农业灌区闸门远程智能测控系统研究与开发*——以甘肃省景电灌区为例

李君香 ，刘 斌

（甘肃省景泰川电力提灌水资源利用中心，甘肃 白银 730400）

引黄灌区是我国重要的农业灌溉区域之一，为我国粮食和经济作物的生产提供了农业灌溉水资源[1]。景电灌区是引黄灌区甘肃段重要的农业灌区，灌区闸门控制系统主要采用传统的人工操作方式，存在效率低下、安全风险高的问题。黄河水泥沙含量高、淤积严重的特性，给景电灌区农田灌溉闸门的控制与管理带来了一定的难度，研发一套闸门远程智能测控系统，实现灌区灌溉闸门的远程智能控制，对提高农业灌区灌溉闸门的运行效率和安全性，具有十分重要的现实意义。

1 景电工程概况

甘肃省景泰川电力提灌工程（简称“景电工程”）处于甘宁蒙三省交界处，是高扬程、多梯级、跨省区的大型电力提灌工程，建有泵站43 座，干、斗、支渠共1 391 条，长度为2 422 km，设计灌溉面积为97.67 万亩，在2022 年实际灌溉面积为140 万亩，总投资8.56 亿元。景电工程分期建设：景电一期工程在1969 年开工，1971 年上水，年提水量为1.39 亿m3，设计灌溉面积为30.42 万亩。景电二期工程在1984年开工，1987 年上水，共有泵站30 座，年提水量为2.66 亿m3，设计灌溉面积为52.05 万亩。景电二期延伸向民勤调水工程在1995 年开工，2000 年建成，投入使用后共恢复灌溉面积30 万亩[2]。自景电工程建成以来，该工程累积提水已达到160 亿m3，具有显著的经济效益、生态效益和社会效益，成为当地近60 万人民群众的致富依托，也成为当地灌溉区域经济社会发展的命脉，被当地人民誉为“救命工程、翻身工程、生态工程、德政工程、致富工程”。

2 远程智能测控技术

远程智能测控技术是一种基于信息化和智能化的远程控制和监测技术，通过物联网、云计算、传感器技术等手段，实现对远距离设备和系统的智能化控制和实时监测[3]，该技术在工业、农业、水利等领域广泛应用，具有提高工作效率、降低系统运维成本、增强安全性的优势。闸门远程智能控制测控系统主要由远程智能测控终端、闸门控制器、通信系统、太阳能供电系统、中心调度系统等组成[4]。闸门控制器和远程智能控制终端利用太阳能供电、利用计算机对闸门进行远程控制，同时将闸门处的信息通过网络上传至监控中心，可方便管理人员进行实时监控。

3 景电灌区闸门控制系统现状

传统的闸门控制系统采用传统的人工操作方式，存在水资源浪费、不均匀分配、操作不便、实时调度困难等问题。1）人工操作方式效率低下，需要人员实地操作，导致工作效率不高，容易受到外界环境的影响，从而增加了工作的风险和困难。2）数据采集和监测不完善，传统的闸门控制系统缺乏对关键参数和状态数据的实时监测和采集，由于缺乏实时数据的支持，对闸门运行状态的判断和控制往往依赖于人工经验，容易导致误判和延误处理。3）传统系统中的数据采集方式多为手动记录或定期检查，无法实现对运行状况的持续监测和分析。4）传统的闸门控制系统缺乏远程操作和监管能力，由于人工操作的局限性，传统系统无法实现远程操作和监测，使得对闸门的控制和管理受限，特别是在面对紧急情况或突发事件时，需要即时远程操控闸门。

4 景电灌区农业灌溉闸门需求

景电灌区农业灌溉闸门作为水利工程的关键设施，对于提供可靠灌溉、防洪、排涝都具有重要意义。1）远程控制需求。闸门的远程控制能力是系统设计中的重要要求。该功能能够在不需要人工实地操作的情况下，通过远程操作终端或网络实现对闸门的启停、调节和控制，如实现远程闸门开关、电源控制、运行参数的设置和调整等功能。2）实时监测需求。系统需要具备实时监测能力，能够对关键参数和状态进行实时采集和监测。如对闸门漏水情况、水位变化、闸门开启程度等进行实时监测，以提供准确的运行数据和状态信息。3）数据采集与分析需求。系统能够采集闸门的运行数据并进行分析，通过传感器和数据采集模块，实时采集设备的各项参数和状态数据，并将其传输到监控中心或云平台进行分析和处理，这样可以有效提供对闸门运行状况的持续监测和数据分析支持。4）故障诊断与报警需求。系统需要具备故障诊断和报警功能，在出现闸门故障或异常情况时，能够及时识别并发送报警信息。通过对实时数据的分析和算法模型的应用，能够判断闸门的运行状态是否正常，并在出现故障、漏水或其他异常情况时进行报警和预警。5）安全性需求。景电灌区农业灌溉闸门作为水利设施，安全性是系统设计中的重要要求。因此，系统需要具备相应的安全保护机制，保障闸门的安全运行，包括对闸门操作权限的管理、远程操控的安全性、故障诊断和报警的准确性等方面。

5 闸门远程智能测控系统技术方案

5.1 确定技术参数

在闸门远程智能测控系统中，流量和动力是最关键的两个参数。其中，闸孔流量的大小取决于闸孔过流面积和闸前水的实际深度。在设计过程中，工作人员需要结合当前的最低深度和支渠运行需要的最大流量，根据闸孔出流公式对闸孔的高度e和闸孔的宽度b进行计算，其中，U1=0.76（e/H）0.038。之后需要对闸门的受力情况进行分析，对启闭所需的力矩进行计算，根据计算得出的最大力矩选择启动电动机功率。以景电一期工程为例，工作人员经过实际计算得出需要以0.857 kN 的力完成静水压力为3 154 kN的闸门启闭操作[5]。

5.2 研发新型闸门

在闸门远程智能测控系统研制过程中，传统的平板闸门的漏水和卡阻问题是制约系统研发的重点问题。因此，在闸门远程智能测控系统研发中，工作人员需要研发新型结构闸门，对于结构设计，可以探索采用新型材料和结构形式，以提升闸门的承载能力、耐久性和运行稳定性。例如，可以引入复合材料和增强型结构设计，以提高闸门的抗压和抗弯强度。对于材料选用，可以选择具有良好防腐蚀性和耐候性的材料，以应对闸门常遇到的水、气候和环境要求。同时，还需对新型结构闸门进行性能优化，包括减小阻力、提高开关灵活性和节约能耗等方面，以实现系统的高效运行。在本系统研发过程中，工作人员克服了传统平板闸门的问题，发挥弧形闸门省力和拍门密封性好的优点，引入新型的复合材料，研发了拍弧式结构闸门。

5.3 设计远程智能控制终端

远程智能控制终端的设计和开发旨在实现对闸门的远程操控和实时监测。在景电工程中，远程控制终端具备定时、串口、开关量输入和本地存储的能力。工作人员可以通过操作按键和人机界面对现场进行远程管理。对于远程智能控制终端的技术方案确定，需要考虑硬件设备选用和布置、通信方式、人机界面等方面的内容。对于硬件设备选用，可以选择具有良好性能和稳定性的工控机或嵌入式系统作为终端设备，并根据实际需求配置相应的处理器、内存、存储器和接口。同时，还需要设计合理的人机界面，包括显示屏、按键或触摸屏等，以方便操作员进行远程控制和实时监测[6]。该终端在使用过程中可以对闸门运行数据进行实时采集，并且可以实现监控中心的远程通信，具备良好的易维护性和扩展性。此外，在这个系统中，各个子系统具有一定的独立性，当系统采集功能中断时对通信系统没有影响。远程智能控制终端的结构框架如图1所示。

图1 远程智能控制终端结构框架

5.4 优选闸门控制设备

闸门控制器的功能是实现对闸门精确、可靠的远程控制和监测。对于闸门控制器的技术方案确定，需要考虑其硬件设计和软件功能实现方面的内容。在硬件设计方面，闸门控制器需要选择合适的控制芯片或控制模块，以满足闸门的控制需求。控制器还应该具备适当的输入输出接口，以便与其他设备进行通信和数据交换。

闸门控制器研发中的技术参数确定需要考虑多个方面，包括但不限于以下方面：1）控制精度。确定控制器的控制精度，即控制闸门开闭、调节水位等操作的精确度，这将影响到系统的稳定性和准确性，需要通过合适的控制算法和校准方式来实现。2）数据采集和传输速度。确定控制器对闸门状态和参数数据的实时采集和传输速度。3）远程控制响应时间。确定控制器对来自监控中心的远程控制指令的响应时间要求。4）灵活性和可扩展性。确定控制器的灵活性和可扩展性，以适应不同闸门的控制需求和系统的升级扩展能力。

AD-ZK-2009 闸门控制器可以实现精确的闸门开关控制，并且其控制芯片能够对闸门的上下限、力矩和力度进行精确控制，具有性能可靠、重量轻、体积小等优点。因此，在景电工程中普遍采用这种控制器作为远程智能控制系统的执行机构[7]。

5.5 设计供电系统

系统供电方面，由于景电工程灌溉面积广袤、支斗较为分散，所以可以采用太阳能供电的方式为各个子系统进行能源供应。太阳能供电系统的设计可以实现系统的独立运行和可持续性发展。设计人员需要根据闸门远程控制测控系统的电能消耗情况和工作周期，估算出系统每天需要的电能，确定所需电力的储备容量。同时，需要评估所在区域的太阳辐射情况和太阳能资源，以确保太阳能供电系统能够满足系统的电力需求。根据这些分析结果，确定太阳能电池板的数量和布置方式，以便最大限度地捕获太阳能。景电灌区具有丰富的太阳能资源，年日照时数在3 000 h以上，具有良好的太阳能供电条件[8]。

选择合适的太阳能电池板和储能设备。太阳能电池板需具有高效的太阳能转换率和稳定的性能，以获得充足的电力输出。储能设备可以选择太阳能电池组或锂电池等，以存储白天捕获的太阳能，并在夜间或阴天时供应电力给闸门控制系统。同时，设计合理的电力分配系统，将太阳能供电系统的电能分配给闸门远程智能测控系统，包括适当的电压转换和稳压措施，以确保电能的稳定供应。在设计过程中，还需要考虑安全措施，以防止太阳能供电系统故障导致闸门系统停电，从而影响系统的正常运行。

5.6 设计通信系统

通信系统设计需要综合考虑景电工程的实际情况，由于测控地区较为偏僻，且当地无线通信信号较差，为了保证远程控制系统的整体通信质量，因此选择了CDMA的方式进行通信[9]。

CDMA 通信系统通过分配不同的码片给每个用户，实现多用户同时使用一条频谱进行通信。对于CDMA 通信系统的应用，需要选择合适的CDMA 通信芯片或模块，并设计与系统需求相匹配的通信协议和通信接口。通信芯片或模块的选用需要根据系统的通信距离、数据传输速率和抗干扰能力进行评估。同时，还需要设计合理的通信协议和通信接口，以实现与其他设备的连接和数据传输。

在CDMA 通信系统的研发中，需要考虑多个方面的技术参数。1）确定通信距离和通信覆盖范围，根据闸门系统的布置和通信需求，选择合适的通信模块和天线。2）评估通信系统的带宽和数据传输速率，确保通信系统能够满足闸门数据的实时传输需求。3）对通信系统的抗干扰能力进行测试和评估，以应对可能存在的干扰源和信号衰减现象[10]。

6 闸门远程智能测控系统的实验性能与实施效果

设计完成之后，对该系统进行了仿真测试，具体如下：1）闸门远程控制功能测试。在实际使用中，工作人员需要通过远程终端对闸门进行远程操作，而系统借助统一的CDMA 通信系统，能够利用互联网实现不同距离的远程控制。在测试过程中，登录系统之后，在控制中心外面对闸门的开、关、流量控制等功能进行了测试，测试结果发现系统的反应时间会受到网络通信信号的限制，当移动终端信号充足的时候，系统的反应时间在0.1 s 以下，而当移动通信网络不好时，其响应时间则会适当延长，但是如果是在控制中心里面对闸门进行操作，则没有此问题，证明了该系统的远程控制功能良好。2）系统水量自动检测、预警等测试。按照实际使用的功能需要，对渠道中水量标准值进行设定，利用灌溉水源在渠道中放入适当水量，当渠道中的水流量发生变化之后，系统会根据之前设置的预警值进行多级预警。在实验过程中，测试人员对渠道中的水量进行了持续增加，使其超过渠道规定流量，在这个过程中系统对流量超限进行了提前预警，并在超限之前就通过智能分析系统关闭了闸门，证明了该系统具有良好的预警能力。3）系统现场手动控制功能检测。首先，测试人员暂停了测控系统，使其突然失去电力供应，然后测试人员在现场通过终端手动对闸门的升降进行了控制，这样即使遇到突发情况，工作人员也能够通过机械结构对闸门进行控制，进而提升了系统的安全性[11-12]。

远程智能测控系统的应用，极大地提高了排涝泵站的管理效率，大大解放了人力，实现了现场无人值守和设备自动化运行。系统的预警、报警机制，一方面显著提升了汛期排涝的应对能力；另一方面又做到了及时发现并处理设备故障，做到了防患于未然，得到了业主单位和排涝泵站管理人员的高度肯定。

7 结语

综上所述，闸门远程智能测控系统能够实现对闸门的远程控制和实时监测，显著提高了引黄灌区闸门的运行效率和安全性。同时，该系统具备稳定可靠的性能，能够适应不同环境和工作条件，为解决农业灌溉高效管理和水资源高效利用提供了技术支撑。