鄢陵县水利局丁东良关于节水灌溉自动化技术的发展及趋势.doc

自动化节水灌溉技术的发展及趋势张兵， 衰寿其， 成立 摘要:论述了自动化技术在灌溉管理中的重要性， 详细介绍了以色列、 美国、 澳大利亚及我国自动化技术在灌溉中的应用现状及存在的问题， 讨论了一些新技术， 如模糊控制、 神经网络、 专家系统等在节水灌溉控制中的应用， 并对节水灌溉控制技术的发展趋势进行了探讨。 关键词: 节水灌溉， 自动控制， 模糊控制， 神经网络， 专家系统文献标识码: A 文盆编号: 1 0 0 5 - 6 2 5 4 ( 2 0 0 3 ) 0 2 -00 3 7 -050 引 言 近几年来， 随着水资源的日 趋紧张， 世界各 国都在积极探索行之有效的节水途径和措施。喷灌和微灌技术是为了解决水资源不足， 提高灌溉效率而发展起来的现代灌溉技术之一。自从上个世纪6 0 年代初以来，在世界各国得到了迅速发展， 到7 0 年代， 新型灌溉技术的应用在国外已经相当普及了。我国于1 9 7 4 年引进滴灌技术， 1 9 7 6年喷灌技术的研发列人国家科研计划， 1 9 7 7 -1 9 7 8 年国家计委将喷灌技术列为重点推广项目原水利水电部正式将喷灌列为水利建设项目。我国近1 0 年来滴灌技术发展很快，现已在喷滴灌系统设计方面积累了较为丰富经验n 1 。由于农村经济的发展和国家对农业投人的不断增加， 微喷灌等一些新的灌溉技术在我国得到了广泛的应用， 并取得了良 好的社会和经济效益。当前计算机控制技术在我国众多领域获得了前所未有的广泛应用， 使许多部门从传统的以人为主的管理方式进人了以计算机控制技术为手段的自 动化监控与调度的先进管理模式。 但在灌溉领域内， 我国现行管理水平与发达国家相比差距较大， 发达国家已开发并制造了一系列用途广泛、 功能极强的数字式灌溉控制器， 并取得了广泛应用。而我国在节水灌溉方面还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 动控制系统， 但只是小面积的局部控制， 真正具有扩展功能的大规模灌溉工程的计算机监控系统应用还不多见。灌溉自动控制模式与人下控制方式相比， 具有节省水、 肥、 能量、 杀虫剂、 人工等优点， 并可基本消除在灌溉过程中 人为因素造成的不利影响，提高操作的准确性， 有利于灌溉过程的科学管理和先进灌溉技术的推广。同时通过灌溉控制器适时、 适量地灌水， 提高农作物产量， 有利于我国广大农村劳动力的转移和农村经济结构的调整， 同时， 对环境保护也起到一定的作用。1 国外灌溉自动化技术的发展状况 国外一些先进国家， 如美国、 以色列和加拿大等， 运用先进的电子技术、 计算机和控制技术，在节水灌溉技术方面起步较早， 并日 趋成熟。这些国家从最早的水力控制、 机械控制， 到后来的机械电子混合协调式控制， 到当前应用广泛的计算机控制、 模糊控制和神经网络控制等， 控制精度和智能化程度越来越高， 可靠性越来越好， 操作也越来越简便。1 . 1 电气信息技术在灌溉控制中的应用 3 0 年前， 沟灌和漫灌几乎全靠人力， 自动化技术未能应用到灌溉工程中。真正的计算机控制灌溉源于以色列。 该国最初把自 动化控制技术应用到灌溉中的原因是: 以色列是一个极其缺水的国家， 从自 然条件上讲必须发展节水农业; 另一方面是出于中东安全的考虑， 以色列人想通过自动化控制技术在家里控制农田灌水， 减少由于武装冲突带来的危险。 最初的灌溉控制器是一个简单的定时器， 这可以看作是灌溉控制自动化的第一阶段。后来随着电子技术和计算机技术的发展， 出现了简单的灌溉控制器， 它把灌水和施肥同步进行，这种控制器能监测土壤水分信息， 同时当某些参数越限或某台排灌机械出现故障时系统能进行报警。 近年来随着农业对自 动化程度要求的提高， 以色列出现灌溉用的可编程逻辑控制器( P L C ) ， 这种控制器通过把不同的网络连接到主机上进行数据采集和处理。随着控制技术传感器技术的发展， 以色列开发出了现代诊断式控制器， 这种控制器把以前不可能采集到的信息通过不同的传感器来获得， 通过i n t e r n e t 网、 远程控制、 G S M等来实现数据传输， 然后通过计算机中的一些模型来处理信息， 作出灌溉计划。 爱尔达一 祥利( E l d a r - S h a n y ) 自 控技术公司是以色列最大的农业计算机控制系统生产厂家， 也是世界上生产农业计算机控制系统的主导企业，开发了一系列可编程控制器， 这些型号不同的控制单元， 基于相同的编写语言， 使用一致的通信系统， 不同型号之间的差异只是控制输人喻出数目 和 存储容量的不同， 如E l g a l - 2 4 , E I g a 1 - 1 2 , E 1 -g a l - 8 。 大型农田 灌溉汁 算机控制系统( E l g a l A g r o )是目 前农业计算机控制领域最先进控制系统， 适用于较大面积的农田、 农场、 果园、 草场、 公园绿地等自 动化节水 灌概项目 。 E l g a l - A g r o 大型农田灌溉计算机控制系统， 能够通过不同的通讯方式从任何距离自动和精确地实施灌溉、施肥过程、以及过滤器反冲洗、 水泵运行等工作， 通讯方式可使用: 直接电缆连接通讯、 电话通讯、 蜂窝电话通讯或无线电传输等。E l g a l - 2 0 0 0 温室控制器应用于温室气候、 灌溉、 施肥和排水的综合控制系统。 G A L C O M P A C T 型控制器为中规模的 农田、 果园和温室等灌溉系统而设计的紧密， 经济的灌溉控制系统， 有8 - 3 2 个控制输出信号， 交直流两用。 线性远程控制单元( L I N E A R R . T . U . ) 用于远离控制器的阀门或水泵的控制，可以同时连接6 4个类似的远程控制单元， 一个远程控制单元可控制2 - 8 个灌溉阀门或水泵。无线远程控制单元( W I R E L E S S R . T . U . ) 拥有一个无线电接受器， 由E l g a l 控制器通过标准的 无线电 发射器控制， 用于大型或距离遥远的农田 灌溉控制系统。 同时以色列研制的佳维士( G A V I S H ) 控控制系统是一套计算机的温室小气候和施肥控制系统，该系统基于L a v i s h自 主开发的软件， 具有很大的灵活性而且可以根据用户特定的要求很方便的进行定制， 系统有1 6 个输出和1 6 个输人信号 在美国， 早在1 9 8 4 年， B e n a m i 和O f e n 开发了一套节水灌溉控制器， 通过监测土壤水分来确定是否打开灌水阀门。P h e n a 等人 ( 1 9 7 3 年) 、p h e n a 和H o w e l l ( 1 9 8 4 年) , P h e n e ( 1 9 8 9 年) 分别在灌溉系统的控制中使用了土壤湿度传感器， 通过土壤水分传感器把土壤湿度反馈给控制系统，根据传感器获得的数据决定是否灌溉， 使作物根部总能保持一定的湿度， 他们所设计的控制系统经运行表明， 控制系统运行参数的好坏主要取决于四个因素: 系统的硬件设计、 控制系统所采用的算法、 土壤湿度传感器的可靠性、 螺旋形电磁阀和压力调节装置以及流量计、 过滤器等设备的性能。P h e n e 等人( 1 9 8 9 年) 指出从测定的土壤水势作为输人的灌溉控制系统有如下几个特征:( I ) 能对传感器获得的数据自动采样; ( 2 ) 能自动把传感器的输出和设定的标准值对比; ( 3 )同时控制和监控系 统运行n 1 0 1 9 9 0 年F a n g m e i e r 等人研制了 一套自 动化灌溉控制器， 在这个控制器中系统使用红外线热电偶测土壤温度， 同时配有空气湿度计、 土壤湿度传感器。P e h n e 等人于1 9 9 2 年利用计算作物蒸腾量来控制滴灌系统。I s m a i l 和A l s h o o s h a n ( 1 9 9 6 年) 在灌溉控制反馈系统中应用电子张力计来测土壤湿度。同时美国的用水管理水平也很高， 一些灌区做到了土壤墒情监测和灌水预报相结合， 从渠道取水、 渠道( 或管道) 输水、田间灌水全部实行自动化管理， 统一调度、 优化配水， 减少了输配水损失和渠道弃水， 大大提高了水的利用率。例如在美国的考契拉灌区( C V W D ) 、 伊姆皮里灌区( I I D ) 、 位尔顿一莫哈克灌排区( W M I D D ) 以及盐河工程( S R P ) 等灌区， 都应用电子技术不同程度地发展了自动控制与监测系统pi. 加拿大、 澳大利亚和韩国等国家和地区也都有开发成功并形成系列的灌溉控制器产品， 其中，比较有代表性的如澳大利亚的H A R D I E 1 R -R G A T I O N 公司的灌溉控制器， 已形成了M I C R O -M A S T E R , R A I N J E T 等多个系列， 几十种型号的产品。 其中H R 6 1 0 0 系列成本较低， 是一种小型化自 动灌溉控制器， 主要是面对家庭庭院和小面积的商业绿化场地的灌溉， 而M I C R O - M A S T E R n 系列产品是H A R D I E公司为进行大面积灌溉而开发的控制器。 该系统采用分布式布置， 可与上位机双向通信， 用微机对其进行编程操作和对其子控制器进行控制， 并能用微机随时监控灌溉系统的 工 作 状 况 4 L Z 人工智能在灌溉中的应用 由于土壤湿度传感器的非线性以及其输出延迟较大， 采用传统的反馈控制方法很难得到满意的结果，而近几年由于人工智能技术的发展，使得人工智能技术在节水灌溉中的应用显示出广阔的前景， 其中包括用专家系统、 模糊逻辑系统、 神经网络来预测和建模， 使得灌溉控制器用这些智能技术来及时、准确地预测环境参数， 同时控制这些参数使得它更适合于作物生长周 。模糊控制和神经网络在灌溉控制器中的应用较多，这些系统一般以土壤湿度传感器测土壤水分， 同时还通过自 动天气预报站估算出作物的蒸腾量，然后把这两个信息经模糊化后输人到模糊控制器， 模糊控制器经模糊规则决策得出模糊输出，再把该模糊输出精确化传送给执行机构， 控制电磁阀动作。如果该控制不能得到满意的结果， 则可以通过神经网络来优化控制规则。 H a w k i n s 和B u r ( 1 9 9 0 年) 建立了一个专家系统， 该系统运用土壤科学、 植物水利学、 灌溉知识和灌溉系统设计学、 土地几何学、 灌溉系统分散控制等知识进行农田 灌溉管理。 X i n 等学者( 1 9 9 5年) 建立了柑橘灌溉管理的专家系统模型， 该系统把水资源管理和控制技术相结合建立了一个有效的控制系统， 该系统的输人来自土壤水分张力计和天气预报站。 模糊控制不需被控对象的精确模v， 它是根据人的手动经验或专家的知识来设计的。一个有经验的农民能知道合适的灌溉时问和灌溉量， 既然模糊控制能够模拟人的推理能力， 所以把模糊控制技术和传统的控制方法结合将是非常有发展前途的。 X i a n g e t a 1 . ( 1 9 9 4 年) 建立了模糊灌溉决策系统， 该系统的数据来自土壤水分变量、 天气环境变量。该系统提示用户输人， 当所有变量输人之后， 系统进行处理数据， 然后把输出值与设定标准比较， 在给花生灌溉中， 该模型得到了非常满意的 结果。C l y m a 和M a rt i n ( 1 9 9 6 年) 使用模糊逻辑制定控制规则， 再利用该控制规则来处理信息，通过对信息的估算来控制灌溉系统。Z h a n g e t a l . ( 1 9 %年)为温室中的观赏性植物研制了基于模糊控制的灌溉控制器， 此系统采用电阻型土壤湿度传感器作为检测装置， 同时利用传感装置测出土坡中水的渗漏率， 该模糊控制器在实验室和温室成功地运行了几个月。 R i b e i r o ( 1 9 9 7年) 使用模糊逻辑建立了一个计算作物蒸腾量的模型， 太阳辐射和相对湿度作为输人数据， 经模糊推理得出作物得蒸腾量，所得到的蒸腾量与P e n m a n - M o n t e i t h 方程经计算得出的作物蒸腾量相比，可知该模型的效果较为显著。1 9 9 7 年R i b e i ro和Y o d e r 共同研制了 实时模糊控制灌溉系统， 土壤水传感器和天气预报装置用来监测十壤湿度和预测作物蒸腾量， 系统随气候和土壤湿度得变化而作出相应的控制措施t 2 i M c c l e n d o n 等学者( 1 9 9 1 年) 在常规控制器r .应用神经网络来优化输出， 同时模拟作物生长模型， 利用每天的环境参数和相应的作物状态变量来训练神经网络， 被训练的神经网络再用来合理地预测灌溉量。 U h i g 等学者( 1 9 9 2 年) 利用天气环境数据、 土壤湿度数据和农作物预估产量来训练神经网络， 然后用该神经网络来预测作物的产量， 这个训练集使用了从1 9 6 0 年到1 9 8 9 年之间的2 5 年数据， 训练完成后， 以1 9 9 0 年的数据作输人来预测1 9 9 0 年的作物产量，取得了满意的结果。 1 9 9 3 年K o c h 作了 一个相似的研究， 结果表明， 在作物生长过程中， 神经网络能在不同的时间按需分时灌水 2 1 0 1 9 9 6 年， W i l l i a m s 和Z a z u e t a研究了如何用最少的天气状况输人信息通过神经网络的优化来预测豌豆的灌溉。结果表明: 神经网络能用来确定灌溉计划， 在该系统中， 根据天气状况首先确定蒸腾量， 然后把该蒸腾量输人到另一个神经网络去预测灌溉需求。2 国内灌溉自动化技术发展状况 国内在开发灌溉自动控制系统方面处于研制、 试用阶段。 能实际投人应用， 且应用较广的灌溉控制器还不多见。在开发的产品中有代表性的如中国农业机械化研究院联合多家单位研制的2 0 0 0 型温室自动灌溉施肥系统。该系统是国家“ 九五” 科技攻关项目中自主研发的科技产品， 该系统结合我国温室的环境和实际使用特点， 以积木分布式系统结构原理， 解决了 计算机适时闭环控制、 动态监测、 控制显示中文、 施肥泵混合比可调、 电磁阀开度可调等关键技术问题。该系统具有手动控制、 程序控制和自动控制等多种灌溉系统模式， 可按需要灵活应用， 在大连、 北京等地已经投人了应用， 从系统运行情况来看， 该系统有很好控制效果， 取的了一定的经济效益和社会效益。天津市水利科学研究所研制的温室滴灌施肥智能化控制系统主要用于现代温室， 日 光温室作物的灌溉营养液施肥， 环境监测的智能控制， 采用世界先进的可编程序控制器和触摸屏控制技术， 性能可靠、 功能齐全、 人机界面友好、 操作简单、 价格低廉， 此控制系统的控制流量为1 5 m 3 / h控制规模为1 一2 h m , 能控制2 4 路阀门， 系统具有人工千预灌溉施肥功能， 定时、 定量灌溉施肥功能， 条件控制灌溉施肥功能。北京澳作生态仪器有限公司的澳作智能节水灌溉控制系统可与各种滴、 喷灌系统连接， 实时监测土壤墒情， 根据要求自 动灌溉。控制方式灵活， 手动、 半自动、 全自 动任选且可随意在计算机上更改， 可同时控制多个设备， 受控区位置及形状， 环境参数及设备状态可同时显示在中心计算机上。北京奥特思达科技有限公司研制的WT - 0 2 型微喷灌定时自动控制器， 是一种供农业、 草坪、 果园、 温室一般场合给水的电子灌溉自 动控制系统。 1 9 9 5 年， 许建中在大规模灌溉工程的计算机监控系统中采用分散功能和集中管理， 各局部系统( R T U ) 都能独立工作， 各R T U之间的信息则通过高速数据通道进行联系， 其控制方式包括时间控制、 水量控制、 时间水量综合控制、 综合分析控制t 6 。 毛慎建、 张文革和许一飞( 1 9 9 5 年) 在智能化灌溉控制器研制中， 介绍了以8 0 3 1 单片机为核心的全自动化灌溉控制器， 该控制器可以按照任意设定周期进行灌溉控制， 也可以根据检测的土壤水分状况进行闭环控制， 能够控制多路灌溉系统进行多种方式灌溉， 该系统己成功用于北京航空航天大学体育场，从投人运行的情况来看， 情况良好m 。 许吉力( 2 0 0 1 年) 以以色列和法国R i c h e l温室系统为对象， 综合分析了温室灌溉系统的要求和特点， 提出了一种以集散控制系统方式的温室计算机控制系统的组成方式， 采用了面向对象编程技术和事件驱动方式，能及时响应用户请求， 使系统不但具有非常友好的人机交互界面，而且具有良 好的实时控制功能， 强大的信息查询能力I d l 。胡清和桂玉屏( 1 9 9 9 年) 在采用计算机控制农田灌溉网络系统设计中， 介绍了一种低成本新型水传感器， 并把它用在农田灌溉计算机网络系统中， 该装置成功应用于福建省漳州市甘蔗灌溉试验站， 取得了满意的结果19 1 。朱长青、 曹成茂( 2 0 0 1 年) 在多用途节水灌溉控制系统研制中， 介绍了一种以单片机控制为核心， 能适应多种作物的节水灌溉控制系统， 该系统研制时充分考虑各种作物的特点， 综合选择与灌溉控制密切相关的三个因素作为综合控制对象l i o l 。其它国内研制得自 动灌溉控制器， 还有直接用P C 机进行控制的，这样使成本增加， 不易在田间较恶劣环境下使用等缺陷。3 节水灌溉自动化技术发展趋势 经过多年的发展， 国外灌溉控制器已逐步趋于成熟、 系列化， 但价格昂贵， 国内虽引进一a e但多数是农业示范区、 科研单位、 高校， 虽然国外生产的