水源井电双控智能化管理系统的研究

梁江梅

（新疆生产建设兵团第三师图木舒克市水利工程管理服务中心，新疆 图木舒克 843900）

1 概况

1.1 背景

我国新疆地区由于气候干旱，水资源受季节因素影响，时空分布极不均衡，致使水资源匮乏。随着城镇化建设、水土开发等经济建设，水资源供需矛盾日益突出，地下水开采量快速增加，局部出现过度开采地下水现象。由于地下水资源开发利用缺乏合理分布的检测系统，造成当地政府部门不能及时掌握水资源变化的动态信息，对科学有效管控和生态环境保护带来不利影响。因此水资源井电双控智能化管理系统的研究十分必要，同时利用软硬件，提高信息化建设，以实现管理更方便，农户取用水更便利，加速推进水利信息化体系建设。

1.2 农田水利发展存在的普遍问题

（1）水资源季节性短缺，农业灌溉机电井分布区域广，水计量设施缺失，管控设施滞后、管理手段落后，无法做到有效管理，从而造成有限水资源的巨大浪费和管理失控及部分区域严重超采，给灌区农业生产带来不利影响，同时也对灌区周边生态造成一定威胁。

（2）地表水资源缺乏监测计量设施，加之人力有限，无法做到及时按量科学合理分水和配水，对水费征收和推进水价改革工作带来不利影响。

（3）地下水资源开发利用缺乏合理分布的检测系统，造成当地政府部门不能及时掌握水资源变化动态信息，对科学有效管控和生态环境保护带来不利影响。

（4）目前还存在水资源系统基础数据保留不全，档案保存方式、信息获取手段效率低、日常清通维护不到位和紧急事故处理无法及时等问题，这些问题表明现有管理方式和工作效率难以适应城市高速度、高品质的发展要求，同时对城市水资源设施的运行状况与突发灾害应急处理能力提出了更高的需求。

2 水源井电双控智能化管理系统

2.1 系统框架

水资源井电双控智能化管理系统从上而下可分为3 层，如图1 所示。

（1）数据采集层

系统由井电双控测控系统和地下水位监测系统组成。井电双控测控系统由超声波流量计和机电控制箱两部分构成，其中超声波流量计用于地下水取水的计量；机电控制箱由软启动器、遥测终端机、电能表、继电器等设备构成，主要负责控制水泵的启停、刷卡收费、远程数据传输等，能够将用户的实时用水信息及位置信息上传至管理中心。

（2）数据通信层

主要是指水源井管控系统与管理中心平台之间的数据通信链路。针对地处偏僻气候恶劣地区，优先选择无线公共网络资源（GPRS/CDMA/GSM）为基本数据通信主信道，卫星通信作为备用通信信道，通过无线网络资源与卫星通信智能切换来保障通信不间断，使数据传输不受地理环境和天气条件的限制，而且组网方便，数据传输准确，安全可靠性高，时效性和带宽基本满足大部分业务的信息传输要求。

（3）综合应用层

指部署在应用层管理中心的业务应用软件。软件主要包括基础数据及系统管理、实时监控管理、水费计收管理、综合报表、地图展示、系统运维管理和移动智能应用（APP）7 个子系统。

2.2 系统的通信传输方式与特点

（1）GPRS 无线通信

水源井管控系统监测信息主要包括流量数据、水电监控、设备运行状态、地下水位监测等，其特点是数据量小。

我国三大移动运营商经过多年的快速发展，基站覆盖面积非常广阔，基站设备设施先进，面对恶劣气候的抗干扰能力出色，因此以GPRS/CDMA/GSM网络为主要的网络数据传输服务。由于具有组网便捷，对应用所需投入的设备要求不高，网络运行费用低，并且数据传输稳定、准确性高、时效响应迅速可以满足农业灌溉的水资源信息传输要求等优点，因此选择GPRS 作为主要的无线传输通信方式。与传统方式相比，GPRS 通信具有以下特点：

1）高速传输：电路交换数据业务，速率为9.6 Kbps，GPRS 的最高速率可达115 Kbps。传输速度高于GSM 10 倍之多。可以稳定的传送容量较大的音频和视频文件。

2）实时在线：没有数据传送,系统就会进入一种“准休眠”状态，系统释放所用的无线频道给其他用户使用。当有数据传送时，系统立即向网络请求无线频道用来传送数据，不同于普通拨号上网那样断线后还得重新拨号才能传送数据。

3）响应迅速：网络连接响应速度快，GPRS 无线终端模块一通电，仅需几秒钟就可以与网络建立连接并进行数据传输工作。

4）收费便宜：由于水源井电双控智能化管理系统数据采集量小，并且GPRS 网络收取费用是按照接收和发送数据包的数量来确定的，因此流量费用低，经济负担小。

（2）数据传输的保密性

遥测终端 RTU 采集前端仪表的实时数据之后通过内置的加密模块生成加密密文（可采用 MD5、DES、AES 等加密算法），通过通信模块将密文上报到管控中心，经过通信前置机接收之后对密文进行解密，最后将解密完的数据存储到对应的分类数据库中。加密密钥存储在管控中心的通信前置机和遥测终端 RTU 的本地文件系统中，通信前置机可以通过网络对遥测终端 RTU 的加密密钥进行更新，确保数据传输的保密性。

2.3 系统具备的功能

（1）刷卡取水

智能取水控制器通过IC 卡和控制器智能控制泵的启停。当用水户需要取水灌溉时将IC 卡刷卡激活控制器点击启动按钮来启泵取水，取水完成后点击控制器停止按钮停止取水；控制器根据取水量自动扣除水量，当剩余水量达到告警值时发出告警提示用水户，水量用完自动停机，再刷卡可继续启动机泵使用一定的水量，IC 卡重新充值后才可再次使用。

（2）充值收费管理

用水户IC 卡充值通过收费管理系统来进行管理。并根据当地有关部门规定的水费价格进行核收水费。

（3）机井泵控制与恒压供水

以取水量（或电量）为控制量，用水户持IC 卡控制机泵启闭。系统根据设定压力进行恒压供水，满足滴灌和喷灌等灌溉模式的不同需求。

（4）防盗报警

系统中主要设备（如保护箱、磁电水表、蝶阀等）非法打开或使用时，上报和记录。

（5）设备自检和故障诊断

当设备出现故障时系统可以根据故障对影响安全的设备进行自闭锁，并将故障信息及时上报到管理中心，便于及时进行故障修复。

（6）保护功能

支持交直流供电，当系统采用交流供电时，监控设备内嵌宽电压稳压电路，适用于电网电压不稳的运行环境。

（7）水泵保护功能

具有过流保护、缺相保护、短路保护等功能，降低水泵故障率，提高水泵使用寿命。

2.4 数据分析与管理功能

系统通过对各机井各用户灌溉数据的采集和存储来对用水量报表和收费报表进行统计分析；同时基于公网地图分析区域概况和机井分布及状态，经过分析形成一套合理、科学的分水和配水方案，能够有效缓解农业灌溉长期存在的水资源浪费问题。

水源井电双控智能化管理功能包括基础数据及系统管理、实时监控管理、水费计收管理、综合报表、地图展示、系统运维管理和移动智能应用（APP）7 个子系统功能。

（1）基础数据及系统管理

基础信息模块主要维护支撑系统运行的各类基础数据，如行政区划类数据、用水户数据、机井信息、测控设备信息、水价信息等。

（2）实时监控管理

采集前端仪表测量数据并实时显示、存储，对存储数据进行分析。查询测控设备在线情况以及最新数据情况，对在线测控设备可发送远程遥测、设置、命令等指令。

（3）水费计收管理

计量收费模块实现了用水量计量和用水户充值缴费的功能，用水计量包含机井用水分析、用水户用水分析、用水总量同期分析功能；用水户充值缴费是对用水户IC 卡进行充值，通过IC 卡将用水户充值数据读写到机井水电双控设备中；另外还可在该模块使用实时数据和历史数据查询功能。

（4）综合报表

综合报表主要从用水数据和收费数据两方面进行综合展示年/月/日报表。

（5）地图展示

主要展示机井点位分布情况以及运行状态数据，汇总所查询区域的总体用水概况，可通过控制台对图层控制，通过控制台机井信息列表快速查询机井位置和详细信息。

（6）系统运维管理

对服务器、采集系统、应用系统等的运行状态进行实时监控；实现配置管理、服务器管理、RTU 管理、应用系统管理等功能模块；对所有的监测指标设置故障类型、等级，将故障信息通知给系统维护人员，系统维护人员到现场进行故障处理时，可通过手机APP 软件确定到达现场时间，故障处理后再确定故障恢复时间，并由系统实时记录到数据库中，供统计和查询使用。同时，系统自动清除相关站点的故障信息标记。

维护计划：设定维护计划，包括周期性维护和一次性维护，到设定的时间后，系统自动下发通知给系统维护人员；维护结果：系统维护人员维护后，将结果录入系统；系统维护人员可以查询所有的故障信息、采集信息和故障处理结果。

（7）移动智能应用

移动APP 应用基于地图展示地下水、水电双控等监测站的位置以及相关信息，实现用水量查询、缴费通知、扣费通知、欠费预警等功能。具体还包括移动巡查：为管理者提供工程移动巡查功能，可现场输入巡查信息、拍照上传；群众问题上报平台：针对群众上报的问题，需要处置的则在APP 中进行提醒；值班提醒：提前对值班人员进行提醒；推送各类监测站的工况、监测数据异常、取水总量、地下水位埋深等报警数据，在灌区一张图上进行展示并通知相关系统管理员。

3 水源井电双控智能化管理系统优势

（1）系统提供的功能可以对水资源进行更有效的管理、开发和利用。

（2）系统通过统计分析数据可以准确掌握社会供用排水状况，有利于及时监督、掌控水资源开发利用状况。

（3）利用系统可以更深入直接的了解社会需水状况，优化配置水资源。

4 结语

通过水源井电双控智能化管理系统实现了刷卡取水，机电设备的智能控制，对机井各用户灌溉数据的采集和存储，对服务器、应用系统等的运行状态进行实时监控等，防盗报警、设备自检和故障自诊断等。为水资源科学调度、精细调度提供了先进的技术手段，有效降低地下水的开采量，提高水资源利用率，同时节约的水量也可用来扩大林草地的灌溉，对维持生态平衡等方面具有十分重要的作用。

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