虚拟仿真在滴水灌溉系统中的应用研究与设计

孙启鸣，蒋南云，於晶晶，汪向华，詹 俊

（1.南京林业大学 信息科学技术学院，南京 210037；2.南京工业大学 经济与管理学院，南京 210096；3.中铁上海设计院集团有限公司 电气设计处，上海 200070；4.紫金山实验室 内生安全处，南京 211102）

0 引言

我国是一个农业大国，但是水资源相对匮乏[1]。农业用水需求量大，大约占到总用水量的70%，其中灌溉用水占九成[2]。但是中国水资源总量仅占世界的6%，不足世界人均水平的25%。目前，我国灌溉面积超过9亿亩，灌溉用水缺口约300亿立方米，未来可见范围内，用水量将长期处于零增长状态，所以提高用水节水效率成为当下一体化战略的重要组成部分[3]。

提高节水效率依赖科学技术。上世纪50年代，在以色列普及开来的滴管技术为缓解水资源危机提供了一种技术思路[4]。滴水灌溉自动控制技术相对复杂，技术要求高，虽然具有相对统一的系统结构，但是由于不同地区气候，海拔，纬度不同，导致土壤环境差异巨大，并且针对不同作物，需水量也不尽相同[5]。因此，滴水灌溉自动控制作业是一个技术难点大，影响因素多，涉及范围广并且复杂程度高的系统化决策执行过程[6]。基于局部优化以及特征提取功能的需要，滴水灌溉自动控制系统应当包含三项基本要素：系统参数的确定；管网布置及水力计算；轮灌组的划分。

1 采用虚拟仿真的必要性

要实现滴水灌溉系统设计，需要完成大量参数的设定，包括耗水强度，土壤渗水速率，湿润比，设计均匀度，水资源利用率，水源流量，灌溉周期，灌水额定值，灌溉时间等等[7]。其中不少参数需要各类传感器材，不但需要考虑无线传输信号，还要综合考量地形、植株对传输信号的影响[8]。但受学校实验场地、实验设备数量所限，难以构建出类似林业基地的实验环境[9]。无线传感组网模式和传输效率等实验环节也只能进行一些小规模组网操作，学生缺乏对实际环境的直观认识[10]。

滴水灌溉系统设计除了需采集海量数据，更重要的是对这些数据进行大数据分析。为此科研工作者建立了许多滴灌模型。该虚拟实验项目将几类经典滴水灌溉模型纳入实验环节，将之前采集的各类环境数据输入模型，学生可观察到输入各种数据组合得到的不同灌溉结果，并可与标准参照进行对比。

传统的分组统一授课模式受到时间和空间限制，难以具备灵活性和重复性[11]。通过虚拟仿真实验平台，广大学生可以随时随地自主进行实验[12]。通过系统中的预习模块学习相关基本原理，操作流程；在实验中巩固和加深关键知识点的应用；实验后生成报告，用以查漏补缺。

学生在传统实验中通常只能被动的接受[13]。所有实验流程基本固定，缺乏必要的交互环节，实验结果缺乏实时性，一旦出现错误往往造成重大损失[14]。并且受条件和成本限制难以多次重复，降低了实验效果的同时，也抑制了学生的主观能动性[15]。

“滴灌自动控制系统虚拟仿真实验”在各类管网选择和铺设等关键环节设置了交互环节，学生可以在一定范围内随意设计实验参数，系统能够根据学生的操作和参数设计按照预设模型模拟实验结果；学生可以类比各种情况下的实验结果并且得到信息反馈，从中反思整个过程中存在的问题，也可以通过反复操作，不断优化；通过此过程可以有效激发学生的主动能动性，帮助学生构建科学的实验体系，和发现及解决问题的能力。

在此项实验平台上，通过诱导，学生可以个性化选择设计参数和操作，在安全的前提下进行各类探索，避免传统实验过程中的千篇一律。学生在撰写实验报告的过程中可以分析成功以及失败的原因，根据学生的实验情况，系统能够自动生成课后习题；教师可以从中清晰了解学生的学习效果和尚待解决的问题，利于今后课堂教学的优化；此外本实验项目也为师生交流提供一个平台，方便教师及时解决学生疑问。

2 虚拟仿真平台的设计

此虚拟平台主要采用自主式实验方法，实验项目以应用形式引入，将应用各个环节进行拆分，嵌入知识点，在操作应用流程时自然而然掌握了知识点，同时配备详细实验参考和实验指导，学生完全能够自主实验。

图1 实验平台流程图

具体操作步骤如下：

1）登录“滴灌系统虚拟仿真实验”。

图2 滴灌自动控制系统虚拟仿真实验主菜单

2）实验环境预勘察。

3）基本参数预设。

4）滴头型号选择。

如图3～图6所示。

图3 水源参数设置

图4 设计参数确定及优化

图5 滴头选择

图6 滴头的工作压力与流量曲线模型

这一阶段主要的任务是观察整个待灌溉区域的面积、植被覆盖情况，树木需水情况。从而完成基本参数输入，主要包括土壤参数，植株参数，水源参数，地形参数等，更进一步设定持水量，湿润比，渗水率，需水量，滴头间距，毛管间距等，同时完成设计参数初步确定以及二次优化等内容。并且在滴头数据表中预先创建ID，厂家，类型，外观，型号等预先设定字段，管理员可以在后台完成添加，编辑和删除等操作。点击滴头型号或者外观，会显示该滴头的工作压力与流量曲线模型，供参考选择。

5）毛管选型。

6）支管选型。

7）输水干管选型。

如图7、图8所示。

图7 毛管设备选型

图8 支管初步优化

图9 输水配管二次优化结果

图10 水泵选择

以上为选型的主要操作步骤，按照先毛管，后支管最后干管的顺序完成。其中毛管设计通常按照滴头工作压力是否已知分为两种情况，根据不同情况，选择毛管布置方式，即单向布置或双向布置，完成初步设计和二次优化。而后支管管材通常为PE或者PVC材料制成，不同材质，摩擦系数不同，根据选材不同，系统默认提供不同摩擦系数。输入参数后，微灌水压力偏差分配。通过拉格朗日松弛法完成初步管径选取。

待初次选型之后，进行二次优化，主要工作为：根据变径数，对管径进行标准化计算，同时计算出水头损失，进口压力，调压管长等参数，完成二次优化。地形高度差进行滴灌，主要使用山地陡坡，再有是机压灌溉，通过预先设定水泵参数，可以自主选择系统压力。

最后完成干管选择。输水干系统是由若干输水干管和配水干管组成，需要首先进行输水干管设计。将数据提交，得到初步优化结果。与支管类似，完成参考初步优化的管径，对管径进行二次优化，得到各条输水干管管段直径，水头损失，节点水头等，从而完成干管优化设计。干管通常有两种情况，一类是自压灌溉，利用地形高度差进行滴灌，主要使用山地陡坡，再有是机压灌溉，通过预先设定水泵参数，可以自主选择系统压力。

8）配水干管的设计，同样需要输入设计参数。计算过程与输水干管类似，同样经过初步设计和二次优化，完成流量，长度和直径的计算。

9）水泵选型。水泵选型主要包括计算流量和扬程，若是选择自压灌溉，则此步可以忽略。

10）实验模拟和实验总结。完成上述选型步骤，即可进行在线模拟，查看灌溉结果，之后进入到实验报告撰写和提交环节。根据各类参数设置和模拟结果，进行实验报告的撰写，分析成功和失败的原因，以及相应的改进措施，并在线提交，根据评分结果，得出此次实验得分。

11）课后测试。在线提交后，系统自动生成题目，以检测学生对实验过程的理解和把握情况，成绩反馈至指导教师处，作为参考数据。

3 主要创新点

3.1 设计思路创新

虚拟仿真实验主要是针对灌溉工程中对环境要求高，成本打，不易重复与实验室空间和时间相对有限的矛盾而设计开发的。通过短短数个小时就可模拟整个滴灌项目从需求到完成的一整套设计环节，不仅缩短周期，还有利于直观感性地应用知识，提高学习效率。

在实际滴灌系统中，不仅实验场所要求高，难以同时多组实验，重复性差，而且通常伴随危险性，需要投入大量的人力和物力来维持，通过虚拟仿真，不仅有效的克服了空间和时间上的限制，而且不会对水资源造成浪费，在安全的前提下能够为提供较为理想的实验平台。

3.2 方法创新

本项目基于PC端开发设计，可以通过网页随时登陆，在线操作，不受传统时间和空间上的限制，方便自主学习。

在线实验过程中，可以根据自己情况进行个性化选择各类管网参数，通过排列组合能够模拟多种实际情况，并且可以在短时间内得到信息反馈，即便最终灌溉效果不甚理想，也可以从中进行反思，从而有效地解决传统实验过程中学生无法有效参与，只能被动接受的问题，因此能够显著提高实验过程中的主管能动性和积极性。

3.3 内容创新

平台分为实验预习、在线实验、实验报告和课后习题四个部分：1）实验预习介绍滴灌系统相关的基础理论知识，并配有实验习题进行考核；2）在线实验分为设备选型、管网布置、参数优化和模拟仿真四个阶段，在各阶段均设置自主设计参数窗口，供学生通过参数比对获得最优实验结果。3）实验报告记录学生自主设计参数过程和实验结果，同时提供参考标准，准确反应学生自主设计实验参数变化和实验结果。4）课后习题由习题库中随机生成，考核学生参与实验实际效果。

4 结语

本系统采用探索性的实验教学方法，即学生首先根据课前预习与滴灌系统相关的基础知识和原理，按照预设的基本资料(地形，土壤，苗木种类)，依次完成基本参数设计，包括确定灌水周期，一次灌水持续时间，滴头流量范围等；确定毛管，支管，干管等直径，进口水头，滴头工作压力，水头损失预设，从而确定管网规格；选择水泵与型号，完成图形显示；根据预设模型在线生成滴灌结果，通过对不同参数组合优化，获取反馈信息，从中发现问题并分析原因，完成在线实习报告的撰写；同时也可以根据反馈的信息，反复在线操作，探索不同实验方法，筛选关键参数，形成最佳组合方案。

在此项实验平台上，通过诱导，学生可以个性化选择设计参数和操作，在安全的前提下进行各类探索，避免传统实验过程中的千篇一律。学生在撰写实验报告的过程中可以分析成功以及失败的原因，根据学生的实验情况，系统能够自动生成课后习题；教师可以从中清晰了解学生的学习效果和尚待解决的问题，利于今后课堂教学的优化；此外本实验项目也为师生交流提供一个平台，方便教师及时解决学生疑问。