摘要:建設(shè)高質(zhì)量的信息化、智能化校內(nèi)實訓(xùn)基地是培養(yǎng)高技能人才的重要保障。本文系統(tǒng)闡述了山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院校內(nèi)節(jié)水灌溉實訓(xùn)基地的建設(shè)實踐探索。

關(guān)鍵詞:校內(nèi)實訓(xùn)基地;信息化系統(tǒng);智能化;節(jié)水灌溉

投資253萬元、占地80畝的山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院節(jié)水灌溉實訓(xùn)基地和示范園由水源工程、管理中心、節(jié)水研發(fā)項目、灌溉渠系和12個節(jié)水灌溉區(qū)域組成,區(qū)間林路按園林標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,每個區(qū)的面積40×42m2,分別展示不同的節(jié)水灌溉技術(shù)和設(shè)備。這里集中了國內(nèi)外各種節(jié)水技術(shù)與設(shè)備,為水利類專業(yè)開展校內(nèi)節(jié)水灌溉技術(shù)實訓(xùn)和水利信息化管理提供了理想的平臺。我院利用最新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將分散的所有田間現(xiàn)場終端控制系統(tǒng)(數(shù)據(jù)采集和控制器、灌溉設(shè)備、傳感器)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)組成一個功能強大、使用方便的數(shù)據(jù)和控制網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)了全區(qū)的智能控制。

2007年4月,北京嘉源易潤工程技術(shù)有限公司與學(xué)院簽定合同,在實訓(xùn)基地設(shè)立“北京嘉源易潤工程技術(shù)有限公司技術(shù)推廣、試驗、培訓(xùn)基地”,利用基地的資源優(yōu)勢研發(fā)節(jié)水灌溉產(chǎn)品,該公司將他們最新的節(jié)水技術(shù)、最新的節(jié)水產(chǎn)品,試用、讓利或捐贈于實訓(xùn)基地,利用基地的示范作用推廣他們的技術(shù)與產(chǎn)品。同期,全國水利信息化管理先進(jìn)單位山西省夾馬口引黃管理局與學(xué)院簽定校外實訓(xùn)基地協(xié)議,并對校內(nèi)節(jié)水灌溉實訓(xùn)基地信息化建設(shè)提供專家咨詢與現(xiàn)場指導(dǎo)。運城市水利局與學(xué)院簽定合同,把實訓(xùn)基地作為全市節(jié)水灌溉技術(shù)的示范園區(qū),并給學(xué)院撥付專項資金作為前期費用,有計劃地安排全市水利部門來園參觀,由實訓(xùn)基地進(jìn)行節(jié)水灌溉技術(shù)示范和提供技術(shù)服務(wù),并對相關(guān)人員進(jìn)行培訓(xùn)。通過校企合作,校內(nèi)節(jié)水灌溉實訓(xùn)場進(jìn)行了如下幾個方面的建設(shè)。

數(shù)據(jù)庫建設(shè)數(shù)據(jù)庫建設(shè)在灌溉實訓(xùn)場信息化系統(tǒng)建設(shè)過程中處于核心地位,是信息化建設(shè)十分關(guān)鍵的一環(huán)。信息化是指以計算機與通訊網(wǎng)絡(luò)為主體的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和可視化的過程,其中數(shù)字化主要是指傳統(tǒng)的信息載體向數(shù)字載體的轉(zhuǎn)變,這有利于信息的處理、傳輸和應(yīng)用。在實踐中,數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容是根據(jù)灌溉實訓(xùn)場的實際情況,使用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供的錄入工具錄入的灌溉實訓(xùn)場的實際資料,這使數(shù)據(jù)庫成為一個具有豐富資料的數(shù)據(jù)倉庫。我們建立了包括灌區(qū)基本信息、實時水情、水文氣象資料、管網(wǎng)分布、灌溉制度、需配水方案、超文本信息、圖像等的綜合數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),為實訓(xùn)場信息管理、灌水決策和辦公自動化系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。同時,數(shù)據(jù)庫有靈活的數(shù)據(jù)定義、輸入、查詢和統(tǒng)計分析功能,能夠滿足灌溉實訓(xùn)場日常管理和決策支持的要求。

信息采集系統(tǒng)建設(shè)灌溉實訓(xùn)場的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)按照更新時限的長短分為三類,即靜態(tài)數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)。靜態(tài)數(shù)據(jù)指基本不變化的資料,如灌溉實訓(xùn)場的區(qū)劃、實訓(xùn)功能、各種已建工程資料等,錄入后是基本不用更新的。動態(tài)數(shù)據(jù)指不定期更新的資料,如作物的種植結(jié)構(gòu)和種植面積每年發(fā)生的變化,需要根據(jù)其具體特點在教師指導(dǎo)下由學(xué)生定期或不定期進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、錄入數(shù)據(jù)庫。實時數(shù)據(jù)指實時更新的資料,如田間含水量、降雨期間的雨情資料等,對于實時數(shù)據(jù),由于其更新非?？?從實際生產(chǎn)及工學(xué)結(jié)合的需要出發(fā),又需要實時地掌握這些數(shù)據(jù),所以靠人工采集已不能適應(yīng)灌區(qū)現(xiàn)代化的需要,必須采用現(xiàn)代的自動化、光電、計算機等技術(shù)進(jìn)行自動、實時的采集,即必須建立自動信息采集系統(tǒng)。當(dāng)然,學(xué)生還要同步用常規(guī)方法(如土壤含水量測量、氣象觀測等)進(jìn)行部分信息的人工采集,并將人工采集和自動采集的結(jié)果進(jìn)行比較、驗證。灌溉實訓(xùn)場大田由WHQ-9型室外自動氣象站、視頻監(jiān)控、4個水位傳感器、4個水壓傳感器、4個土壤濕度傳感器、4個地溫傳感器、2個土壤鹽分傳感器、1個渠道流量傳感器、10個電子水表組成的實時信息采集系統(tǒng),對灌溉引水、渠道用水、地下水、土壤墑情、土壤鹽分、降雨量、蒸發(fā)量及其他氣象信息作動態(tài)監(jiān)測,為配水調(diào)度提供基本依據(jù)。灌溉實訓(xùn)基地信息流程如圖1所示。

通信系統(tǒng)建設(shè)在學(xué)生的就業(yè)崗位群中,通信是無處不在的,尤其是隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展,對于灌區(qū)尤其是大型灌區(qū)而言,無論是灌區(qū)各部門的聯(lián)系、數(shù)據(jù)的傳輸,還是灌區(qū)管理部門間的指揮調(diào)度,建設(shè)計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),建立準(zhǔn)確、通暢的通信系統(tǒng)都是非常重要的。校內(nèi)灌溉實訓(xùn)場選用的通信系統(tǒng)主要有光纖、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、CDMA手機模塊通信、現(xiàn)場無線遙控等。通信系統(tǒng)將信息采集系統(tǒng)采集到的信息及其他必要信息及時傳輸?shù)娇刂浦行?控制中心再下達(dá)調(diào)度命令。同時,現(xiàn)場用無線遙控或用手機短信都可下達(dá)灌溉命令,做到了灌溉管理的現(xiàn)代化和多樣化。

控制中心及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)針對專業(yè)教學(xué)培養(yǎng)方案要求學(xué)生有較好的計算機和網(wǎng)絡(luò)使用能力,我們在校內(nèi)灌溉實訓(xùn)場信息化建設(shè)過程中精心構(gòu)建了灌溉實訓(xùn)場的控制中心?？刂浦行挠芍行目刂茩C、路由器、網(wǎng)絡(luò)集線器、ADSL Modem、投影機、打印機以及四臺大屏顯示器共同聯(lián)網(wǎng)組成,完成系統(tǒng)的日常操作和管理、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)通訊調(diào)度等功能,控制中心及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框圖如圖2所示。這是一個智能型網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng),系統(tǒng)利用最新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將分散的所有田間現(xiàn)場終端控制系統(tǒng)(數(shù)據(jù)采集和控制器、灌溉設(shè)備、傳感器)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)組成一個功能強大、使用方便的數(shù)據(jù)和控制網(wǎng)絡(luò),可以方便地實現(xiàn):(1)本地控制、數(shù)據(jù)處理及設(shè)備運行狀態(tài)顯示;(2)系統(tǒng)內(nèi)實時數(shù)據(jù)測量及設(shè)備控制;(3)IP地址訪問和遠(yuǎn)程控制。采用基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的各個組成部分都具有自己的IP地址,可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相互通訊。此網(wǎng)絡(luò)是標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)絡(luò),即可以單獨形成自己的體系,并作為校園網(wǎng)的一個組成部分,還通過路由器連接到Internet廣域網(wǎng)上。這樣,無論師生在世界的什么地方都可以通過Internet對系統(tǒng)進(jìn)行查詢、操作、設(shè)置和管理。四臺大屏幕顯示器分別負(fù)責(zé)顯示本系統(tǒng)中的視頻監(jiān)控畫面、各種實時測量數(shù)據(jù)以及其他控制和管理功能界面。加入無線訪問點(Access Point)后還可以通過無線網(wǎng)絡(luò)使用本系統(tǒng)。通過建設(shè)控制中心的計算機局域網(wǎng),能使實訓(xùn)數(shù)據(jù)和文本信息的傳輸更便捷,實現(xiàn)辦公自動化,提高辦公效率和管理水平。

用水管理決策支持系統(tǒng)建設(shè)隨著現(xiàn)代決策技術(shù)和智能技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代決策支持系統(tǒng)在輔助管理部門決策上發(fā)揮著越來越重要的作用。建立灌溉實訓(xùn)場用水管理決策支持系統(tǒng),對于提高實訓(xùn)學(xué)生的用水管理水平,提高用水效率,節(jié)約用水具有重要意義。用水管理決策支持系統(tǒng)主要包括灌區(qū)需配水計算及模擬、水量調(diào)度及決策支持、測水量水及水費征收等方面的內(nèi)容。學(xué)院教師和北京嘉源易潤工程技術(shù)有限公司技術(shù)人員共同開發(fā)了先進(jìn)的需配水模型和“山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院節(jié)水灌溉實訓(xùn)場信息管理系統(tǒng)”,在綜合數(shù)據(jù)庫及綜合數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)可以自動進(jìn)行灌水調(diào)度。除了學(xué)習(xí)專業(yè)的節(jié)水灌溉控制軟件、水泵現(xiàn)地控制軟件、大田現(xiàn)地控制軟件、大棚現(xiàn)地控制軟件、閥門現(xiàn)地控制軟件、渠道自動監(jiān)測軟件、視頻監(jiān)控軟件、自動氣象站軟件,實訓(xùn)基地的學(xué)生還要通過管理決策系統(tǒng),在教師和企業(yè)專家的指導(dǎo)下,做出各灌水區(qū)域的配水方案,進(jìn)行適時調(diào)度。根據(jù)程序的不同設(shè)置,控制中心可以實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)信息條件下的控制運行情況的實際模擬演示,達(dá)到各種條件的實際教學(xué)演示效果,運行結(jié)果反饋和數(shù)據(jù)條件都可以實時顯示、存儲、分析。

灌水自動控制系統(tǒng)建設(shè)廣義的渠系自動化系統(tǒng)包括渠道測水量水、用水決策、閘門自動化或管道自動控制等在內(nèi)的完整測控系統(tǒng),而狹義的渠系自動化系統(tǒng)則僅指閘門自動化、管道自動控制。閘門自動化和管道自動控制在西方發(fā)達(dá)國家有較多的應(yīng)用,如美國農(nóng)場的管灌系統(tǒng)多采用自動控制方式,而在我國尚處于起步階段。本著先進(jìn)性和適度超前的原則,我們在建設(shè)資金有限的情況下,采用了渠道系統(tǒng)灌水用人工控制,管道系統(tǒng)灌水用自動系統(tǒng)控制的建設(shè)方案,實現(xiàn)了閘閥快速、及時、準(zhǔn)確地啟閉,提高了系統(tǒng)運行的可靠性,并可由實訓(xùn)學(xué)生進(jìn)行自動控制和科學(xué)管理,強化了學(xué)生運用高科技的意識。灌溉實訓(xùn)場管道灌水首部樞紐位于學(xué)院自備機井附近,主要由二級水泵、逆止閥、控制閥門、過濾系統(tǒng)、施肥系統(tǒng)、壓力表、排氣閥等組成。為了保證水泵在不同壓力情況下正常運行,在二次加壓水泵處設(shè)變頻供水系統(tǒng)。相應(yīng)的傳感器分別將水井水位、水池水位、出水壓力、流量、水泵狀態(tài)以及渠道水位和流量等信息通過智能傳感器變送模塊傳入供水控制器中,由控制器根據(jù)內(nèi)置的控制邏輯和方法對水井及水池的水泵進(jìn)行相應(yīng)的控制。十個節(jié)水灌溉區(qū)域分為三大部分,前4個區(qū)由灌溉控制器1負(fù)責(zé),灌水量、土壤濕度及閥門狀態(tài)信息均被讀入控制器1中,并據(jù)此由其控制相應(yīng)閥門的運行,中間2個區(qū)由灌溉控制器2負(fù)責(zé),對第5區(qū)增加地溫、作物生長信息的采集和顯示。最后4個區(qū)由灌溉控制器3負(fù)責(zé)控制,控制中心依據(jù)授權(quán)對整個系統(tǒng)進(jìn)行全面的實時監(jiān)控,并隨時完成對溫室和灌溉系統(tǒng)內(nèi)的各項數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評估。灌溉及施肥智能控制系統(tǒng)如圖3所示。

辦公自動化系統(tǒng)與信息共享建設(shè)在工程實踐中,辦公自動化系統(tǒng)與計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建設(shè)密切相關(guān),計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建設(shè)是辦公自動化系統(tǒng)建設(shè)的前提和基礎(chǔ),辦公自動化系統(tǒng)是計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個重要應(yīng)用內(nèi)容。灌溉實訓(xùn)場辦公自動化系統(tǒng)包括實踐教學(xué)文件管理、實訓(xùn)班級檔案管理、實訓(xùn)教學(xué)成績管理、技能鑒定培訓(xùn)考核管理、新聞宣傳等工作。信息共享建設(shè)主要指灌溉實訓(xùn)場對外的信息披露和信息服務(wù)。灌溉實訓(xùn)場利用網(wǎng)站對外進(jìn)行信息的披露和信息服務(wù),對實訓(xùn)班級或?qū)W生等“用水戶”披露水量、虛擬水費等信息。學(xué)生通過校園網(wǎng)可以隨時查詢本人在灌溉實訓(xùn)場的信息。實訓(xùn)場網(wǎng)站還提供一些灌溉知識等方面的服務(wù),對校內(nèi)其他相關(guān)單位提供相應(yīng)的信息,讓師生監(jiān)督,也宣傳實訓(xùn)場自身。

IC卡灌溉管理系統(tǒng)建設(shè)為了增強學(xué)生的節(jié)水意識,我們還在實訓(xùn)場設(shè)置了一套IC卡灌溉管理系統(tǒng),它是將計算機、IC卡自動控制技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉的系統(tǒng)。其工作原理是:利用IC卡,對每個用水戶進(jìn)行建檔管理,配合計算機進(jìn)行控制。具體做法是:IC卡寫有用戶的名字和密碼,用戶預(yù)交水費寫入卡中,在管理機上插卡開機提水,系統(tǒng)自動計時計費,從卡中扣除所需費用。若卡中水費用盡或卡取出或關(guān)機,則自動停機,無法提水灌溉。在工作實踐中,采用IC卡灌溉管理系統(tǒng),具有預(yù)先收費、收費標(biāo)準(zhǔn)公開、減費過程動態(tài)可見、不需專人值守等特點,從而較好地解決了水費計收困難、爭水搶水現(xiàn)象發(fā)生、水資源浪費、計量失真、收費經(jīng)常發(fā)生糾紛等突出問題,對提高群眾自覺節(jié)水意識和密切干群關(guān)系,具有重要的意義。

該實訓(xùn)基地通過對灌溉實訓(xùn)場內(nèi)雨量、水量、水源站水位、水質(zhì)、土壤墑情、氣象、地下水水位等信息的遠(yuǎn)程信息采集,實現(xiàn)了水資源智能調(diào)度決策方案的選定、調(diào)配灌水管路的遠(yuǎn)程自動啟閉控制、實訓(xùn)基地現(xiàn)場圖像監(jiān)視、管理和辦公自動化等功能,實現(xiàn)了信息發(fā)布與信息查詢網(wǎng)絡(luò)化,數(shù)據(jù)處理信息化,分析、決策、調(diào)度智能化,水量計算、水費征收電子化,配水調(diào)度、辦公自動化,管理信息化、灌水控制自動化,實訓(xùn)場成為了高效環(huán)保的數(shù)字節(jié)水灌溉技術(shù)實訓(xùn)場。2007年,我校實訓(xùn)基地被山西省水利廳命名為“山西省節(jié)水灌溉技術(shù)示范基地”,2008年,又被山西省教育廳命名為“山西省高職高專實踐教學(xué)示范基地”,為學(xué)院通過教育部人才培養(yǎng)工作水平評估和成為水利部示范院校做出了突出貢獻(xiàn),很好地帶動了全院實踐教學(xué)基地建設(shè)和課程建設(shè)。

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作者簡介:

白繼中(1971—),男,山西山陰人,在讀博士研究生,山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授,研究方向為生態(tài)水利學(xué)與環(huán)境水利、高職教育實踐教學(xué)基地建設(shè)。

(本文責(zé)任編輯:謝良才)