梁江梅

（新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第三師圖木舒克市水利工程管理服務(wù)中心，新疆 圖木舒克 843900）

1 概況

1.1 背景

我國(guó)新疆地區(qū)由于氣候干旱，水資源受季節(jié)因素影響，時(shí)空分布極不均衡，致使水資源匱乏。隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)、水土開發(fā)等經(jīng)濟(jì)建設(shè)，水資源供需矛盾日益突出，地下水開采量快速增加，局部出現(xiàn)過(guò)度開采地下水現(xiàn)象。由于地下水資源開發(fā)利用缺乏合理分布的檢測(cè)系統(tǒng)，造成當(dāng)?shù)卣块T不能及時(shí)掌握水資源變化的動(dòng)態(tài)信息，對(duì)科學(xué)有效管控和生態(tài)環(huán)境保護(hù)帶來(lái)不利影響。因此水資源井電雙控智能化管理系統(tǒng)的研究十分必要，同時(shí)利用軟硬件，提高信息化建設(shè)，以實(shí)現(xiàn)管理更方便，農(nóng)戶取用水更便利，加速推進(jìn)水利信息化體系建設(shè)。

1.2 農(nóng)田水利發(fā)展存在的普遍問(wèn)題

（1）水資源季節(jié)性短缺，農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)電井分布區(qū)域廣，水計(jì)量設(shè)施缺失，管控設(shè)施滯后、管理手段落后，無(wú)法做到有效管理，從而造成有限水資源的巨大浪費(fèi)和管理失控及部分區(qū)域嚴(yán)重超采，給灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)不利影響，同時(shí)也對(duì)灌區(qū)周邊生態(tài)造成一定威脅。

（2）地表水資源缺乏監(jiān)測(cè)計(jì)量設(shè)施，加之人力有限，無(wú)法做到及時(shí)按量科學(xué)合理分水和配水，對(duì)水費(fèi)征收和推進(jìn)水價(jià)改革工作帶來(lái)不利影響。

（3）地下水資源開發(fā)利用缺乏合理分布的檢測(cè)系統(tǒng)，造成當(dāng)?shù)卣块T不能及時(shí)掌握水資源變化動(dòng)態(tài)信息，對(duì)科學(xué)有效管控和生態(tài)環(huán)境保護(hù)帶來(lái)不利影響。

（4）目前還存在水資源系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保留不全，檔案保存方式、信息獲取手段效率低、日常清通維護(hù)不到位和緊急事故處理無(wú)法及時(shí)等問(wèn)題，這些問(wèn)題表明現(xiàn)有管理方式和工作效率難以適應(yīng)城市高速度、高品質(zhì)的發(fā)展要求，同時(shí)對(duì)城市水資源設(shè)施的運(yùn)行狀況與突發(fā)災(zāi)害應(yīng)急處理能力提出了更高的需求。

2 水源井電雙控智能化管理系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)框架

水資源井電雙控智能化管理系統(tǒng)從上而下可分為3 層，如圖1 所示。

（1）數(shù)據(jù)采集層

系統(tǒng)由井電雙控測(cè)控系統(tǒng)和地下水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。井電雙控測(cè)控系統(tǒng)由超聲波流量計(jì)和機(jī)電控制箱兩部分構(gòu)成，其中超聲波流量計(jì)用于地下水取水的計(jì)量；機(jī)電控制箱由軟啟動(dòng)器、遙測(cè)終端機(jī)、電能表、繼電器等設(shè)備構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)控制水泵的啟停、刷卡收費(fèi)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，能夠?qū)⒂脩舻膶?shí)時(shí)用水信息及位置信息上傳至管理中心。

（2）數(shù)據(jù)通信層

主要是指水源井管控系統(tǒng)與管理中心平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)通信鏈路。針對(duì)地處偏僻氣候惡劣地區(qū)，優(yōu)先選擇無(wú)線公共網(wǎng)絡(luò)資源（GPRS/CDMA/GSM）為基本數(shù)據(jù)通信主信道，衛(wèi)星通信作為備用通信信道，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源與衛(wèi)星通信智能切換來(lái)保障通信不間斷，使數(shù)據(jù)傳輸不受地理環(huán)境和天氣條件的限制，而且組網(wǎng)方便，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確，安全可靠性高，時(shí)效性和帶寬基本滿足大部分業(yè)務(wù)的信息傳輸要求。

（3）綜合應(yīng)用層

指部署在應(yīng)用層管理中心的業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件。軟件主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及系統(tǒng)管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控管理、水費(fèi)計(jì)收管理、綜合報(bào)表、地圖展示、系統(tǒng)運(yùn)維管理和移動(dòng)智能應(yīng)用（APP）7 個(gè)子系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)的通信傳輸方式與特點(diǎn)

（1）GPRS 無(wú)線通信

水源井管控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)信息主要包括流量數(shù)據(jù)、水電監(jiān)控、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、地下水位監(jiān)測(cè)等，其特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量小。

我國(guó)三大移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商經(jīng)過(guò)多年的快速發(fā)展，基站覆蓋面積非常廣闊，基站設(shè)備設(shè)施先進(jìn)，面對(duì)惡劣氣候的抗干擾能力出色，因此以GPRS/CDMA/GSM網(wǎng)絡(luò)為主要的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。由于具有組網(wǎng)便捷，對(duì)應(yīng)用所需投入的設(shè)備要求不高，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行費(fèi)用低，并且數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、準(zhǔn)確性高、時(shí)效響應(yīng)迅速可以滿足農(nóng)業(yè)灌溉的水資源信息傳輸要求等優(yōu)點(diǎn)，因此選擇GPRS 作為主要的無(wú)線傳輸通信方式。與傳統(tǒng)方式相比，GPRS 通信具有以下特點(diǎn)：

1）高速傳輸：電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，速率為9.6 Kbps，GPRS 的最高速率可達(dá)115 Kbps。傳輸速度高于GSM 10 倍之多?？梢苑€(wěn)定的傳送容量較大的音頻和視頻文件。

2）實(shí)時(shí)在線：沒有數(shù)據(jù)傳送,系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)入一種“準(zhǔn)休眠”狀態(tài)，系統(tǒng)釋放所用的無(wú)線頻道給其他用戶使用。當(dāng)有數(shù)據(jù)傳送時(shí)，系統(tǒng)立即向網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求無(wú)線頻道用來(lái)傳送數(shù)據(jù)，不同于普通撥號(hào)上網(wǎng)那樣斷線后還得重新?lián)芴?hào)才能傳送數(shù)據(jù)。

3）響應(yīng)迅速：網(wǎng)絡(luò)連接響應(yīng)速度快，GPRS 無(wú)線終端模塊一通電，僅需幾秒鐘就可以與網(wǎng)絡(luò)建立連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸工作。

4）收費(fèi)便宜：由于水源井電雙控智能化管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集量小，并且GPRS 網(wǎng)絡(luò)收取費(fèi)用是按照接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量來(lái)確定的，因此流量費(fèi)用低，經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)小。

（2）數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｃ苄?/p>

遙測(cè)終端 RTU 采集前端儀表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)之后通過(guò)內(nèi)置的加密模塊生成加密密文（可采用 MD5、DES、AES 等加密算法），通過(guò)通信模塊將密文上報(bào)到管控中心，經(jīng)過(guò)通信前置機(jī)接收之后對(duì)密文進(jìn)行解密，最后將解密完的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的分類數(shù)據(jù)庫(kù)中。加密密鑰存儲(chǔ)在管控中心的通信前置機(jī)和遙測(cè)終端 RTU 的本地文件系統(tǒng)中，通信前置機(jī)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)遙測(cè)終端 RTU 的加密密鑰進(jìn)行更新，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｃ苄浴?/p>

2.3 系統(tǒng)具備的功能

（1）刷卡取水

智能取水控制器通過(guò)IC 卡和控制器智能控制泵的啟停。當(dāng)用水戶需要取水灌溉時(shí)將IC 卡刷卡激活控制器點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕來(lái)啟泵取水，取水完成后點(diǎn)擊控制器停止按鈕停止取水；控制器根據(jù)取水量自動(dòng)扣除水量，當(dāng)剩余水量達(dá)到告警值時(shí)發(fā)出告警提示用水戶，水量用完自動(dòng)停機(jī)，再刷卡可繼續(xù)啟動(dòng)機(jī)泵使用一定的水量，IC 卡重新充值后才可再次使用。

（2）充值收費(fèi)管理

用水戶IC 卡充值通過(guò)收費(fèi)管理系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行管理。并根據(jù)當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門規(guī)定的水費(fèi)價(jià)格進(jìn)行核收水費(fèi)。

（3）機(jī)井泵控制與恒壓供水

以取水量（或電量）為控制量，用水戶持IC 卡控制機(jī)泵啟閉。系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定壓力進(jìn)行恒壓供水，滿足滴灌和噴灌等灌溉模式的不同需求。

（4）防盜報(bào)警

系統(tǒng)中主要設(shè)備（如保護(hù)箱、磁電水表、蝶閥等）非法打開或使用時(shí)，上報(bào)和記錄。

（5）設(shè)備自檢和故障診斷

當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)可以根據(jù)故障對(duì)影響安全的設(shè)備進(jìn)行自閉鎖，并將故障信息及時(shí)上報(bào)到管理中心，便于及時(shí)進(jìn)行故障修復(fù)。

（6）保護(hù)功能

支持交直流供電，當(dāng)系統(tǒng)采用交流供電時(shí)，監(jiān)控設(shè)備內(nèi)嵌寬電壓穩(wěn)壓電路，適用于電網(wǎng)電壓不穩(wěn)的運(yùn)行環(huán)境。

（7）水泵保護(hù)功能

具有過(guò)流保護(hù)、缺相保護(hù)、短路保護(hù)等功能，降低水泵故障率，提高水泵使用壽命。

2.4 數(shù)據(jù)分析與管理功能

系統(tǒng)通過(guò)對(duì)各機(jī)井各用戶灌溉數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)來(lái)對(duì)用水量報(bào)表和收費(fèi)報(bào)表進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；同時(shí)基于公網(wǎng)地圖分析區(qū)域概況和機(jī)井分布及狀態(tài)，經(jīng)過(guò)分析形成一套合理、科學(xué)的分水和配水方案，能夠有效緩解農(nóng)業(yè)灌溉長(zhǎng)期存在的水資源浪費(fèi)問(wèn)題。

水源井電雙控智能化管理功能包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及系統(tǒng)管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控管理、水費(fèi)計(jì)收管理、綜合報(bào)表、地圖展示、系統(tǒng)運(yùn)維管理和移動(dòng)智能應(yīng)用（APP）7 個(gè)子系統(tǒng)功能。

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及系統(tǒng)管理

基礎(chǔ)信息模塊主要維護(hù)支撐系統(tǒng)運(yùn)行的各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如行政區(qū)劃類數(shù)據(jù)、用水戶數(shù)據(jù)、機(jī)井信息、測(cè)控設(shè)備信息、水價(jià)信息等。

（2）實(shí)時(shí)監(jiān)控管理

采集前端儀表測(cè)量數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)，對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。查詢測(cè)控設(shè)備在線情況以及最新數(shù)據(jù)情況，對(duì)在線測(cè)控設(shè)備可發(fā)送遠(yuǎn)程遙測(cè)、設(shè)置、命令等指令。

（3）水費(fèi)計(jì)收管理

計(jì)量收費(fèi)模塊實(shí)現(xiàn)了用水量計(jì)量和用水戶充值繳費(fèi)的功能，用水計(jì)量包含機(jī)井用水分析、用水戶用水分析、用水總量同期分析功能；用水戶充值繳費(fèi)是對(duì)用水戶IC 卡進(jìn)行充值，通過(guò)IC 卡將用水戶充值數(shù)據(jù)讀寫到機(jī)井水電雙控設(shè)備中；另外還可在該模塊使用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)查詢功能。

（4）綜合報(bào)表

綜合報(bào)表主要從用水?dāng)?shù)據(jù)和收費(fèi)數(shù)據(jù)兩方面進(jìn)行綜合展示年/月/日?qǐng)?bào)表。

（5）地圖展示

主要展示機(jī)井點(diǎn)位分布情況以及運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，匯總所查詢區(qū)域的總體用水概況，可通過(guò)控制臺(tái)對(duì)圖層控制，通過(guò)控制臺(tái)機(jī)井信息列表快速查詢機(jī)井位置和詳細(xì)信息。

（6）系統(tǒng)運(yùn)維管理

對(duì)服務(wù)器、采集系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)等的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；實(shí)現(xiàn)配置管理、服務(wù)器管理、RTU 管理、應(yīng)用系統(tǒng)管理等功能模塊；對(duì)所有的監(jiān)測(cè)指標(biāo)設(shè)置故障類型、等級(jí)，將故障信息通知給系統(tǒng)維護(hù)人員，系統(tǒng)維護(hù)人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行故障處理時(shí)，可通過(guò)手機(jī)APP 軟件確定到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間，故障處理后再確定故障恢復(fù)時(shí)間，并由系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中，供統(tǒng)計(jì)和查詢使用。同時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)清除相關(guān)站點(diǎn)的故障信息標(biāo)記。

維護(hù)計(jì)劃：設(shè)定維護(hù)計(jì)劃，包括周期性維護(hù)和一次性維護(hù)，到設(shè)定的時(shí)間后，系統(tǒng)自動(dòng)下發(fā)通知給系統(tǒng)維護(hù)人員；維護(hù)結(jié)果：系統(tǒng)維護(hù)人員維護(hù)后，將結(jié)果錄入系統(tǒng)；系統(tǒng)維護(hù)人員可以查詢所有的故障信息、采集信息和故障處理結(jié)果。

（7）移動(dòng)智能應(yīng)用

移動(dòng)APP 應(yīng)用基于地圖展示地下水、水電雙控等監(jiān)測(cè)站的位置以及相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)用水量查詢、繳費(fèi)通知、扣費(fèi)通知、欠費(fèi)預(yù)警等功能。具體還包括移動(dòng)巡查：為管理者提供工程移動(dòng)巡查功能，可現(xiàn)場(chǎng)輸入巡查信息、拍照上傳；群眾問(wèn)題上報(bào)平臺(tái)：針對(duì)群眾上報(bào)的問(wèn)題，需要處置的則在APP 中進(jìn)行提醒；值班提醒：提前對(duì)值班人員進(jìn)行提醒；推送各類監(jiān)測(cè)站的工況、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常、取水總量、地下水位埋深等報(bào)警數(shù)據(jù)，在灌區(qū)一張圖上進(jìn)行展示并通知相關(guān)系統(tǒng)管理員。

3 水源井電雙控智能化管理系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

（1）系統(tǒng)提供的功能可以對(duì)水資源進(jìn)行更有效的管理、開發(fā)和利用。

（2）系統(tǒng)通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確掌握社會(huì)供用排水狀況，有利于及時(shí)監(jiān)督、掌控水資源開發(fā)利用狀況。

（3）利用系統(tǒng)可以更深入直接的了解社會(huì)需水狀況，優(yōu)化配置水資源。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)水源井電雙控智能化管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了刷卡取水，機(jī)電設(shè)備的智能控制，對(duì)機(jī)井各用戶灌溉數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，對(duì)服務(wù)器、應(yīng)用系統(tǒng)等的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控等，防盜報(bào)警、設(shè)備自檢和故障自診斷等。為水資源科學(xué)調(diào)度、精細(xì)調(diào)度提供了先進(jìn)的技術(shù)手段，有效降低地下水的開采量，提高水資源利用率，同時(shí)節(jié)約的水量也可用來(lái)擴(kuò)大林草地的灌溉，對(duì)維持生態(tài)平衡等方面具有十分重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳曉明．新疆首個(gè)水計(jì)量遠(yuǎn)程管控ppp 項(xiàng)目落戶博樂(lè)[N]．新疆日?qǐng)?bào)，2017-05-28．

[2] 雷小牛，周迎，朱奕鵬．關(guān)于對(duì)天山北坡經(jīng)濟(jì)帶水資源優(yōu)化配置的建議[J]．干旱區(qū)地理，2010，33（6）：968-970．

[3] 段遠(yuǎn)斌．塔里木河水資源管理信息化整合技術(shù)實(shí)現(xiàn)與分析[J]．中國(guó)水利，2015（15）：46-49．

[4] 陳武．基于GPRS 模塊的無(wú)線通信系統(tǒng)技術(shù)[J]．通信電源技術(shù)，2018，35（10）：156-158．

[5] 張大偉，王明瑩，左吉昌．山洪災(zāi)害防治雨水情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站建設(shè) [J]．中國(guó)水利，2012（9）：51-54．