冉龍飛

【摘要】隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，灌溉自動(dòng)化越來(lái)越受到重視。本文探討分析了灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)中的應(yīng)用及發(fā)展情況，以及其對(duì)促進(jìn)水資源的可持續(xù)利用和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要意義。

【關(guān)鍵詞】節(jié)水灌溉；自動(dòng)化；發(fā)展趨勢(shì)

引言

我國(guó)是世界嚴(yán)重缺水的國(guó)家之一，農(nóng)業(yè)是用水最大用戶，農(nóng)業(yè)用水總量4000億m3，占全國(guó)總用水量的70%，而目前我國(guó)農(nóng)田水分利用率和水分利用效率都比較低，其中農(nóng)田灌溉水的利用率平均僅為40%—50%左右，農(nóng)田對(duì)自然降水的利用率僅達(dá)到56%；農(nóng)田灌溉水的利用效率僅有1.0kg/m3左右；旱地農(nóng)田水分的利用效率為0.60—0.75 kg/m3。根據(jù)權(quán)威部門(mén)的預(yù)測(cè)結(jié)果，在不增加現(xiàn)有農(nóng)田灌溉用水量的情況下，2030年全國(guó)缺水高達(dá)1300億—2600億m3，其中農(nóng)業(yè)缺水500億—700億m3。加快發(fā)展節(jié)水高效農(nóng)業(yè)，不僅是解決我國(guó)水資源短缺、實(shí)現(xiàn)水資源高效利用的有力保障，同時(shí)也是保障糧食安全、生態(tài)安全和水資源安全的重大基礎(chǔ)戰(zhàn)略，可以大幅度增加農(nóng)民收入，有力地推動(dòng)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，具有重要的戰(zhàn)略地位和深遠(yuǎn)的意義。而當(dāng)前我國(guó)在節(jié)水灌溉方面還基本停留在人工操作上，即使有些地方搞了一些灌溉工程自動(dòng)控制系統(tǒng)，但只是小面積的局部控制。真正具有擴(kuò)展功能的大規(guī)模灌溉工程的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用還不多見(jiàn)。

灌溉自動(dòng)控制模式與人工控制力式相比，具有節(jié)省水、肥、能量、殺蟲(chóng)劑、人工等優(yōu)點(diǎn)，并可基本消除在灌溉過(guò)程中人為因素造成的不利影響，提高操作的準(zhǔn)確性，有利于灌溉過(guò)程的科學(xué)管理和先進(jìn)灌溉技術(shù)的推廣。同時(shí)通過(guò)灌溉控制器適時(shí)、適量地灌水，提高農(nóng)作物產(chǎn)量，有利于我國(guó)廣大農(nóng)村勞動(dòng)力的轉(zhuǎn)移和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，同時(shí)，對(duì)環(huán)境保護(hù)也起到一定的作用。

一、國(guó)外灌溉自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

隨著全球性水資源供需矛盾的日益加劇，世界各國(guó)，特別是發(fā)達(dá)國(guó)家都把發(fā)展節(jié)水高效農(nóng)業(yè)作為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要措施。發(fā)達(dá)國(guó)家在生產(chǎn)實(shí)踐中，始終把提高灌溉（降）水的利用率、作物水分生產(chǎn)效率、水資源的再生利用率和單方水的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益作為研究重點(diǎn)和主要目標(biāo)。這些發(fā)達(dá)國(guó)家從最早的水力控制、機(jī)械控制，到后來(lái)的機(jī)械電子混合協(xié)調(diào)式控制，到當(dāng)前應(yīng)用廣泛的計(jì)算機(jī)控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，控制精度和智能化程度越來(lái)越高，可靠性越來(lái)越好，操作也越來(lái)越簡(jiǎn)便。

1、 電氣信息技術(shù)在灌溉控制中的應(yīng)用

30年前，溝灌和漫灌幾乎全靠人力，自動(dòng)化技術(shù)未能應(yīng)用到灌溉工程中。真正的計(jì)算機(jī)控制灌溉源于以色列。該國(guó)最初把自動(dòng)化控制技術(shù)應(yīng)用到灌溉中的原因是：以色列足一個(gè)極其缺水的國(guó)家，從自然條件上講必須發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)；另一方面是出于中東安全的考慮，以色列人想通過(guò)自動(dòng)化控制技術(shù)在家里控制農(nóng)田灌水，減少由于武裝沖突帶來(lái)的危險(xiǎn)。最初的灌溉控制器是一個(gè)簡(jiǎn)單的定時(shí)器，這可以看做是灌溉控制自動(dòng)化的第一階段。隨著控制技術(shù)、傳感器及水的發(fā)展，以色列開(kāi)發(fā)了現(xiàn)代診斷式控制器，這種控制器把以前不能采集到的信息通過(guò)不同的傳感器來(lái)獲得，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程控制、CSM等來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)中的一些模型來(lái)處理信息，做出灌溉計(jì)劃。

2、人工智能在灌溉中的應(yīng)用

由于土壤濕度傳感器的非線性以及其輸出延遲較大，采用傳統(tǒng)的反饋控制方法很難得到滿意的結(jié)果，而近幾年由于人工智能技術(shù)的發(fā)展，使得人工智能技術(shù)在節(jié)水灌溉中的應(yīng)用顯示出廣闊的前景，其中包括用專家系統(tǒng)、模糊邏輯系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)預(yù)測(cè)和建模，使得灌溉控制器用這些智能技術(shù)來(lái)及時(shí)、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)環(huán)境參數(shù)，同時(shí)控制這些參數(shù)使得它更適合于作物生長(zhǎng)。糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在灌溉控制器中的應(yīng)用較多，這些系統(tǒng)一般以土壤濕度傳感器測(cè)土壤水分，同時(shí)還通過(guò)自動(dòng)天氣預(yù)報(bào)站估算出作物的蒸騰量，然后把這兩個(gè)信息經(jīng)模糊化后輸入到模糊控制器，模糊控制器經(jīng)模糊規(guī)則決策得出模糊輸出，再把該模糊輸出精確化傳送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制電磁閥動(dòng)作。如果該控制不能得到滿意的結(jié)果，則可以通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)優(yōu)化控制規(guī)則。

模糊控制不需被控對(duì)象的精確模型，它是根到另一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)去預(yù)測(cè)灌溉需求。根據(jù)人的手動(dòng)經(jīng)驗(yàn)或?qū)＜业闹R(shí)來(lái)設(shè)計(jì)的。一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的農(nóng)民能知道合適的灌溉時(shí)間和灌溉量，既然模糊控制能夠模擬人的推理能力。所以把模糊控制技術(shù)和傳統(tǒng)的控制方法結(jié)合將是非常有發(fā)展前途的。

二、國(guó)內(nèi)灌溉自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

國(guó)內(nèi)在開(kāi)發(fā)灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)方面處于研制、試用階段。能實(shí)際投入應(yīng)用，且應(yīng)用較廣的灌溉控制器還不多見(jiàn)。在開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品中有代表性的如中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究院聯(lián)合多家單位研制的2000型溫室自動(dòng)灌溉施肥系統(tǒng)，該系統(tǒng)是國(guó)家“九五”科技攻關(guān)項(xiàng)目中自主研發(fā)的科技產(chǎn)品。該系統(tǒng)結(jié)合我國(guó)溫室的環(huán)境和實(shí)際使用特點(diǎn)，以積木分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理，解決了計(jì)算機(jī)適時(shí)閉環(huán)控制、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、控制顯示中文、施肥泵混合比可調(diào)、電磁閥開(kāi)度可調(diào)等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。該系統(tǒng)具

有手動(dòng)控制、程序控制和自動(dòng)控制等多種灌溉系統(tǒng)模式，可按需要靈活應(yīng)用，在大連、北京等地已經(jīng)投入了應(yīng)用。從系統(tǒng)運(yùn)行情況來(lái)看，該系統(tǒng)有很好控制效果。取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。天津市水利科學(xué)研究所研制的溫室滴灌施肥智能化控制系統(tǒng)主要用于現(xiàn)代溫室，日光溫室作種物的灌溉營(yíng)養(yǎng)液施肥，環(huán)境監(jiān)測(cè)的智能控制，采用世界先進(jìn)的可編程序控制器和觸摸屏控制技自動(dòng)灌溉控制器，性能可靠、功能齊全、人機(jī)界面友好、操作簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，此控制系統(tǒng)的控制流量為15 m3h， 控制規(guī)模為1—2 hm2，能控制24路閥門(mén)，系統(tǒng)具有人工干預(yù)灌溉施肥功能，定時(shí)、定量灌溉施肥功能，條件控制灌溉施肥功能。北京澳作生態(tài)儀器有限公司的澳作智能節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)可與各種滴、噴灌系統(tǒng)連接，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤墑情，根據(jù)要求自動(dòng)灌溉。控制方式靈活，手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)任選且可隨意在計(jì)算機(jī)上更改，可同時(shí)控制多個(gè)設(shè)備，受控區(qū)位置及形狀，環(huán)境參數(shù)及設(shè)備狀態(tài)可同時(shí)顯示在中心計(jì)算機(jī)上。北京奧特思達(dá)科技有限公司研制的WT一02型微噴灌定時(shí)自動(dòng)控制器，是一種供農(nóng)業(yè)、草坪、果園、溫室一般場(chǎng)合給水的電子灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1995年，許建中在大規(guī)模灌溉工程的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中采用分散功能和集中管理，各局部系統(tǒng)(RTU)都能獨(dú)立工作，各RTU之間的信息則通過(guò)高速數(shù)據(jù)通道進(jìn)行聯(lián)系，其控制方式包括時(shí)間控制、水量控制、時(shí)間水量綜合控制、綜合分析制。毛慎建、張文革和許一飛(1995年)在智能化灌溉控制器研制中，介紹了以803l單片機(jī)為核心的全自動(dòng)化灌溉控制器，該控制器可以按照任意設(shè)定周期進(jìn)行灌溉控制，也可以根據(jù)檢測(cè)的土壤水分狀況進(jìn)行閉環(huán)控制，能夠控制多路灌溉系統(tǒng)進(jìn)行多種方式灌溉，該系統(tǒng)已成功用于北京航空航天大學(xué)體育場(chǎng)，從投入運(yùn)行的情況來(lái)看，情況良好。許吉力(2000年)以以色列和法國(guó)Richel溫室系統(tǒng)為對(duì)象，綜合分析了溫室灌溉系統(tǒng)的要求和特點(diǎn)，提出了一種以集散控制系統(tǒng)方式的溫室計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成方式，采用了面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)和事件驅(qū)動(dòng)方式，能及時(shí)響應(yīng)用戶請(qǐng)求，使系統(tǒng)不但具有非常友好的人機(jī)交互界面，而且具有良好的實(shí)時(shí)控制功能，強(qiáng)大的信息查詢能力。胡清和桂玉屏(1999年)在采用計(jì)算機(jī)控制農(nóng)田灌溉網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，介紹了一種低成本新型水傳感器，并把它用在農(nóng)田灌溉計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，該裝置成功應(yīng)用于福建省漳州市甘蔗灌溉試驗(yàn)站，取得了滿意的結(jié)果。朱長(zhǎng)青、曹成茂(2001年)在多用途節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)研制中，介紹了一種以單片機(jī)控制為核心，能適應(yīng)多種作物節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)研制時(shí)充分考慮各種作物的特點(diǎn)，綜合選擇與灌溉控制密切相關(guān)的三個(gè)因素作為綜合控制對(duì)象。其它國(guó)內(nèi)研制得自動(dòng)灌溉控制器，還有直接用PC機(jī)進(jìn)行控制的，這樣使成本增加，不易在田間較惡劣環(huán)境下使用等缺陷。

三、節(jié)水灌溉自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，國(guó)外灌溉控制器已逐步趨于成熟、系列化，但價(jià)格昂貴。國(guó)內(nèi)雖引進(jìn)一些，但多數(shù)是農(nóng)業(yè)示范區(qū)、科研單位、高校，雖然國(guó)外生產(chǎn)的灌溉控制器性能優(yōu)越。但沒(méi)有考慮我國(guó)特殊的自然、氣候、土地資源、農(nóng)民經(jīng)濟(jì)狀況等因素，因而國(guó)外引進(jìn)的灌溉控制器在國(guó)內(nèi)應(yīng)用并不普及。國(guó)內(nèi)雖然有多家研制灌溉控制器。但多數(shù)是小規(guī)模、實(shí)驗(yàn)和理論的探討，應(yīng)用不夠普及，究其原因一則是開(kāi)發(fā)性能完善的灌溉控制系統(tǒng)需要大量的人力、物力的投入，需要多部門(mén)、多學(xué)科的融合，這在一定程度上限制了性能完善、適應(yīng)性強(qiáng)的控制器的開(kāi)發(fā)。其次是現(xiàn)在開(kāi)發(fā)出來(lái)的灌溉控制器價(jià)格昂貴，農(nóng)民盡管知道能節(jié)省人力、灌溉用水、提高產(chǎn)量，但由于一次性投資太大，多數(shù)農(nóng)民承受不起，這也在一定程度上限制了灌溉控制器的普及。

隨著中國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的加快、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、以及我國(guó)加入WTO等因素，可以預(yù)計(jì)對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉自動(dòng)化技術(shù)的要求會(huì)越來(lái)越高。灌溉控制器在我國(guó)將有巨大的市場(chǎng)。節(jié)水灌溉控制器近期在中國(guó)應(yīng)朝著價(jià)格低、性能可靠、操作簡(jiǎn)便的方向發(fā)展。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)利益考慮，新的智能化技術(shù)、傳感技術(shù)和農(nóng)業(yè)科技的引入、應(yīng)用和普及，將會(huì)有智能化程度更高、功能更強(qiáng)、性能更穩(wěn)定可靠的灌溉控制器出現(xiàn)。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，西方發(fā)達(dá)國(guó)家在節(jié)水灌溉控制器的開(kāi)發(fā)上已越來(lái)越成熟，且發(fā)展趨勢(shì)是研制大型分布式控制系統(tǒng)和小面積單片機(jī)控制系統(tǒng)。同時(shí)隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)為節(jié)水灌溉控制器的研制開(kāi)辟了廣闊的應(yīng)用前景。而國(guó)內(nèi)在灌溉控制器的研制方面還沒(méi)有形成規(guī)模大、應(yīng)用范圍廣的成套灌溉控制產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)的一些高爾夫球場(chǎng)等大面積場(chǎng)地灌溉控制，一般引用國(guó)外現(xiàn)成的成套灌溉控制產(chǎn)品。而廣大農(nóng)村可根據(jù)我國(guó)國(guó)情和各地經(jīng)濟(jì)和技術(shù)發(fā)展的實(shí)際情況，采取簡(jiǎn)單可行的節(jié)水灌溉措施及相應(yīng)的排灌機(jī)械和設(shè)備，大力發(fā)展可靠、實(shí)用、成本低、操作簡(jiǎn)便的節(jié)水灌溉控制器，這樣做不僅具有廣闊的市場(chǎng)，而且具有巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

【參考文獻(xiàn)】

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