智能化精量灌溉决策与控制系统

中国水利水电科学研究院国家节水灌溉北京工程技术研究中心西安理工大学智能化精量灌溉决策与控制系统完善与示范应用农业科技成果转化资金项目合同编号：2007GB23320433汇报提纲一、项目概述二、关键成果及其先进性三、成果取得方式及其创新点四、示范应用情况五、应用效果及前景一、项目概述精量灌溉是现代农田灌溉的前沿技术，其核心是利用计算机智能化技术控制灌溉的“适时”和“适量”，从而保证作物生长的最佳环境。自动灌溉控制系统INTERNET有线、无线、GPS传输方式水肥信息智能决策数据库遥控电话网络土壤信息灌溉设备农田气象站气象、环境信息大棚显著提高灌溉水利用效率，提高作物产量和品质；大幅度提高化肥和农药的有效利用率，减少对环境的污染；促进有限水资源的高效利用，加速我国农业的规模化生产和农田水利现代化进程。一、项目概述精量灌溉与常规灌溉相比：项目目标:对“十五”期间研发的智能化精量灌溉决策与控制系统进行改进、完善和示范应用，提高精量控制灌溉技术的可靠性和实用性，降低成本，为该技术大面积推广应用提供中试和示范。一、项目概述研究内容:（1）完善精量灌溉决策软件(IPIC)，增强根据不同作物选择不同指标进行灌溉综合决策的能力，解决难以在线实时采集与处理配套传感器数据的问题，提高模型的通用性和实用性；（2）改进与灌溉决策软件配套的信息采集和灌溉控制系统，实现田间数据采集以及对水源和电磁阀的自动控制；实现多功能网络式自动灌溉与管理；（3）灌溉远程控制系统实现总线控制，使其降低成本并易于连接；（4）形成一套完整、有效、适于大面积推广应用的智能化灌溉决策与控制系统，在示范区推广应用，达到节水、节能、增产、增效的目标。一、项目概述技术指标及完成情况序号指标类别合同规定指标完成情况说明完善灌溉控制器的质量和性能，采用成本较低且易于安装的RS-485总线直接连接完成灌溉远程控制系统实现了总线控制，使其降低成本并易于连接1技术指标完善和构建适宜于多种作物的通用智能化灌溉模型与软件完成补充了不同作物的灌溉决策指标，增加了作物养分和盐分决策模块2性能指标增加经济耐用的监测传感器，增加对应单指标和多指标综合决策模型完成增加了在线实时获取作物冠气温差信息的监测传感器与灌溉决策模型3推广指标建设总面积1000亩的示范区，节水30％以上，提高灌溉水利用效率达到20％以上；减少化肥流失10％以上，提高作物品质和产量10％以上完成分别在新疆和北京建立了控制面积700亩的辣椒和控制面积500亩的葡萄精量灌溉示范基地销售产品7套产值435万元缴税总额40万元4经济指标净利润100万元完成智能化精量灌溉决策软件和控制系统委托北京东方互联科技有限公司等设备公司代理销售，已销售到陕西和新疆等地。一、项目概述二、关键成果及其先进性（1）开发完善了智能化精量灌溉决策模型(IPICv3.0)。该模型以作物需水信息诊断为基础，综合考虑土壤、作物和气象等环境因子的影响，开展基于单一指标的灌溉预报和基于多指标的模糊决策。通过改进和完善，升级后的模型具有良好的通用性，适应于多种地区、多种作物类型和多种灌溉方式。该模型09年获得国家软件著作权登记。（2）研发了在线式作物冠气温差监测系统，该系统可实时、连续、全方位的监测作物冠气温差的变化，为作物的精量灌溉提供准确、精细的田间实测数据。该系统09年获得国家发明专利。二、关键成果及其先进性（3）研发了作物水分信息采集与精量灌溉控制系统。该系统以智能化灌溉决策模型为实时决策中枢，实现了田间水分信息采集和灌溉的自动化远程控制。系统采用先进的总线控制方式，易于连接，运行稳定，并降低了成本。（4）分别在新疆和北京建立了控制面积1200亩的精量控制灌溉示范区，将研发的灌溉决策模型和控制系统用于不同气候条件和作物类型，取得了良好的应用效果。达到了节水、增产和减少化肥流失的目标。三、成果取得方式及其创新点3.1精量灌溉决策模型（IPICv3.0）模型主界面模型登录界面三、成果取得方式及其创新点3.1精量灌溉决策模型（IPICv3.0）功能：（1）作物及环境因子基本数据的采集、整理和分析；（2）灌溉决策指标的计算和预报；（3）基于单一指标的灌溉决策；（4）依据多指标的综合模糊灌溉决策。创新点：以作物需水信息诊断为基础、综合考虑土壤和气象等环境因子的影响，采用模糊逻辑和人工神经网络技术解决灌溉决策中的复杂、模糊、高度非线性问题，克服了常规确定性模型通用性差的缺陷，提高了灌溉决策的可靠性。三、成果取得方式及其创新点3.2在线式作物冠气温差监测系统冠气温差能够较好反应作物水分状况，以往采用手持红外测温枪监测，不能得到实时连续的数据，本系统较好地解决了上述问题。三、成果取得方式及其创新点系统结构监测控制界面三、成果取得方式及其创新点01/06——16/06-8-6-4-20246810120:000:000:000:000:000:000:000:000:000:000:000:000:00Tc-Ta(oC)27/04-8-4048121620240:002:004:006:008:0010:0012:0014:0016:0018:0020:0022:000:00时间温度（℃）Tc－TaTa05/05-8-404812162024280:002:004:006:008:0010:0012:0014:0016:0018:0020:0022:000:00时间温度（℃）Tc－TaTa作物冠气温差季变化过程日变化过程三、成果取得方式及其创新点三、成果取得方式及其创新点3.3精量灌溉控制系统定时灌溉定制灌溉定量灌溉水势灌溉供水系统田块1田块2田块3田块4阀阀阀阀控制示意综合决策灌溉………………三、成果取得方式及其创新点系统组成：（1）水泵控制系统：采用变频恒压控制器控制水泵的开启和关闭；（2）田间管网和电磁阀系统：干管设总阀，支管设分水阀，每个田块设一个出水阀；（3）田间控制器（下位机）：分单元控制不同地块的水分数据采集和电磁阀的开闭；（4）控制软件：实现灌溉控制指令（开关量）的输出和田间实时数据的采集；（5）中心控制机（上位机）：连接田间控器和控制对象，对水泵和田间灌溉闸阀实现自动控制和手动控制。三、成果取得方式及其创新点控制系统软件参数设置输入分区号输入起始、终止温室号灌溉方式选择定时灌溉定量灌溉水势灌溉定制灌溉删除分区保存数据退出界面创新点：系统采用总线控制，易于连接，运行稳定，并降低了成本；可利用网络技术实现灌溉的远程实时监控，提高了灌溉的自动化程度。三、成果取得方式及其创新点四、示范应用情况﹡新疆库尔勒地区和硕县，干旱气候区，种植作物为辣椒，控制面积700亩;﹡北京大兴区采育镇，半干旱半湿润气候区，种植作物为葡萄，控制面积500亩。分别在新疆和北京建立了两个智能化精量控制灌溉示范区。四、示范应用情况中心控制系统田间灌溉控制器四、示范应用情况田间水分传感器安装四、示范应用情况实施效果四、示范应用情况科育葡萄园示范区施工现场电磁阀安装控制器连接四、示范应用情况科育葡萄园示范区灌溉控制系统中心控制机主控界面四、示范应用情况示范区简介五、应用效果及前景小区3小区9小区15小区21小区27小区2小区8小区14小区20小区26小区1小区7小区13小区19小区25北中控室出水口T1（1区/2区/3区）不灌溉；T2（7区/8区/9区）根据冠层红外温度进行灌溉决策和控制；T3（13区/14区/15区）根据土壤水分下限进行灌溉决策和控制；T4（19区/20区/21区）根据土壤水分下限和冠层温度综合决策；T5（25区/26区/27区）根据当地习惯灌溉，灌至水满畦田为止。表1：不同处理灌溉决策结果日期处理土壤含水率（％）冠气温差（℃）需灌水量（mm）T2（根据冠气温差决策）19.440.7168.8T3（根据土壤水分决策）20.440.8063.84月5日T4（根据冠气温差和土壤水分综合决策）19.231.22干旱，69.9T2（根据冠气温差决策）20.73-0.8762.4T3（根据土壤水分决策）17.66/77.75月12日T4（根据冠气温差和土壤水分综合决策）19.22-0.50干旱，69.9五、应用效果及前景90221.2231.5229.83390100200300400T1T2T3T4T5灌水处理水量（mm）0200400600800100012001400160024-Mar13-Apr3-May23-May12-Jun2-Jul日期干物质（g/m2）T1T2T3T4T550556065T1T2T3T4T5处理号株高（cm）24-Mar13-Apr3-May23-May12-JunDate1015202530Soilwatercontent(%v/v)T1T2T3T4T5All五、应用效果及前景采用精量控制灌溉比常规灌溉灌水量减少30％－35％产量提高15％－18％作物水分利用效率提高22％－24％五、应用效果及前景五、应用效果及前景随着我国农业种植结构的调整和农村经济条件的不断改善，许多企业将农业开发作为投资热点，我国农业的工业化和规模化生产正迅速发展;农业的规模化生产以及喷微灌等先进灌水方法的推广，不仅对实施精量灌溉提出了迫切需求，也为其应用创造了条件;利用智能化灌溉决策与控制系统，可在灌溉的同时自动配比施肥，减少对农田生态系统的负面影响，既有经济效益，也有生态环境效益。据此可以预测，本课题的研究成果将有很好应用前景。五、应用效果及前景在2010年中国-东盟博览会上参展在2011年杨陵农业科技成果展览会上参展谢谢!