口层和设备层构成，其中：业务层，是全渠道控制相关的业务流程实现和用户交互界面，设置与执行全渠道需水计划，监控全渠道运行状况；算法层，是全渠道控制逻辑计算和指令生成方法的封装；接口层，是控制系统与测控一体化闸门之间交互状态和指令的物联网接口集成；设备层，是指测控一体化闸门等渠道灌溉设备。水联网全渠道控制系统功能架构如图2所示。

图2 水联网全渠道控制系统功能架构

2.3 控制过程分析

水联网全渠道控制系统通过物联网平台软硬件系统接口获取各闸门开度、水位、流量等状态，连同各闸门需水目标一并通过软件系统输入智能调度算法模型，经过计算输出各闸门的开度控制指令，指令由软件系统通过软硬件接口传输给闸门执行。批量控制指令执行后，闸门状态发生新的变化，新的实时数据持续输入算法计算，然后持续输出指令调控，直到达成需水目标（本系统定义实时流量与目标流量偏差在 ±0.02 m3/s 范围内为达成目标）。水联网全渠道控制系统整体调控过程设计如图3所示。

图3 水联网全渠道控制系统调控过程

3 系统应用及特征

2022年春灌，水联网全渠道控制系统在秦汉渠农场渠按实际生产用水计划，昼夜连续运行 7 d，覆盖了 1 轮完整的生产灌溉供水。全渠道控制系统在大规模生产中再次被验证，系统运行稳定，并有较高的运行效率。本次运行主要有以下几个特征：

1）参与直开口多。运行渠段为农场渠渠首至三跌水节制闸，共包含 21个直开口，其中 18个具备调控条件的直开口全部参与运行，最多时有 17个直开口同时由全渠道控制系统联调联控，按实际生产需要配水。

2）渠道和直开口流量大。本次运行渠首流量最高时超过 27.00 m3/s，对比渠首的流量警戒值为28.00 m3/s。由全渠道控制系统分配的最高流量为7.15 m3/s，平均流量为 4.30 m3/s，对比 18个直开口的设计流量总和为 11.80 m³/s，通常不会出现全部直开口同时按设计流量供水的情况，所以 7.15 m³/s 是相对较高的状态。

3）连续运行时间长。本次运行的 60 多个批次需水计划动态滚动执行，共发生 3 000 多次动态调控。图4 显示了这轮灌溉所有 18个直开口需水目标的动态变化过程，图中标注目标流量数值的曲线是“龙三六号”直开口需水目标变化。

图4 本轮灌溉全渠道控制直开口需水目标变化过程

4 系统运行效果

4.1 直开口达成目标平均耗时分析

从动态需水计划中提取直开口需水调整变化量超过 ±0.05 m³/s 的需水调度目标计划，共 76条，即 76 闸/次全渠道需水调度目标计划被执行。经过调控后，达成目标需要的平均时间为 1 630 s，即平均 27 min 达成目标，最短时间为 466 s，最长时间为4 036 s，各次调整达成目标耗时在各流量变化区间上的散点分布如图5所示。进一步统计结果表明，64% 的需水变化调整能在 30 min 内达成目标，80%以上的需水变化在 40 min 内达成。

图5 各次需水调整目标达成耗时分布

4.2 全过程流量偏差分析

从闸门状态数据中提取 2022年6月9—14日期间与直开口需水计划对应的 18个直开口实时流量记录，共 18 003条。计算实时流量与当时的需水目标流量偏差，得出的平均偏差为 -0.013 m³/s。统计显示，全渠道调控期间，74% 的时刻实时流量与需水目标流量偏差低于 0.02 m³/s，该数据并未排除流量目标改变时刻附近及水位不足无法满足目标等情况。流量偏差按区间分布统计，详细结果如表1 所列，其中，流量偏差在 ±0.10 m³/s 以上的数据大部分都位于需水目标调整期间。

表1 流量偏差按区间分布统计

全渠道控制第2 天的 24 h 内即时流量与目标流量的偏差数据共 3 158条记录，涉及 12个直开口。其中流量偏差在 ±0.02 m³/s 以内的有 2 819条，占总量的 89.27%，该数据并未排除流量目标改变时刻附近的记录，可见，总体上全渠道控制系统可以稳定调控各直开口，使流量偏差在 ±0.02 m³/s 以内。流量偏差数据序列分析如图6所示。

图6 全渠道控制目标流量偏差分析（24 h 运行）

全渠道控制第3 天上午通过软件系统界面观察过去十几个小时（含第2 天傍晚和夜间）的直开口即时流量与最新一次调整的目标流量的偏差对比分析功能界面如图7所示，可以看到没有调整目标的直开口整个夜间基本平稳运行在 ±0.02 m³/s 偏差范围内。

图7 水联网全渠道控制系统中的需水目标达成分析功能界面

4.3 闸控指令响应结果分析

水联网全渠道控制系统在全过程 7 d 内 156 h 共进行了 3 724 次闸门调度控制，产生 19 121条闸控指令，绝大部分都发送、响应、执行成功，成功率为99.39%，仅 116条指令响应失败，失败率为 0.61%。该成功率说明水联网全渠道控制系统调度控制模块、软件硬件接口服务、服务器和网络稳定畅通。另外，水联网全渠道控制系统自身的容错机制可接受少量的指令失败后通过后续指令执行修正。

5 结语

在 2022年秦汉渠农场渠春灌期间，水联网全渠道控制系统经过 7 d 完整 1 轮供水的运行，通过需水计划调度、闸控指令执行、需水口目标达成耗时、流量偏差等方面的结果及分析，得出水联网全渠道控制系统可在 30 min 左右达成调控目标，即将流量偏差绝对值控制在 0.02 m³/s 以内或更低。需水目标调控达成所需时间和流量偏差低于相关论文中涉及的参考数据[17–18]，验证了系统的稳定可靠性、高效便捷性及安全性。

本次春灌的持续运行表明：水联网全渠道控制系统能保证取水口充分高效供水，在满足沿渠农户用水需求的同时，还可很大程度地降低人工操作成本，保障渠道闸门系统稳定高效运行，且节水， 高效，控制效率和精度都远高于传统人工单闸控制，提高了农场渠灌溉管理效率和现代化水平。

在水联网全渠道控制系统应用试验和运行过程中还发现，需水计划制定的合理性对目标达成耗时和流量偏差有明显的影响。极端情况下，如果渠道总进水量小于需水计划中设置的各直开口的需水目标总和，则无论采用何种调控方式，无论水联网全渠道控制系统如何高效，都不可能达成目标。因此，如何根据渠道进水量及农户用水需求制定合理的需水计划，值得后续深入研究。