一种全渠道灌溉多闸门联合调度控制系统及方法

1.本公开属于灌区信息化、智能化技术及水联网全渠道控制领域，特别提出一种全渠道灌溉多闸门联合调度控制系统及方法。


背景技术：

2.优化水资源配送过程，提高水资源利用效率，是灌区水资源管理的重要目标，也是水联网数字治水的重要环节。传统水资源管理手段难以适应水资源供需系统的动态性、关联性、预期性、不确定性，信息化、数字化、互联网、物联网等技术手段，为建立实时、精确、动态、完整、智能的水信互联系统，在灌区层面实现测控一体化与智能控制，实现水联网数字治水，全面提升水资源管理服务能力提供了技术支持和保障。
3.测控一体化闸门是集精准控制和精确测量于一体的自动化灌溉设备，是灌区信息化、智能化系统建设中重要的基础设施。测控一体化闸门除闸体等基本结构外，一般还包括闸门控制、渠道水位流量监测、远程通信、设备工况监测等功能模块。当前测控一体化闸门的远程通信模块一般可以支持4g、5g、nb-iot、光纤等多种通信方式。无论哪种通信方式，都可以通过对应的协议集成到软硬系统交互接口或灌溉管理系统，从而实现闸门状态数据采集或闸门远程控制。
4.然而当前的灌溉管理系统仅支持测控一体化闸门的单一控制，未考虑全渠道所有闸门之间的动态关联性。比如，为调整一个目标闸门的流量，需要调整其开度，而一个闸门的开度变化，会影响周边其他闸门的闸前闸后水位，而水位的变化又进一步影响了其他闸门的流量，导致偏离既定目标。


技术实现要素：

5.本公开是为克服已有技术的不足之处，提出一种全渠道灌溉多闸门联合调度控制系统及方法。本公开可实现测控一体化闸门的联合控制，通用性强、易于落地应用。本公开可为现代化灌区管理实现精准灌溉，达到高效用水之目标提供技术保障。
6.本公开第一方面实施例提出一种全渠道灌溉多闸门联合调度控制系统，包括：
7.测控一体化闸门子系统、软硬系统交互接口、全渠道控制子系统；所述测控一体化闸门子系统包括多个测控一体化闸门；所述测控一体化闸门子系统将每个测控一体化闸门的状态数据通过所述软硬系统交互接口发送至所述全渠道控制子系统；所述全渠道控制子系统根据所述状态数据生成所述每个测控一体化闸门的控制指令，并通过所述软硬系统交互接口将所述控制指令发送至对应的所述测控一体化闸门。
8.在本公开的一个具体实施例中，所述全渠道控制子系统包括：需水目标设置模块、状态数据接收模块、状态数据分析模块、闸控指令生成模块、闸控指令发送模块、闸控结果记录模块；所述软硬系统交互接口包括：闸门状态数据获取模块、闸门远程控制模块；所述测控一体化闸门子系统中每个测控一体化闸门包括：数据采集模块、网络通信模块和闸门控制模块。
9.在本公开的一个具体实施例中，所述测控一体化闸门的所述数据采集模块用于采集所述测控一体化闸门的状态数据并发送至所述网络通信模块；
10.所述网络通信模块用于将从所述数据采集模块接收的所述状态数据发送至所述闸门状态数据获取模块，并从所述闸门远程控制模块接收对应所述测控一体化闸门的控制指令并发送至所述闸门控制模块；
11.所述闸门控制模块用于驱动闸门机械设备执行所述控制指令以达到所述控制指令中设定的闸门开度，并将所述控制指令的执行结果发送至所述网络通信模块。
12.在本公开的一个具体实施例中，所述软硬系统交互接口中，所述闸门状态数据获取模块用于从各测控一体化闸门的所述网络通信模块获取对应闸门的状态数据，并将所述状态数据发送至所述状态数据接收模块；
13.所述闸门远程控制模块用于从所述闸控指令发送模块接收各测控一体化闸门的控制指令并发送至对应闸门的所述网络通信模块，并从所述网络通信模块接收所述控制指令的执行结果。
14.在本公开的一个具体实施例中，所述全渠道控制子系统中，所述需水目标设置模块用于设定闸门控制参数并发送至所述状态数据分析模块，所述闸门控制参数包括：各测控一体化闸门的目标需水流量值以及控制闸门开度的步长和步频；
15.所述状态数据接收模块用于从所述闸门状态数据获取模块获取各测控一体化闸门的状态数据并保存，然后将所述状态数据发送至所述状态数据分析模块；
16.所述状态数据分析模块用于根据所述状态数据，计算各测控一体化闸门流量值与对应目标需水流量值的偏差，然后将计算结果发送至闸控指令生成模块；
17.所述闸控指令生成模块用于利用所述计算结果，根据设定的各闸门的偏差阈值，批量生成各测控一体化闸门的控制指令然后发送至所述闸控指令发送模块；
18.所述闸控指令发送模块用于将所述控制指令批量发送至所述闸门远程控制模块及所述闸控结果记录模块，并从所述闸门远程控制模块获取所述控制指令的执行结果；
19.所述闸控结果记录模块用于记录所述控制指令以及所述指令的执行结果。
20.在本公开的一个具体实施例中，所述状态数据分析模块还用于根据历史计算结果获取各测控一体化闸门的状态变化趋势。
21.本公开第二方面实施例提出一种基于上述系统的全渠道灌溉多闸门联合调度控制方法，包括：
22.1)全渠道控制子系统的需水目标设置模块设定各测控一体化闸门的目标流量，设定控制各闸门开度的步长和步频；
23.2)测控一体化闸门子系统中各测控一体化闸门的数据采集模块实时采集对应闸门的实时状态数据，所述状态数据包括：当前流量和闸门开度；
24.3)软硬系统交互接口的闸门状态数据获取模块按照设定的步频从测控一体化子系统中各测控一体化闸门的数据采集模块获取对应闸门实时状态数据，并将所述状态数据发送至全渠道控制子系统的状态数据接收模块；
25.4)状态数据接收模块将所述状态数据发送至状态数据分析模块；
26.5)状态数据分析模块通过根据所述状态数据计算各闸门更新后的开度，并将开度计算结果发送至闸控指令生成模块；具体方法为：
27.若任一闸门满足(xi |d|)《ki，则按设定的步长增大该闸门开度yi＝yi s；
28.如果任一闸门满足(xi-|d|)》ki，则按设定的步长减小该闸门开度yi＝yi-s；
29.如果任一闸门满足|xi-ki|≤|d|，则该闸门开度不更新；
30.其中，s代表步长，xi代表第i个闸门的当前流量，ki代表第i个闸门的目标流量，d代表需水目标偏差阈值，yi代表第i个闸门的开度；
31.6)闸门控制指令生成模块根据开度计算结果批量生成对应各闸门的控制指令；
32.7)闸控指令发送模块将所述控制指令批量发送至软硬系统交互接口中的闸门远程控制模块；
33.8)闸门远程控制模块将所述控制指令分发给测控一体化闸门子系统中对应的测控一体化闸门的网络通信模块；
34.9)网络通信模块将对应闸门控制指令发送至闸门控制模块，闸门控制模块执行所述对应闸门的控制指令；
35.10)全渠道控制子系统的闸控结果记录模块记录所述控制指令及指令执行结果；
36.若指令执行失败，则再次执行所述指令；若指令执行成功，则重新返回步骤2)，直至所有闸门达到步骤1)设定的目标流量，控制结束。
37.在本公开的一个具体实施例中，所述方法还包括：
38.若所述开度计算结果为所有闸门开度不更新，则闸门控制指令生成模块不生成控制指令，直至至少一个闸门更新对应开度计算结果后生成相应的控制指令。
39.本公开的特点及有益效果：
40.1、通过本公开可帮助渠道灌溉管理单位实现联调联控全渠道所有测控一体化闸门，达到精准灌溉、高效用水节水的目的。
41.2、本公开中通过对全渠道测控一体化闸门的状态数据采集和分析，可以实现闸门运行的监控、异常预警。
42.3、将本公开应用于渠道管理中，将不再需要大量现场的人工操作，可大大减少管理单位的人力资源成本。
43.4、本公开不依赖于具体闸门厂商、通讯协议、渠道特点，是一种通用的、易于落地的应用方式。
附图说明
44.图1是本公开实施例一种全渠道灌溉多闸门联合调度控制系统的整体架构示意图。
45.图2是本公开实施例中一种全渠道灌溉多闸门联合调度控制系统的具体模块构成示意图。
46.图3是本公开实施例中一种全渠道灌溉多闸门联合调度控制方法的整体流程图。
47.图4是本公开实施例中一种全渠道灌溉多闸门联合调度控制方法的信息数据交互流程架构图。
具体实施方式
48.本公开实施例提出一种全渠道灌溉多闸门联合调度控制系统及方法，下面结合附
图和具体实施例对本公开进一步详细说明。
49.本公开实施例提出一种全渠道灌溉多闸门联合调度控制系统，整体架构如图1所示，该系统包括：测控一体化闸门子系统、软硬系统交互接口、全渠道控制子系统，其中，所述测控一体化闸门子系统包括多个测控一体化闸门；所述全渠道控制子系统通过软硬系统交互接口，分别连接测控一体化闸门子系统中每个测控一体化闸门。所述测控一体化闸门子系统中的每个测控一体化闸门通过所述软硬系统交互接口将状态数据发送至所述全渠道控制子系统；所述全渠道控制子系统根据所述状态数据生成控制指令，并通过所述软硬系统交互接口将控制指令发送至所述测控一体化闸门子系统中对应的测控一体化闸门。
50.进一步地，所述全渠道灌溉多闸门联合调度控制系统具体模块组成如图2所示，图2中，所述测控一体化闸门子系统中以单个测控一体化闸门为例，每个测控一体化闸门包括：数据采集模块、网络通信模块和闸门控制模块。所述软硬系统交互接口包括：闸门状态数据获取模块、闸门远程控制模块。所述全渠道控制子系统包括：需水目标设置模块、状态数据接收模块、状态数据分析模块、闸控指令生成模块、闸控指令发送模块、闸控结果记录模块。
51.进一步地，所述全渠道灌溉多闸门联合调度控制系统中各模块功能实现如下：
52.1)所述测控一体化闸门子系统中，每个测控一体化闸门的数据采集模块用于采集所述测控一体化闸门的状态数据并发送至所述网络通信模块，所述状态数据包括：闸前/闸后水位、当前流量、闸门开度。
53.所述网络通信模块用于将从所述数据采集模块接收的所述测控一体化闸门的状态数据发送至软硬系统交互接口的闸门状态数据获取模块，并从软硬系统交互接口的闸门远程控制模块接收对应所述测控一体化闸门的控制指令并发送至所述闸门控制模块。
54.所述闸门控制模块用于驱动闸门机械设备执行所述测控一体化闸门的控制指令以达到指令中设定的闸门开度，并将指令执行结果发送至网络通信模块。
55.2)所述软硬系统交互接口中，所述闸门状态数据获取模块用于从各测控一体化闸门的网络通信模块获取所有闸门的状态数据，包括闸前/闸后水位、当前流量、闸门开度，并将所述状态数据发送至全渠道控制子系统的状态数据接收模块。
56.所述闸门远程控制模块用于从全渠道控制子系统的闸控指令发送模块接收各测控一体化闸门的控制指令并发送至对应闸门的网络通信模块，并从网络通信模块接收指令执行结果。
57.3)所述全渠道控制子系统中，所述需水目标设置模块用于设定各测控一体化闸门的目标需水流量值，设定为达到目标需水流量值时需要控制闸门开度的单次变化长度(步长)和相邻两次变化时间间隔(步频)，并将设定的目标需水流量值及步长和步频发送至所述状态数据分析模块，作为全渠道控制目标。
58.所述状态数据接收模块包含多个数据库表，所述状态数据接收模块用于从软硬系统交互接口中的闸门状态数据获取模块获取各测控一体化闸门的状态数据并发送到状态数据分析模块，同时所述状态数据接收模块将所述状态数据存储到相应的数据库表。
59.所述状态数据分析模块用于根据所述各测控一体化闸门的当前状态数据，计算各测控一体化闸门流量值与对应目标需水流量值的偏差，并将计算结果发送至闸控指令生成模块，该模块同时还可以根据历史计算结果进一步地分析所述各测控一体化闸门的状态变
化趋势用于监控。
60.所述闸控指令生成模块用于利用接收到的各测控一体化闸门与对应目标需水流量值的偏差，根据设定的各闸门的偏差阈值，批量生成各测控一体化闸门的下一轮控制指令，然后发送至闸控指令发送模块。
61.所述闸控指令发送模块用于将所述各闸门控制指令批量发送至软硬系统交互接口的闸门远程控制模块，同时该模块还将所述各闸门控制指令发送至所述闸控结果记录模块进行存储。
62.所述闸控结果记录模块用于记录所有发送的闸门控制指令，并记录所述闸门指令发送模块从所述软硬系统交互接口之闸门远程控制模块获取的指令执行结果，以便于分析、追溯和审计。
63.本公开实施例还提出一种基于上述系统的全渠道灌溉多闸门联合调度控制方法，整体流程如图3所示，数据交互架构如图4所示，包括以下步骤：
64.1)全渠道控制子系统的需水目标设置模块设定各测控一体化闸门的目标流量，设定各闸门开度控制的步长和步频。
65.本公开的一个具体实施例中，测控一体化闸门子系统中包含有n＝5个闸门，在需水目标设置模块中设定各闸门需水目标流量为：[0.5,1.0,1.5,2.0,1.5]，单位m3/s。，令步长s＝10mm，步频h＝10min。设定需水目标偏差阈值：d＝
±
0.05m3/s，|d|＝0.05。
[0066]
2)测控一体化闸门子系统中各测控一体化闸门的数据采集模块实时采集对应闸门的实时状态数据，所述状态数据包括：闸前/闸后水位、当前流量、闸门开度。
[0067]
3)软硬系统交互接口的闸门状态数据获取模块按照设定的步频(本公开一个具体实施例中h＝10min)从测控一体化子系统中各测控一体化闸门的数据采集模块持续获取测控一体化子系统中各测控一体化闸门实时状态数据，并将所述状态数据发送至全渠道控制子系统的状态数据接收模块。
[0068]
本公开的一个具体实施例中，有n＝5个闸门，设各闸门当前流量分别为：[0.8,0.5,1.5,0.5,2.0]，单位m3/s，当前闸门开度分别为：[600,450,700,500,850]，单位mm。
[0069]
4)全渠道控制子系统的状态数据接收模块将通过软硬系统交互接口获取的状态数据发送至状态数据分析模块。
[0070]
5)全渠道控制子系统的状态数据分析模块分析各闸门流量偏差，计算各闸门更新后的开度，并将计算结果发送至闸控指令生成模块。
[0071]
根据设定的需水目标偏差阈值d(即当任一闸门实时测量值与对应目标值的偏差小于该阈值时，认为该达成目标)，判断各闸门是否达到对应需水目标(即全渠道各闸门目标流量)。将每个闸门的当前流量xi与对应目标流量ki进行比较。其中，若任一闸门的当前流量缺失则根据该闸门的当前水位和闸门开度计算该闸门的当前流量。
[0072]
如果任一闸门的当前流量小于其对应的目标流量，即满足(xi |d|)《ki，则按设定的步长增大该闸门开度yi＝yi s。
[0073]
在本公开的一个具体实施例中，设定步长s＝10mm，d＝
±
0.05m3/s，|d|＝0.05，则需要增大第2个闸门的开度，增大后y2＝450 10＝460；需要增大第4个闸门的开度，增大后y4＝500 10＝510。
[0074]
如果任一闸门的当前流量大于其对应的目标流量，即满足(xi-|d|)》ki，则按设定
的步长减小该闸门开度yi＝yi-s。
[0075]
在本公开的一个具体实施例中，需要减小第1个闸门的开度，减小后y1＝600-10＝590；需要减小第5个闸门的开度，减小后y5＝850-10＝840。
[0076]
如果任一闸门的当前流量与对应目标流量的偏差小于等于设定的偏差阈值，即满足|xi-ki|≤|d|，则保持该闸门开度不变，本实施例中设置更新后的开度为yi＝-1，即设定为一个不可能的开度值代表开度不变，则指令跳过不执行。
[0077]
在本公开的一个具体实施例中，第3个闸门开度保持不变，y3＝-1。
[0078]
如果所有闸门的当前流量均与对应目标流量的偏差均小于等于设定的偏差阈值，则所有闸门开度不更新。
[0079]
6)全渠道控制子系统的闸门控制指令生成模块根据开度计算结果批量生成对应各闸门的控制指令。
[0080]
其中，若步骤5)中计算结果为所有闸门开度不更新，则闸门控制指令生成模块不生成控制指令，直至其中至少一个闸门的流量偏离目标，则进行开度更新并生成相应的控制指令。
[0081]
在本公开的一个具体实施例中，闸门控制指令生成模块批量生成各闸门指令为：[590,460,-1,510,840]，即，第1个开度减小，第2个增大，第3个不变，第4个增大，第5个减小。
[0082]
7)全渠道控制子系统的闸控指令发送模块将控制指令批量发送至软硬系统交互接口中的闸门远程控制模块。
[0083]
8)软硬系统交互接口的闸门远程控制模块将所述控制指令分发给测控一体化闸门子系统中对应的测控一体化闸门的网络通信模块。
[0084]
9)测控一体化闸门的网络通信模块将控制指令发送至闸门控制模块，闸门控制模块执行对应的闸门控制指令。
[0085]
10)全渠道控制子系统的闸控结果记录模块记录所有发送的控制指令及指令执行结果，以便于分析、追溯和审计。若控制指令执行失败，则再次尝试；控制指令执行成功后，闸门状态(包括开度、流量)随之改变，然后重新返回步骤2)，直至所有闸门达成步骤1)设定的目标流量，控制结束。