灌區(qū)閘門遠(yuǎn)程自動(dòng)控制節(jié)水系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】灌區(qū)閘門遠(yuǎn)程自動(dòng)控制節(jié)水系統(tǒng)，屬于灌區(qū)現(xiàn)代化、自動(dòng)化管理技術(shù)領(lǐng)域，包括監(jiān)控中心、閘門現(xiàn)地控制單元、渠系、閘門以及量水槽；監(jiān)控中心包括主控制器和顯示單元，主控制器包括水位流量監(jiān)測(cè)單元、故障分析單元、存儲(chǔ)單元、報(bào)警器以及優(yōu)化配水單元；閘門現(xiàn)地控制單元包括可編程序控制器、閘門啟閉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、水位傳感器，渠系包括兩條渠道或兩條以上的渠道，且每條渠道的入水口均設(shè)置有閘門；渠道的內(nèi)部均設(shè)置有量水槽，且渠堤均設(shè)置有一個(gè)設(shè)置有水位傳感器的水位測(cè)井。本發(fā)明全面解決目前灌區(qū)管理現(xiàn)代化、自動(dòng)化水平低的問題，提高灌溉水利用率，既節(jié)約了寶貴的水資源，又為灌區(qū)的可持續(xù)發(fā)展起到了關(guān)鍵作用，有助于農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度的提高。
【專利說明】
灌區(qū)閘門遠(yuǎn)程自動(dòng)控制節(jié)水系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于灌區(qū)自動(dòng)化管理技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及到一種灌區(qū)閘門遠(yuǎn)程自動(dòng)控制 節(jié)水系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 世界各國(guó)利用的農(nóng)業(yè)節(jié)水措施可概括為工程節(jié)水、農(nóng)藝節(jié)水、生物節(jié)水和管理節(jié) 水等四大類。這些節(jié)水措施的應(yīng)用大致分布在四個(gè)基本環(huán)節(jié)中：一是減少渠系管道輸水過 程中的水量蒸發(fā)和滲漏損失，提高灌溉水的輸水效率;二是減少田間灌溉過程中水分的深 層滲漏和地表流失，提高灌溉水的利用率，減少單位灌溉面積的用水量;三是蓄水保墑，減 少農(nóng)田土壤的水分蒸發(fā)損失，最大限度地利用天然降水和灌溉水資源；四是提高作物水分 利用效率，減少作物的水分奢侈性蒸騰消耗，獲得較高的作物產(chǎn)量和用水效益。
[0003] 我國(guó)灌區(qū)節(jié)水較發(fā)達(dá)國(guó)家差距較大，灌區(qū)節(jié)水改造還多限于發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)完成的 第一步，即解決輸水過程的滲漏等跑冒滴漏初級(jí)問題，在研究領(lǐng)域多限于解決信息管理系 統(tǒng)建設(shè)和閘門控制技術(shù)應(yīng)用，缺乏從整個(gè)灌區(qū)系統(tǒng)的角度研究節(jié)水技術(shù)并將其與閘門控制 和信息化管理有機(jī)地融為一體。江蘇省淮安市洪金灌區(qū)管理處的孫健發(fā)表的洪金灌區(qū)自動(dòng) 化控制系統(tǒng)的開發(fā)與運(yùn)用雖然提出了檢測(cè)和控制閘門，但并沒有量水設(shè)施，無法實(shí)現(xiàn)控制 和流量測(cè)量的準(zhǔn)確性;武漢理工大學(xué)的吳競(jìng)發(fā)表的灌區(qū)閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)雖然建立了 數(shù)據(jù)庫(kù)，但無法對(duì)明渠和管道均進(jìn)行自動(dòng)控制;武漢理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院的劉樹波、徐占國(guó) 等發(fā)表的陡山灌區(qū)渠首閘門自動(dòng)控制與實(shí)現(xiàn)提出了閘門的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，但無法實(shí)現(xiàn)根據(jù) 流量變化實(shí)時(shí)調(diào)控閘門。因此現(xiàn)有技術(shù)當(dāng)中亟需要一種新型的技術(shù)方案來解決"渠道量水 與閘門自動(dòng)控制有機(jī)結(jié)合""灌區(qū)各級(jí)閘門自動(dòng)控制優(yōu)化配水" "閘門遠(yuǎn)程自動(dòng)控制故障診 斷和模糊控制"等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種灌區(qū)閘門遠(yuǎn)程自動(dòng)控制節(jié)水系統(tǒng)，全面 解決目前灌區(qū)管理現(xiàn)代化、自動(dòng)化水平低的問題，提高灌溉水利用率，既節(jié)約了寶貴的水資 源，又為灌區(qū)的可持續(xù)發(fā)展起到了關(guān)鍵作用，有助于農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度的提高。
[0005] 灌區(qū)閘門遠(yuǎn)程自動(dòng)控制節(jié)水系統(tǒng)，其特征是:包括監(jiān)控中心、閘門現(xiàn)地控制單元、 渠系、閘門以及量水槽；
[0006] 所述監(jiān)控中心包括主控制器和顯示單元，所述主控制器包括流量監(jiān)測(cè)單元、故障 分析單元、存儲(chǔ)單元、報(bào)警器以及優(yōu)化配水單元；
[0007] 所述閘門現(xiàn)地控制單元包括可編程控制器、閘門啟閉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、水位傳感器，所述 水位傳感器與可編程控制器通信連接，可編程控制器的信號(hào)輸出端分別與閘門啟閉傳動(dòng)機(jī) 構(gòu)和設(shè)置在監(jiān)控中心內(nèi)部的主控制器通信連接;所述閘門啟閉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與閘門連接；
[0008] 所述渠系包括兩條渠道或兩條以上的渠道，且每條渠道的進(jìn)水口均設(shè)置有閘門； 渠道的內(nèi)部均設(shè)置有量水槽，渠堤上均設(shè)置有水位測(cè)井;所述水位傳感器設(shè)置在水位測(cè)井 內(nèi)。
[0009] 所述閘門啟閉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為渦輪絲杠升降機(jī)。
[0010] 所述量水槽為機(jī)翼形量水槽或機(jī)翼柱形量水槽。
[0011] 所述可編程控制器內(nèi)部設(shè)置有模糊算法器和模糊判決器。
[0012] 所述優(yōu)化配水單元為支持向量機(jī)的優(yōu)化配水模型，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，將原始數(shù) 據(jù)均分為K組，其中K為自然數(shù)，將每個(gè)子集數(shù)據(jù)分別做一次驗(yàn)證集，其余的K-1組子集數(shù)據(jù) 作為訓(xùn)練集，得到K個(gè)模型，取K個(gè)模型最終的驗(yàn)證集的分類準(zhǔn)確率的平均數(shù)為分類器的性 能指標(biāo)，選取參數(shù)。
[0013] 通過上述設(shè)計(jì)方案，本發(fā)明可以帶來如下有益效果：灌區(qū)閘門遠(yuǎn)程自動(dòng)控制節(jié)水 系統(tǒng)，全面解決目前灌區(qū)管理現(xiàn)代化、自動(dòng)化水平低的問題，提高灌溉水利用率，既節(jié)約了 寶貴的水資源，又為灌區(qū)的可持續(xù)發(fā)展起到了關(guān)鍵作用，有助于農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度的提高。
[0014] 利用動(dòng)態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的非線性動(dòng)態(tài)模型可較好的反映閘門控制過程的水力特 性及其機(jī)械特性;采用先進(jìn)的控制策略設(shè)計(jì)的自適應(yīng)模糊控制器，能夠保證閘門控制系統(tǒng) 的穩(wěn)定性、可靠性及靈活性;采用故障自診斷專家系統(tǒng)，保證當(dāng)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)的故障時(shí) 自動(dòng)急停、斷電，并在上位機(jī)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，解決閘門遠(yuǎn)程自動(dòng)控制過程中可能出現(xiàn)的故障 問題;采用模糊控制技術(shù)、Java和GPRS無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、量水技術(shù)、支持向量機(jī)優(yōu)化配水建模 技術(shù)進(jìn)行多學(xué)科領(lǐng)域技術(shù)集成創(chuàng)新，有效地實(shí)現(xiàn)了灌區(qū)閘門節(jié)水高精度遠(yuǎn)程自控系統(tǒng)。 [0015]采用機(jī)翼柱形量水槽進(jìn)行渠道流量水量監(jiān)測(cè)，為閘門遠(yuǎn)程自動(dòng)控制調(diào)節(jié)提供準(zhǔn)確 依據(jù)，從而保證節(jié)水系統(tǒng)具有很高的節(jié)水效益和控制精度，可為灌區(qū)的優(yōu)化配水提供可靠 的閘門開度調(diào)度方案，在保證量水精度的前提下降低量水設(shè)施的投資，實(shí)用性強(qiáng)，操作簡(jiǎn) 單，適應(yīng)性好。
[0016] 監(jiān)控中心可實(shí)時(shí)監(jiān)視現(xiàn)地控制單元的閘門啟閉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作狀態(tài)，當(dāng)閘門啟閉傳 動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)生故障時(shí)，可發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并進(jìn)行故障分析，有利于系統(tǒng)運(yùn)行保持通暢。
[0017] 閘門啟閉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用的渦輪絲杠升降機(jī)具有起升、下降及借助輔件推進(jìn)、翻轉(zhuǎn) 及各種高度位置的調(diào)整等功能，且結(jié)構(gòu)緊湊、體積小。
【附圖說明】
[0018] 以下結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明：
[0019] 圖1為本發(fā)明灌區(qū)閘門遠(yuǎn)程自動(dòng)控制節(jié)水系統(tǒng)流程示意圖。
[0020] 圖2為本發(fā)明灌區(qū)閘門遠(yuǎn)程自動(dòng)控制節(jié)水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021] 圖中1-監(jiān)控中心、2-閘門現(xiàn)地控制單元、3-渠系、4-閘門、5-主控制器、6-顯示單 元、7-水位測(cè)井、8-量水槽、9-可編程控制器、10-閘門啟閉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、11-水位傳感器、12-渠 首水源、501-流量監(jiān)測(cè)單元、502-故障分析單元、503-存儲(chǔ)單元、504-報(bào)警器、505-優(yōu)化配水 單元、901 -模糊算法器、902-模糊判決器。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 灌區(qū)閘門遠(yuǎn)程自動(dòng)控制節(jié)水系統(tǒng)，如圖1和圖2所示，包括監(jiān)控中心1、閘門現(xiàn)地控 制單元2、渠系3、閘門4以及量水槽8;
[0023] 所述監(jiān)控中心1包括主控制器5和顯示單元6,所述主控制器5包括流量監(jiān)測(cè)單元 501、故障分析單元502、存儲(chǔ)單元503、報(bào)警器504以及優(yōu)化配水單元505;
[0024] 所述閘門現(xiàn)地控制單元2包括可編程控制器9、閘門啟閉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)10、水位傳感器 11，所述水位傳感器11與可編程控制器9通信連接，可編程控制器9的信號(hào)輸出端分別與閘 門啟閉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)10和設(shè)置在監(jiān)控中心1內(nèi)部的主控制器5通信連接;所述閘門啟閉傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 10與閘門4連接；
[0025] 所述渠系3包含兩條或兩條以上的渠道，且每條渠道的進(jìn)水口均設(shè)置有閘門4;渠 道的內(nèi)部均設(shè)置有量水槽8，渠堤上均設(shè)置有一個(gè)水位測(cè)井7;所述水位傳感器11設(shè)置在水 位測(cè)井7內(nèi)。
[0026] 所述閘門啟閉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)10為渦輪絲杠升降機(jī)。
[0027] 所述量水槽8為機(jī)翼形量水槽或機(jī)翼柱形量水槽。
[0028]所述可編程控制器9內(nèi)部設(shè)置有模糊算法器901和模糊判決器902。
[0029] 所述優(yōu)化配水單元505為支持向量機(jī)的優(yōu)化配水模型，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，將原始 數(shù)據(jù)均分為K組，其中K為自然數(shù)，將每個(gè)子集數(shù)據(jù)分別做一次驗(yàn)證集，其余的K-1組子集數(shù) 據(jù)作為訓(xùn)練集，得到K個(gè)模型，取K個(gè)模型最終的驗(yàn)證集的分類準(zhǔn)確率的平均數(shù)為分類器的 性能指標(biāo)，選取參數(shù)。
[0030] 整個(gè)灌區(qū)閘門遠(yuǎn)程自動(dòng)控制節(jié)水系統(tǒng)的監(jiān)控中心1和設(shè)置在渠首水源12以及各個(gè) 支渠閘門4節(jié)點(diǎn)上的若干個(gè)閘門現(xiàn)地控制單元2構(gòu)成，監(jiān)控中心1通過GPRS網(wǎng)絡(luò)回收整個(gè)灌 區(qū)閘門處流量、水位和閘門開度能狀態(tài)信息，根據(jù)灌區(qū)需水量和作物生長(zhǎng)特性實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分 配各主、支渠配水量，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)下達(dá)給閘門現(xiàn)地控制單元2。各閘門現(xiàn)地控制單元2接收 到配水指令后，從指令信息中分離出配水量與持續(xù)配水時(shí)間等信息，通過調(diào)節(jié)閘門4開度， 實(shí)現(xiàn)灌溉配水的自動(dòng)化。
[0031 ]閘門現(xiàn)地控制單元2中的可編程控制器9為核心部件，實(shí)現(xiàn)閘門現(xiàn)地控制單元手、 自動(dòng)工況切換，同時(shí)對(duì)閘門現(xiàn)地控制單元各組成裝置進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控，并將閘門現(xiàn)地控制單 元泄水量、閘門開啟時(shí)間、通過該閘門實(shí)時(shí)流量以及現(xiàn)地控制單元的各組成裝置的運(yùn)行狀 態(tài)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳至監(jiān)控中心1中。
[0032] 通過與水位傳感器11間通信，能實(shí)時(shí)讀取安置在閘門4下游的量水槽8的水位數(shù) 據(jù)，通過公式 g = 0.60158V^ca%175/f1Λ83
[0033] 式中：Q-渠道流量，m3/s;
[0034] Η-量水槽上游水尺處渠道水深，m;
[0035] Be-量水槽喉口寬度，m;
[0036] g_重力加速度，m/s2。
[0037] 將水位數(shù)據(jù)折算為通過該閘門的流量數(shù)據(jù)，并根據(jù)時(shí)間累計(jì)水量。
[0038] 完成模糊~PID調(diào)節(jié)運(yùn)算，實(shí)時(shí)調(diào)整閘門開度，精細(xì)控制過閘流量。
[0039] 通過本發(fā)明設(shè)計(jì)的灌區(qū)閘門遠(yuǎn)程自動(dòng)控制節(jié)水系統(tǒng)，閘門的控制精度在95%以 上，且比較穩(wěn)定，量水誤差可以控制在5%以內(nèi)，全面解決目前灌區(qū)管理水平，提高灌區(qū)的灌 溉水利用率，不僅節(jié)約了水量，更為灌區(qū)的現(xiàn)代化發(fā)展起到了關(guān)鍵作用，有助于社會(huì)整體可 持續(xù)發(fā)展。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 灌區(qū)閘門遠(yuǎn)程自動(dòng)控制節(jié)水系統(tǒng)，其特征是:包括監(jiān)控中心（I)、閘門現(xiàn)地控制單元 (2)、渠系(3)、閘門（4)以及量水槽(8); 所述監(jiān)控中心（1)包括主控制器(5)和顯示單元(6)，所述主控制器(5)包括流量監(jiān)測(cè)單 元(501 )、故障分析單元(502)、存儲(chǔ)單元(503)、報(bào)警器(504)以及優(yōu)化配水單元(505); 所述閘門現(xiàn)地控制單元(2)包括可編程控制器(9)、閘門啟閉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（10)、水位傳感 器（11)，所述水位傳感器（11)與可編程控制器(9)通信連接，可編程控制器(9)的信號(hào)輸出 端分別與閘門啟閉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（10)和設(shè)置在監(jiān)控中心（1)內(nèi)部的主控制器(5)通信連接;所述 閘門啟閉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（1 〇)與閘門（4)連接； 所述渠系(3)包括兩條渠道或兩條以上的渠道，且每條渠道(3)的進(jìn)水口均設(shè)置有閘門 (4);渠道的內(nèi)部均設(shè)置有量水槽(8)，渠堤上均設(shè)置有水位測(cè)井(7);所述水位傳感器（11) 設(shè)置在水位測(cè)井(7)內(nèi)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的灌區(qū)閘門遠(yuǎn)程自動(dòng)控制節(jié)水系統(tǒng)，其特征是:所述閘門啟閉傳 動(dòng)機(jī)構(gòu)（10)為渦輪絲杠升降機(jī)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的灌區(qū)閘門遠(yuǎn)程自動(dòng)控制節(jié)水系統(tǒng)，其特征是:所述量水槽(8) 為機(jī)翼形量水槽或機(jī)翼柱形量水槽。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的灌區(qū)閘門遠(yuǎn)程自動(dòng)控制節(jié)水系統(tǒng)，其特征是:所述可編程控制 器(9)內(nèi)部設(shè)置有模糊算法器(901)和模糊判決器(902)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的灌區(qū)閘門遠(yuǎn)程自動(dòng)控制節(jié)水系統(tǒng)，其特征是:所述優(yōu)化配水單 元(505)為支持向量機(jī)的優(yōu)化配水模型，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，將原始數(shù)據(jù)均分為K組，其中K 為自然數(shù)，將每個(gè)子集數(shù)據(jù)分別做一次驗(yàn)證集，其余的K-I組子集數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，得到K個(gè) 模型，取K個(gè)模型最終的驗(yàn)證集的分類準(zhǔn)確率的平均數(shù)為分類器的性能指標(biāo)，選取參數(shù)。
【文檔編號(hào)】E02B13/02GK105951694SQ201610429708
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年6月16日
【發(fā)明人】劉鴻濤, 黃金林, 郭瑞, 李長(zhǎng)雨, 劉國(guó)松, 佘向飛, 姜義, 郭健禹, 王征, 吳波
【申請(qǐng)人】長(zhǎng)春工程學(xué)院