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节水灌溉自甥花援果花漫展及趋势引言近几年来,随着水资源的日益紧张,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60年代初以来,在世界各国得到了迅速发展,到70年代,新型灌溉技术的应用在国外已经相当普及了我国于1974年引进滴灌技术,1976年喷灌技术的研发列人国家科研计划,1977-1978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入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,发达国家已开辟并创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工控制方式相比,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,有利于我国泛博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托普物联网再次分析了国内外灌溉系统的发展趋势和以后将要用到的一些技术和设备,托普物联网在中国物联网发展的这些年里,逐步的突出技术的发展和运用,将农业的发展作为一项高科技的发展行列国外灌溉自动化技术的发展状况1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,并日益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、含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,操作也越来越简便电气信息技术在灌溉控制中的应用L130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(wei)险最初的灌溉控制器是一个简单的定时器,这可以看做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,浮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者某台排灌机械浮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,以色列浮现灌溉用的可编程逻辑控制器(PLC),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,以色列开辟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internet网、远程控制、GSM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(Eldar—Shany)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,开辟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入/输出数目和存储容量的不同,如Elgal—
24、E-gal—
2、El-gal-8Phena等人(1973年)、phena和Howell(1984年)、phene(一989年)分另11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Phene等人1989年指出从测定的土壤水势作为输入的灌溉控制系统有如下几个特征1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照;⑶同时控制和监控系统运行12]o1990年Fangmeier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Pehne等人于1992年利用计算作物蒸腾量来控制滴灌系统Ismail和Alshooshan1996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墙情监测和灌水预报相结合,从渠道取水、渠道或者管道输水、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cvw功、伊姆皮里灌区nD、位尔顿一莫哈克灌排区WMID功以及盐河工程SRP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加拿大、澳大利亚和韩国等国家和地区也有开辟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HARDIE11卜RGATI0N公司的灌溉控制器,已形成为了MlcRo-MASTER侧、RAINJET等多个系列,几十种型号的产品其中HR6100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MlcRo—MAsTERI,系列产品是HARDIE公司为进行大面积灌溉而开辟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人工智能在灌溉中的应用
1.2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、含糊逻辑系统、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阎含糊控制和神经网络在灌溉控制器中的应用较多,这些系统普通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含糊化后输人到沪托普物联网开创智慧农业新时代!’31Mgit含糊控制器,含糊控制器经含糊规则决策得出含糊输出,再把该含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Hawkins和Burt(1990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Xin等学者(1995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含糊控制不需被控对象的精确模型,它是根据人的手动经验或者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间和灌溉量,既然含糊控制能够摹拟人的推理能力,所以把含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xiango tai.(1994年)建立了含糊灌溉决策系统,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入,当所有变量输入之后,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elym和Mart in(1996年)使用含糊逻辑制定控制规则,再利用该控制规o则来处理信息,通过对信息的估算来控制灌溉系统Zhangeto
1.(1996年)为温室中的欣赏性植物研制了基于含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壤中水的渗漏率,该含糊控制器在实验室和温室成功地运行了几个月Ribeiro(1997年)使用含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Penman一Monteith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1997年Ribeir和Yoder共同研制了实时含糊控制灌溉系统,土壤水传感器和天气预报装置用来监测土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Meelendon等学者(1991年)在常规控制器上应用神经网络来优化输出,同时摹拟作物生长模型,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Uhrig等学者(1992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I960年到1989年之间的25年数据,训练完成后,以1990年的数据作输人来预测1990年的作物产量,取得了满意的结果1993年Koch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1996年,Williams和zazueta研究了如何用至少的天气状况输入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国内灌溉自动化技术发展状况2国内在开辟灌溉自动控制系统方面处于研制、试用阶段,能实际投入应用,且应用较广的灌溉控制器还不多见在开辟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,可按需要灵便应用,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巧m泥,控制规模为1一Zh时,能控制24路阀门,系统具有人工干预灌溉施肥功能,定时、定量灌溉施肥功能,条件控制灌溉施肥功能1995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RTU都能独立工作,各RTU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、综合分析控制毛慎建、张文革和许一飞1995年在智能化灌溉控制器研制中,介绍了以8031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,该系统已成功用于北京航空航天大学体育场,从投人运行的情■Haas况来看,情况良好门许吉力(2000年)以以色列和法国Richel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,使系统非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胡清和桂玉屏(1999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,取得了满意的结果朱长青、曹成茂(2001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其它国内研制得自动灌溉控制器,还有直接用Pc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节水灌溉自动化技术发展趋势3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,国内虽引进一些,但多数是农业示范区、科研单位、高校,虽然国外生产的灌溉控制器性能优越,但没有考虑我国特殊的自然、气候、土地资源、农民经济状况等因素,于是国外引进的灌溉控制器在国内应用并不普及国内虽然有多家研制灌溉控制器,但多数是小规模、实验和理论的探讨,应用不够普及,究其原因一则是开辟性能完善的灌溉控制系统需要大量的人力、物力的投人,需要多部门、多学科的融合,这在一定程度上限制了性能完善、适应性强的控制器的开辟其次是现在开辟出来的灌溉控制器价格昂贵,农民尽管知道能节省人力、灌溉用水、提高产量,但由于一次性投资太大,多数农民承受不起,这也在一定程度上限制了灌溉控制器的普及随着中国农业现代化进程的加快、农业结构的调整、以及我国加人WT0等因素,可以估计对农业灌溉自动化技术的要求会越来越高,灌溉控制器在我国将有巨大的市场节水灌溉控制器近期在中国应朝着价格低、性能可靠、操作简便的方向发展但从长远利益考虑,新的智能化技术、传感技术和农业科技的引人、应用和普及,将会有智能化程度更高、功能更强、性能更稳定可靠的灌溉控制器沪TOPlnstrum«flt浮现综上所述,西方发达国家在节水灌溉控制器的开辟上已越来越成熟,且发展趋势是研制大型分布式控制系统和小面积单片机控制系统,并带有通信功能,能与上位机进行通信,并可由微机对其编程操作同时随着人工智能技术的发展,含糊控制、神经网络等新技术为节水灌溉控制器的研制开辟了广阔的应用前景而国内在灌溉控制器的研制方面还没有形成规模大、应用范围广的成套灌溉控制产品国内的一些高尔夫球场等大面积场地灌溉控制,普通引用国外现成的成套灌溉控制产品而泛博农村可根据我国国情和各地经济和技术发展的实际情况,采取简单可行的节水灌溉控制措施及相应的排灌机械和设备,大力发展可靠、实用、成本低、操作简便的节水灌溉控制器,这样做不仅具有广阔的市场,而且具有巨大的社会和经济效益。