灌区智慧管控平台研究与应用
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２. Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌｉｑｕａｎ Ｃｏｕｎｔｙꎬ ＸｉａｎｙａｎｇꎬＳｈａａｎｘｉ ７１３２００ꎬＣｈｉｎａꎻ
３. ＰｏｗｅｒＣｈｉｎａ Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ. Ｌｔｄ. ꎬ Ｘｉ’ａｎ ７１００６５ꎬＣｈｉｎａ)
１. ２ 智能模型关键技术
化数据ꎬ其中包括工程业务数据、工程基础数据、工
新疆阿克陶县属于半干旱地区ꎬ通过建立以水
程感知数据、空间地理数据、区域水源数据等ꎻ此外ꎬ
库( 阔滚其水库、加马铁热可书库) 、渠系河道为水
作为灌 区 水 利 信 息 化 平 台 的 基 础 支 撑ꎬ 搭 建
数据存储前应对数据进行 ＥＴＬ( 清洗加工处理) ꎬ其
情况的供配调度决策提供依据支撑ꎻ
为:
Ｆ１ ＝
Ｎ
Ｍｊ
∑
∑ [ ( ｙ″ｙ. ｉ ｘ１ｊꎬｉ
ｊ＝１ ｉ＝１
＋ ｙ′ｙ. ｉ ｘ２ｊꎬｉ ) Ｐ ｉ ] (１)
充分灌、非充分灌条件下的灌溉管理部门效益:
Ｆ２ ＝
ｎ
∑
ｊ＝２
Ｍｊ
{
é ∑ ｍ１ｊꎬｉ ｘ１ｊꎬｉ ＋ ｍ２ｊꎬｉ ｘ２ｊꎬｉ ùú
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ: ｓｍａｒｔ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ａｒｅａꎻ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓꎻ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌꎻ ｓｍａｒｔ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｌａｔｆｏｒｍ
０ 引 言
题数据为基础ꎬ初步建立水资源信息化管理平台ꎬ实
灌区水利工程是中国重要的民生工程ꎬ为促进
陕西 咸阳 ７１３２００ꎻ３. 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司ꎬ西安 ７１００６５)
摘 要:文章基于大数据平台、物联网、数学模型等数字化、信息化先进技术ꎬ对智慧灌区体系结构、物联网、智能模
型等关键技术进行阐述ꎬ并结合新疆阿克陶县灌区水利信息化现状ꎬ构建基于物联网的灌区智慧管控平台ꎬ形成了
Ｐ ｕη ê ｉ ＝ １
êë
úû
η ｔｊ η ｄｊ
}
(２)
式中: Ｆ１ 为农业效益ꎻＦ２ 为灌溉管理部门效益ꎮ
设作物在 ｔ 阶段非充分灌水ꎬ以后阶段均充分
灌水ꎬ则可得到作物本阶段非充分灌水条件下的预
计产量:
ｔ －１
ＥＴ
Ｙ′ａ ＝ Ｙ′ｍ∏ æ éê ａｉ ùú
è
ë
ＥＴ ｍｉｉ û
ｉ＝１
λｋ
ç
西北水电２０２１ 年第 ３ 期
１１７
文章编号:１００６—２６１０(２０２１)０３—０１１７—０６
灌区智慧管控平台研究与应用
陈玉芳１ ꎬ杨婉宁２ ꎬ王洁瑜３ ꎬ胡 坤３
(１. 内蒙古民族大学工学院ꎬ内蒙古 通辽 ０２８０００ꎻ２. 陕西省咸阳市礼泉县水利管理站ꎬ
门运行状态视频监控、水量自动采集设备设施ꎬ对全
县现眼机电井安装“ 井电双控” 智能计量设施ꎮ 物
联网体系架构见图 １ꎮ
图 １ 物联网体系架构图
(２) 构建灌区水利信息化大数据平台ꎮ
构ꎬ并且结合 ｕｎｄｅｒｌａｙ 和 ｏｖｅｒｌａｙ 两个层面网络技术
Ｈａｄｏｏｐ 分布式集群ꎬ集成饮水工程结构化和非结构
来构建灌区网络ꎮ
源系统ꎬ在灌区信息化改造升级的基础上进一步提
中对于处理后的结构化数据ꎬ以文本文件形式存储
升输配水等灌溉工程功能能力ꎬ构建以农业灌溉、农
于 ＨＢａｓｅꎻ对于非结构化数据存储于 ＨＤＦＳꎻ同时在
村供 / 配饮水、环境用水、经济效益等为目标的水利
置、供水管网水质模型ꎬ从而为灌区智慧管控提供强
配水口内田间水ꎬ斗渠水利用系数ꎻ Ｐ ｕη 为第 ｊ 配水
(１) 建模基础
因为作物在生育期不同阶段的水分亏缺对产量
的影响程度不同ꎬ因此ꎬ采用基于 Ｊｅｎｓｅｎ 作物全生
育期的水分生产函数为建模基础ꎮ
(２) 决策变量
口的水费单价ꎬ 元 / ｍ３ ꎻ Ｎ 为 配 水 口 ( 用 水 单 位) 个
数ꎻ Ｍ ｊ 为第 ｊ 配水口内的作物种类ꎮ
平台ꎬ 解 决 了 数 据 的 漏 报、 误 报、 延 时、 丢 失 等 难
理信息平台ꎬ该平台能有效整合利用水利信息资源ꎬ
题 [２] ꎻ宋万琦等人以地理基础数据和灌区水资源专
减少项目重复建设、减轻基层信息化维护压力 [４] ꎮ
收稿日期:２０２１－０２－１０
地应用于各个灌区水利信息化工程的实际管理中ꎬ
息化技术ꎬ吴旭春等人以 ＧＳＭ 和 ＶＰＤＮ 作为信息传
化 [３] ꎻ许建 平 等 人 为 了 高 质 量 推 进 灌 区 信 息 化 建
输载体ꎬ利用其灵活、直接的数据传输方式及高可靠
设ꎬ解决智慧灌区信息资源共享水平低ꎬ重复投资建
性和高速率ꎬ传输距离长等优点ꎬ构建出灌区信息化
设等问题ꎬ提出基于江苏省水利云构建全省灌区管
ａｎｄ ｓｍａｒｔ ｍｏｄｅｌｓꎬ ａｎｄ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ Ａｋｔｏ Ｃｏｕｎｔｙꎬ Ｘｉｎｊｉａｎｇ ꎬ ａ ｓｍａｒｔ ｍａｎａｇｅ￣
ｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ａｒｅａ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｗｈｉｃｈ ｅｖｏｌｖｅｓ ｉｎｔｏ ａｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｔｈａｔ
集采集、传输、管控及决策为一体的集成化系统ꎬ提高了阿克陶灌区运行管理水平ꎬ提升了灌区运管效益ꎮ
关键词:智慧灌区ꎻ物联网ꎻ数学模型ꎻ智慧管控平台
中图分类号:ＴＰ３１５ꎻＳ２７４ 文献标志码:Ａ ＤＯＩ:１０. ３９６９ / ｊ. ｉｓｓｎ. １００６－２６１０. ２０２１. ０３. ０２５
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(１) 平台总体架构
灌区智慧管控平台总体框架见图 ３ꎮ
１) 物联感知层
物联感知层主要依靠水位、流量采集设施、机电
井智能计量等各类感知设施设备ꎬ形成集约化、多功
(３) 目标函数
能监测体系ꎬ满足全方位的监测需求ꎬ为智慧灌区生
则充分灌、非充分灌条件下的农业效益可表示
产提供长期在线监测数据和计算依据ꎬ为灌区运行
２ 灌区智慧管控平台构建
２. １ 总体框架及数据存储测算
在灌区某次灌水时ꎬ往往同时灌溉多种作物ꎮ 设
灌区管理局有 Ｎ 个配水口(用水单位)ꎬ第 ｊ 个配水口
有 Ｍ (ｊ ＝ １ꎬ２ꎬ３ꎬꎬＮ) 种作物ꎬ则决策变量为分配给
第 ｊ 配水口第主种作物的充分灌、非充分灌的面积
(Ｘ１ｉｊ ꎬＸ１ｉｊꎬ ｊ ＝ １ꎬ２ꎬ３ꎬꎬＮꎬｉ ＝ １ꎬ２ꎬ３ꎬꎬ Ｍｊ )ꎮ
１
ｊꎬｉ
２
ｊꎬｉ
分灌、非充分灌的灌水定额ꎬ ｍ / ｈｍ ꎻη ｔｊ ꎬ η ｄｊ 为第 ｊ
３
２
２) 数据汇集支撑层
汇集空间地理信息、基础监测信息、水利工程业
务数据、视频数据、灌区专题等数据资源ꎬ并依照统
一的数据标准进行存储、整合、调用、分析、管理和共
享ꎻ同时结合灌区不同业务、不同场景及不同应用终
端网络需求ꎬ将综合应用运营商 ４Ｇ / ５Ｇ 通讯网络、
信息化发展ꎮ 因此ꎬ提出以灌区基础数据为核心、信
息化配套基础设施、设备及水利设施、设备为依托ꎬ
基于大数据平台、远程控制技术、物联网、智能模型
等技术构建灌区智慧管控平台ꎬ实时准确的获取灌
区的水雨情、气象信息渠道水位、渠道流量、机电井
(１) 物联感知体系
物联感知体系实现县水利管理站及下属单位直
接管辖闸门的自动化改造ꎬ包括闸门自动化控制、闸
Ｓｔｕｄｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ Ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ Ａｒｅａ
ＣＨＥＮ Ｙｕｆａｎｇ１ ꎬ ＹＡＮＧ Ｗａｎｎｉｎｇ２ ꎬ ＷＡＮＧ Ｊｉｅｙｕ３ ꎬ ＨＵ Ｋｕｎ３
(１. Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｆｏｒ Ｎａｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓꎬ ＴｏｎｇｌｉａｏꎬＩｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ ０２８０００ꎬＣｈｉｎａꎻ
目建设的实际情况与地域特征开展相关研究ꎬ针对
运行状态、闸门运行状态、现场视频等信息ꎬ并对采
目前阿克陶县灌区水利信息化工程所涉及到的水厂
集到的数据进行加工处理及分析ꎬ实现灌区信息资
水库、山洪预警、农村供水等垂直信息化管理系统之
源的实时共享、智慧化水资源配置ꎬ提高灌区的监管
间不兼容ꎬ存在信息孤岛现象ꎻ灌区信息化建设仅实
ＥＴ′ａｉ ù
éê
ú
ë ＥＴ ｍｉｉ û
λｋ
ö
ø
÷
(３)
式中: ｙ′ｙ. ｉ ꎬｙ″ｙ. ｉ 为第 ｊ 配水口第 ｉ 种作物非充分灌、
充分灌作物产量ꎬｋｇꎻｘ ꎬｘ 为第 ｊ 配水口第 ｉ 种作
１
ｊꎬｉ
２
ｊꎬｉ
物充分灌、非充分灌的面积ꎬ ｈｍ２ ꎻＰ ｉ 为第 ｉ 种作物
的价格ꎬ元 / ｋｇꎻｍ ꎬｍ 为第 ｊ 配水口第主种作物充
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｄｖａｎｃｅｄ ｄｉｇｉｔａｌ ａｎｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｂｉｇ ｄａｔａ ｐｌａｔｆｏｒｍｓꎬ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓꎬ ａｎｄ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄ￣
ｅｌｓ ｅｔｃ. ꎬ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｅｌａｂｏｒａｔｅｓ ｏｎ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｍａｒｔ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ａｒｅａꎬ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓꎬ
作者简介:陈玉芳(１９８１－ ) ꎬ女ꎬ内蒙古赤峰市人ꎬ讲师ꎬ主要从
事网络化控制系统研究工作.
尽管上述的建设成果均能较好地、具有针对性
然而尚未形成全方位、统一的综合性灌区水利信息
化运维管控平台ꎮ 本文依托阿克陶县灌区信息化项
１１８
陈玉芳ꎬ杨婉宁ꎬ王洁瑜ꎬ胡坤. 灌区智慧管控平台研究与应用
配量进行计算分析ꎬ合理利用有效水资源ꎬ将有限的
有力的决策依据ꎮ
灌溉水量在作物不同生育期进行优化配置为各用水
Ｍａｐｄｕｃｅ 和 Ｓｐａｒｋ 并 行 计 算 环 境 下 融 合 水 资 源 配
(３) 灌区网络构建
采用 Ｓｐｉｎｅ＋ Ｌｅａｆ ( 叶脊) 两层的扁平化网络架
系统动力学模型ꎬꎬ对阿克陶县灌区水资源量及其供
现灌区内水资源的分布、管理、分析和应用ꎬ为灌区
灌区农业可持续发展ꎬ合理优化水资源配置ꎬ中国各
水资源的优化配置和高效利用及辅助决策信息化提
地相继开展灌区水利信息化建设ꎬ从而提升灌区管
供地理信息手段与数字化管理模式ꎬ最终实现灌区
控水平ꎬ降低运行成本 [１] ꎮ 为此ꎬ面向灌区水利信
灌溉 管 理、 工 程 管 理、 决 策 管 理 的 信 息 化 和 智 能
部 门 的 发 展 方 向、 目 标 及 农 业 节 水 提 供 依 据 支
撑 [５] ꎬ灌区概化见图 ２ꎮ
西北水电２０２１ 年第 ３ 期
１１９
图 ２ 灌区概化图
具体建模主要函数及步骤如下 [７] :
主干光纤环网、监测自动化组网、物联网通信链路和
Ｗｉ－Ｆｉ 网络形成多网融合的统一网络平台ꎬ以满足
不用的数据融合汇集及应用服务需求ꎻ
３) 应用支撑层
提供一个支持信息访问、传递、以及协作的集成
化环境ꎬ 实 现 结 构 化 / 非 结 构 化 数 据 资 源、 轻 量 化
ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎꎬ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎꎬ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌꎬ ａｎｄ ｄｅｃｉｓｉｏｎ－ｍａｋｉｎｇꎬ ｗｈｉｃｈ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｅｘｃｅｌｌｅｎｃｅ ａｎｄ ｅｆｆｉ￣
ｃｉｅｎｃｙ ｏｆ Ａｋｔｏ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ａｒｅａ.
运行效率ꎬ为灌区管理部门提供科学的决策依据ꎬ最
现信息基础采集、传输及管理的层面ꎬ无法达到精准
终实现灌区管理信息化提供技术保障ꎮ
灌溉、配水等管控目的ꎻ此外ꎬ由于部分水工建筑物
１ 关键技术
年久失修、部分渠道和建筑物损毁、淤积严重、闸门
１. １ 物联体系
变形严重等问题ꎬ无法保障灌溉用水的合理分配ꎬ导
致输水、配水等灌溉工程功能降低ꎬ制约了地方水利
３. ＰｏｗｅｒＣｈｉｎａ Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ. Ｌｔｄ. ꎬ Ｘｉ’ａｎ ７１００６５ꎬＣｈｉｎａ)
１. ２ 智能模型关键技术
化数据ꎬ其中包括工程业务数据、工程基础数据、工
新疆阿克陶县属于半干旱地区ꎬ通过建立以水
程感知数据、空间地理数据、区域水源数据等ꎻ此外ꎬ
库( 阔滚其水库、加马铁热可书库) 、渠系河道为水
作为灌 区 水 利 信 息 化 平 台 的 基 础 支 撑ꎬ 搭 建
数据存储前应对数据进行 ＥＴＬ( 清洗加工处理) ꎬ其
情况的供配调度决策提供依据支撑ꎻ
为:
Ｆ１ ＝
Ｎ
Ｍｊ
∑
∑ [ ( ｙ″ｙ. ｉ ｘ１ｊꎬｉ
ｊ＝１ ｉ＝１
＋ ｙ′ｙ. ｉ ｘ２ｊꎬｉ ) Ｐ ｉ ] (１)
充分灌、非充分灌条件下的灌溉管理部门效益:
Ｆ２ ＝
ｎ
∑
ｊ＝２
Ｍｊ
{
é ∑ ｍ１ｊꎬｉ ｘ１ｊꎬｉ ＋ ｍ２ｊꎬｉ ｘ２ｊꎬｉ ùú
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ: ｓｍａｒｔ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ａｒｅａꎻ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓꎻ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌꎻ ｓｍａｒｔ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｌａｔｆｏｒｍ
０ 引 言
题数据为基础ꎬ初步建立水资源信息化管理平台ꎬ实
灌区水利工程是中国重要的民生工程ꎬ为促进
陕西 咸阳 ７１３２００ꎻ３. 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司ꎬ西安 ７１００６５)
摘 要:文章基于大数据平台、物联网、数学模型等数字化、信息化先进技术ꎬ对智慧灌区体系结构、物联网、智能模
型等关键技术进行阐述ꎬ并结合新疆阿克陶县灌区水利信息化现状ꎬ构建基于物联网的灌区智慧管控平台ꎬ形成了
Ｐ ｕη ê ｉ ＝ １
êë
úû
η ｔｊ η ｄｊ
}
(２)
式中: Ｆ１ 为农业效益ꎻＦ２ 为灌溉管理部门效益ꎮ
设作物在 ｔ 阶段非充分灌水ꎬ以后阶段均充分
灌水ꎬ则可得到作物本阶段非充分灌水条件下的预
计产量:
ｔ －１
ＥＴ
Ｙ′ａ ＝ Ｙ′ｍ∏ æ éê ａｉ ùú
è
ë
ＥＴ ｍｉｉ û
ｉ＝１
λｋ
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西北水电２０２１ 年第 ３ 期
１１７
文章编号:１００６—２６１０(２０２１)０３—０１１７—０６
灌区智慧管控平台研究与应用
陈玉芳１ ꎬ杨婉宁２ ꎬ王洁瑜３ ꎬ胡 坤３
(１. 内蒙古民族大学工学院ꎬ内蒙古 通辽 ０２８０００ꎻ２. 陕西省咸阳市礼泉县水利管理站ꎬ
门运行状态视频监控、水量自动采集设备设施ꎬ对全
县现眼机电井安装“ 井电双控” 智能计量设施ꎮ 物
联网体系架构见图 １ꎮ
图 １ 物联网体系架构图
(２) 构建灌区水利信息化大数据平台ꎮ
构ꎬ并且结合 ｕｎｄｅｒｌａｙ 和 ｏｖｅｒｌａｙ 两个层面网络技术
Ｈａｄｏｏｐ 分布式集群ꎬ集成饮水工程结构化和非结构
来构建灌区网络ꎮ
源系统ꎬ在灌区信息化改造升级的基础上进一步提
中对于处理后的结构化数据ꎬ以文本文件形式存储
升输配水等灌溉工程功能能力ꎬ构建以农业灌溉、农
于 ＨＢａｓｅꎻ对于非结构化数据存储于 ＨＤＦＳꎻ同时在
村供 / 配饮水、环境用水、经济效益等为目标的水利
置、供水管网水质模型ꎬ从而为灌区智慧管控提供强
配水口内田间水ꎬ斗渠水利用系数ꎻ Ｐ ｕη 为第 ｊ 配水
(１) 建模基础
因为作物在生育期不同阶段的水分亏缺对产量
的影响程度不同ꎬ因此ꎬ采用基于 Ｊｅｎｓｅｎ 作物全生
育期的水分生产函数为建模基础ꎮ
(２) 决策变量
口的水费单价ꎬ 元 / ｍ３ ꎻ Ｎ 为 配 水 口 ( 用 水 单 位) 个
数ꎻ Ｍ ｊ 为第 ｊ 配水口内的作物种类ꎮ
平台ꎬ 解 决 了 数 据 的 漏 报、 误 报、 延 时、 丢 失 等 难
理信息平台ꎬ该平台能有效整合利用水利信息资源ꎬ
题 [２] ꎻ宋万琦等人以地理基础数据和灌区水资源专
减少项目重复建设、减轻基层信息化维护压力 [４] ꎮ
收稿日期:２０２１－０２－１０
地应用于各个灌区水利信息化工程的实际管理中ꎬ
息化技术ꎬ吴旭春等人以 ＧＳＭ 和 ＶＰＤＮ 作为信息传
化 [３] ꎻ许建 平 等 人 为 了 高 质 量 推 进 灌 区 信 息 化 建
输载体ꎬ利用其灵活、直接的数据传输方式及高可靠
设ꎬ解决智慧灌区信息资源共享水平低ꎬ重复投资建
性和高速率ꎬ传输距离长等优点ꎬ构建出灌区信息化
设等问题ꎬ提出基于江苏省水利云构建全省灌区管
ａｎｄ ｓｍａｒｔ ｍｏｄｅｌｓꎬ ａｎｄ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ Ａｋｔｏ Ｃｏｕｎｔｙꎬ Ｘｉｎｊｉａｎｇ ꎬ ａ ｓｍａｒｔ ｍａｎａｇｅ￣
ｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ａｒｅａ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｗｈｉｃｈ ｅｖｏｌｖｅｓ ｉｎｔｏ ａｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｔｈａｔ
集采集、传输、管控及决策为一体的集成化系统ꎬ提高了阿克陶灌区运行管理水平ꎬ提升了灌区运管效益ꎮ
关键词:智慧灌区ꎻ物联网ꎻ数学模型ꎻ智慧管控平台
中图分类号:ＴＰ３１５ꎻＳ２７４ 文献标志码:Ａ ＤＯＩ:１０. ３９６９ / ｊ. ｉｓｓｎ. １００６－２６１０. ２０２１. ０３. ０２５
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(１) 平台总体架构
灌区智慧管控平台总体框架见图 ３ꎮ
１) 物联感知层
物联感知层主要依靠水位、流量采集设施、机电
井智能计量等各类感知设施设备ꎬ形成集约化、多功
(３) 目标函数
能监测体系ꎬ满足全方位的监测需求ꎬ为智慧灌区生
则充分灌、非充分灌条件下的农业效益可表示
产提供长期在线监测数据和计算依据ꎬ为灌区运行
２ 灌区智慧管控平台构建
２. １ 总体框架及数据存储测算
在灌区某次灌水时ꎬ往往同时灌溉多种作物ꎮ 设
灌区管理局有 Ｎ 个配水口(用水单位)ꎬ第 ｊ 个配水口
有 Ｍ (ｊ ＝ １ꎬ２ꎬ３ꎬꎬＮ) 种作物ꎬ则决策变量为分配给
第 ｊ 配水口第主种作物的充分灌、非充分灌的面积
(Ｘ１ｉｊ ꎬＸ１ｉｊꎬ ｊ ＝ １ꎬ２ꎬ３ꎬꎬＮꎬｉ ＝ １ꎬ２ꎬ３ꎬꎬ Ｍｊ )ꎮ
１
ｊꎬｉ
２
ｊꎬｉ
分灌、非充分灌的灌水定额ꎬ ｍ / ｈｍ ꎻη ｔｊ ꎬ η ｄｊ 为第 ｊ
３
２
２) 数据汇集支撑层
汇集空间地理信息、基础监测信息、水利工程业
务数据、视频数据、灌区专题等数据资源ꎬ并依照统
一的数据标准进行存储、整合、调用、分析、管理和共
享ꎻ同时结合灌区不同业务、不同场景及不同应用终
端网络需求ꎬ将综合应用运营商 ４Ｇ / ５Ｇ 通讯网络、
信息化发展ꎮ 因此ꎬ提出以灌区基础数据为核心、信
息化配套基础设施、设备及水利设施、设备为依托ꎬ
基于大数据平台、远程控制技术、物联网、智能模型
等技术构建灌区智慧管控平台ꎬ实时准确的获取灌
区的水雨情、气象信息渠道水位、渠道流量、机电井
(１) 物联感知体系
物联感知体系实现县水利管理站及下属单位直
接管辖闸门的自动化改造ꎬ包括闸门自动化控制、闸
Ｓｔｕｄｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ Ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ Ａｒｅａ
ＣＨＥＮ Ｙｕｆａｎｇ１ ꎬ ＹＡＮＧ Ｗａｎｎｉｎｇ２ ꎬ ＷＡＮＧ Ｊｉｅｙｕ３ ꎬ ＨＵ Ｋｕｎ３
(１. Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｆｏｒ Ｎａｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓꎬ ＴｏｎｇｌｉａｏꎬＩｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ ０２８０００ꎬＣｈｉｎａꎻ
目建设的实际情况与地域特征开展相关研究ꎬ针对
运行状态、闸门运行状态、现场视频等信息ꎬ并对采
目前阿克陶县灌区水利信息化工程所涉及到的水厂
集到的数据进行加工处理及分析ꎬ实现灌区信息资
水库、山洪预警、农村供水等垂直信息化管理系统之
源的实时共享、智慧化水资源配置ꎬ提高灌区的监管
间不兼容ꎬ存在信息孤岛现象ꎻ灌区信息化建设仅实
ＥＴ′ａｉ ù
éê
ú
ë ＥＴ ｍｉｉ û
λｋ
ö
ø
÷
(３)
式中: ｙ′ｙ. ｉ ꎬｙ″ｙ. ｉ 为第 ｊ 配水口第 ｉ 种作物非充分灌、
充分灌作物产量ꎬｋｇꎻｘ ꎬｘ 为第 ｊ 配水口第 ｉ 种作
１
ｊꎬｉ
２
ｊꎬｉ
物充分灌、非充分灌的面积ꎬ ｈｍ２ ꎻＰ ｉ 为第 ｉ 种作物
的价格ꎬ元 / ｋｇꎻｍ ꎬｍ 为第 ｊ 配水口第主种作物充
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｄｖａｎｃｅｄ ｄｉｇｉｔａｌ ａｎｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｂｉｇ ｄａｔａ ｐｌａｔｆｏｒｍｓꎬ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓꎬ ａｎｄ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄ￣
ｅｌｓ ｅｔｃ. ꎬ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｅｌａｂｏｒａｔｅｓ ｏｎ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｍａｒｔ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ａｒｅａꎬ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓꎬ
作者简介:陈玉芳(１９８１－ ) ꎬ女ꎬ内蒙古赤峰市人ꎬ讲师ꎬ主要从
事网络化控制系统研究工作.
尽管上述的建设成果均能较好地、具有针对性
然而尚未形成全方位、统一的综合性灌区水利信息
化运维管控平台ꎮ 本文依托阿克陶县灌区信息化项
１１８
陈玉芳ꎬ杨婉宁ꎬ王洁瑜ꎬ胡坤. 灌区智慧管控平台研究与应用
配量进行计算分析ꎬ合理利用有效水资源ꎬ将有限的
有力的决策依据ꎮ
灌溉水量在作物不同生育期进行优化配置为各用水
Ｍａｐｄｕｃｅ 和 Ｓｐａｒｋ 并 行 计 算 环 境 下 融 合 水 资 源 配
(３) 灌区网络构建
采用 Ｓｐｉｎｅ＋ Ｌｅａｆ ( 叶脊) 两层的扁平化网络架
系统动力学模型ꎬꎬ对阿克陶县灌区水资源量及其供
现灌区内水资源的分布、管理、分析和应用ꎬ为灌区
灌区农业可持续发展ꎬ合理优化水资源配置ꎬ中国各
水资源的优化配置和高效利用及辅助决策信息化提
地相继开展灌区水利信息化建设ꎬ从而提升灌区管
供地理信息手段与数字化管理模式ꎬ最终实现灌区
控水平ꎬ降低运行成本 [１] ꎮ 为此ꎬ面向灌区水利信
灌溉 管 理、 工 程 管 理、 决 策 管 理 的 信 息 化 和 智 能
部 门 的 发 展 方 向、 目 标 及 农 业 节 水 提 供 依 据 支
撑 [５] ꎬ灌区概化见图 ２ꎮ
西北水电２０２１ 年第 ３ 期
１１９
图 ２ 灌区概化图
具体建模主要函数及步骤如下 [７] :
主干光纤环网、监测自动化组网、物联网通信链路和
Ｗｉ－Ｆｉ 网络形成多网融合的统一网络平台ꎬ以满足
不用的数据融合汇集及应用服务需求ꎻ
３) 应用支撑层
提供一个支持信息访问、传递、以及协作的集成
化环境ꎬ 实 现 结 构 化 / 非 结 构 化 数 据 资 源、 轻 量 化
ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎꎬ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎꎬ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌꎬ ａｎｄ ｄｅｃｉｓｉｏｎ－ｍａｋｉｎｇꎬ ｗｈｉｃｈ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｅｘｃｅｌｌｅｎｃｅ ａｎｄ ｅｆｆｉ￣
ｃｉｅｎｃｙ ｏｆ Ａｋｔｏ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ａｒｅａ.
运行效率ꎬ为灌区管理部门提供科学的决策依据ꎬ最
现信息基础采集、传输及管理的层面ꎬ无法达到精准
终实现灌区管理信息化提供技术保障ꎮ
灌溉、配水等管控目的ꎻ此外ꎬ由于部分水工建筑物
１ 关键技术
年久失修、部分渠道和建筑物损毁、淤积严重、闸门
１. １ 物联体系
变形严重等问题ꎬ无法保障灌溉用水的合理分配ꎬ导
致输水、配水等灌溉工程功能降低ꎬ制约了地方水利