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起睑蒉
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1 全国农村水利管理信息系统技术研讨会基于物联网的智慧灌溉平台开发与应用武汉大学罗玉峰 2017 年 9 月 27 日, 北京

2 提纲 1. 背景 2. 智慧灌溉系统 3. 智慧灌溉平台开发 4. 智慧灌溉平台应用

3 1. 背景大型灌区在 1998 年开始的续建配套节水改造项目基础上, 于 2002 年启动了信息化试点建设, 至今已经历了十五十一五两期试点建设, 共有 51 座灌区参与 ( 参与的程度不同而已 ) 其中, 第一期试点 30 座灌区, 共投资亿元, 第二期试点 36 座灌区 ( 其中 15 座由一期延续下来 ), 共投资亿元

4 1. 背景十五十一五两期信息化试点建设的大型灌区

5 1. 背景大型灌区信息化两期试点的成效和收获是肯定的, 特别是第二期试点在第一期试点摸索的基础上, 无论是规划设计还是建设实施, 直至维护管理都有了长足的进步 : 1 十一五期间大型灌区信息化试点建设指导意见编制 ; 2 大型灌区信息化建设技术指南出版; 3 大型灌区十一五信息化试点建设总结编制十二五, 十三五?

6 1. 背景现状 : 大部分大型灌区灌溉管理与服务基本上采用传统方式, 仅三分之一的大型灌区开展了不同程度信息化建设, 配套完善了相应的通信设施, 信息采集监测基本实现了数字化远程化, 但总体上信息化程度不高用得不够好, 智能化程度不高与电子商务 / 互联网购物有较大差距

7 1. 背景以传统灌区管理模式来做灌区信息化借鉴电商? 网约车? 将互联网思维深度融合于灌溉管理之中

8 有效降雨南方地区降雨充沛, 充分利用降雨是节水灌溉的一种途径, 可以降低灌溉用水量有效降雨量与降雨前的田间水分状况相关如何提高降雨利用率? 天气预报的应用降雨不确定性

9 风险问题灌则灌水浪费国家自然科学基金项目南方湿润不灌则受旱减产区水稻灌溉风险调控理论研究如何平衡风险? ( ) 不同风险偏好? 如何实现 : 智慧灌溉系统

10 智慧灌溉系统的发展人工灌溉

11 智慧灌溉系统的发展人工灌溉定时自动灌溉

12 智慧灌溉系统的发展人工灌溉定时自动灌溉基于 ET 的智能灌溉系统

13 智慧灌溉系统的发展人工灌溉定时自动灌溉基于 ET 的智能灌溉系统基于土壤水分监测的智能灌溉系统

14 智慧灌溉系统的发展人工灌溉定时自动灌溉基于 ET 的智能灌溉系统基于土壤水分监测的智能灌溉系统基于土壤水分监测和降水传感器的智能灌溉系统

15 智慧灌溉系统的发展人工灌溉定时自动灌溉基于 ET 的智能灌溉系统基于土壤水分监测的智能灌溉系统基于土壤水分监测和降水传感器的智能灌溉系统都未考虑未来的降雨, 智能水平不够高

16 通过降水信息与土壤水信息的统筹分析, 实现高效用水与节水的目标水分是否到达下限? 下一天否电动阀门否是图 2 决策程序流程框图获取天气数据是否需要灌溉? 是灌溉需水量为多少? 天气预报数据库灌溉决策策略

17 Soil water sensor Dry enough? No Next day No Yes Acquire WF data Irrigation needed? Yes How much water needed? Weather forecast database Irrigation strategies Magnetic valve

18 收集了年桂林站水稻生育期逐日对未来 7d 的气象预报数据

20 稻田水深 (mm) 降雨灌溉稻田水深 (a) 降雨 / 灌溉 (mm) 稻田水深 (mm) 降雨灌溉稻田水深 (b) 年淹灌模式下不同决策策略的早稻稻田水深降雨及灌溉过程 (a: 常规灌溉,b: 智慧灌溉 ) 降雨 / 灌溉 (mm)

21 稻田水深 (mm) 降雨灌溉稻田水深 (a) 降雨 / 灌溉 (mm) 稻田水深 (mm) 降雨灌溉稻田水深 (b) 年间歇灌溉模式下不同决策策略的早稻稻田水深降雨及灌溉过程 (a: 常规灌溉,b: 智慧灌溉 ) 降雨 / 灌溉 (mm)

23 稻田水深 (mm) 降雨 / 灌溉 (mm) 稻田水深 (mm) 降雨降雨灌溉灌溉稻田水深 (a) 稻田水深 (b) 年淹灌模式下不同决策策略的晚稻稻田水深降雨及灌溉过程 100 (a: 常规灌溉,b: 智慧灌溉 ) 降雨 / 灌溉 (mm)

24 稻田水深 (mm) 降雨 / 灌溉 (mm) 稻田水深 (mm) 降雨降雨灌溉灌溉 200 稻田水深 -150 稻田水深 (a) (b) 年间歇灌溉模式下不同决策策略的晚稻稻田水深降雨及灌溉过程 (a: 常规灌溉,b: 智慧灌溉 ) 降雨 / 灌溉 (mm)

25 早稻和晚稻减少灌水量 23.5mm 和 21.9mm, 节水分别为 38.3% 和 6.7% 采用智慧灌溉决策可以避免因灌后遇雨造成的灌水浪费, 从而减少灌溉用水量排水量以及灌水次数利用天气预报信息, 提高灌溉水利用效率

26 南方湿润区水稻灌溉风险决策调控理论研究不同风险偏好 ( 冒险中庸保守 ) 风险评价模型风险综合值 r i j = ( y i j y A i min j = ) /( y n j = 1 max j w j r y ij min j )

27 南方水稻生育期降雨预报准确度? 早稻和晚稻生育期是否不同?

28 江西省赣抚平原灌区典型站点南昌站年的三季早稻和年的三季晚稻的逐日观测气象数据从中国天气网 ( 南昌地区相应的逐日降雨预报的数据

29 评价指标 A + D 正确率 (percentage correct,pc) PC = A + B + C + D TS 评分 (threat score) 空报率 (false alarm rate, FAR) 漏报率 (missing alarm rare, MAR) TS = A + A B + C C FAR = A + C B MAR = B + D

30 评价指标命中率 (true positive rate, TPrate) TPrate = A A + B 虚警率 (false positive rate, FPrate) C TPrate = C + D

31 百分比 (%) (a) 30.7 早稻晚稻小雨中雨大雨以上雨量级百分比 (%) (b) 早稻晚稻无雨小雨中雨大雨以上大雨以上雨量级百分比 (%) (c) 早稻晚稻无雨小雨中雨大雨大雨以上雨量级 (a)ts 评分 (b) 漏报率 (c) 空报率 0 降雨预报检验评价结果

32 (a) 早稻准确率 (b) 早稻漏报率 (c) 早稻空报率 (d) 晚稻准确率 (e) 晚稻漏报率 (f) 晚稻空报率

35 水稻生育期晴雨预报正确率达 76.3%, 早稻的漏报率总体低于晚稻, 空报率高于晚稻命中率大于虚警率, 都有正的预报价值, 可用于灌溉用水管理早稻与晚稻相比虽然预报的准确度较低, 但降雨预报次数和实际降雨次数更多

36 3. 智慧灌溉平台开发平台架构通过 GPRS 网络传输信号与数据收集大范围的土壤水分数据管理平台归类统一数据抓取各地天气数据, 构成数据库注册用户通过平台管理调试系统通过平台管理多个系统图 1 管理平台架构示意图

37 3. 智慧灌溉平台开发 Linux Apache MySQL PHP 平台技术结构 LAMP 架构通过 CI 框架 (CodeIgniter) 实现统筹通过 html CSS Javascript 等技术构建用户界面层图 3 平台技术结构图

38 3. 智慧灌溉平台开发功能实现步骤 : I. 建立各类数据库, 保存水分信息天气预报信息设备信息用户信息及其对应关系 ; II. 通过爬虫程序与 Python 通信程序实现自动抓取气象数据收集水分信息, 并存入数据库 III. 用户可通过用户界面 ( 网页 ) 决定是否使用 ; 灌溉策略, 灌溉决策程序将每日定时结合水分数据对土壤墒情进行判断, 并做出判断, 输出结果, 发送给终端设备 ; IV. 终端设备根据信号定时开关阀门, 并将完成情况反馈给管理平台图 4 平台功能流程图

轻量级, 功能强大 ; 语法简单, 入门容易 ; 移植性强, 便于开发通讯服务程序 Modbus TCP/IP redis ; 通过

39 3. 智慧灌溉平台开发 Linux 云服务器开源稳定可靠 ; 使用及维护成本低 ; 访问速度快 Apache WebServer 配置简单, 易用 ; 与 Linux 高度兼容 MySQL 数据库免费开源 ; 支持 SQL 语言查询 ; 适合跨环境移植 PHP 轻量级, 功能强大 ; 语法简单, 入门容易 ; 移植性强, 便于开发通讯服务程序 Modbus TCP/IP redis ; 通过 Python 编写通信程序 ; 通过 GPRS 接入网络其他工具技术 MVC 设计模式 ; CodeIgniter 框架 ; html CSS JS 等 ;

40 3. 智慧灌溉平台开发点击可查看控制中心此目录下可对设备参数进行管理调整未来将支持多种数据下载页面设计应当简约易于操作, 方便用户对管理平台的使用和操作通过此处登陆帐户图 5 管理平台首页

41 3. 智慧灌溉平台开发平台功能选项 : 控制终端设备 ; 管理设备信息 ; 读取与整理水分数据 ; 设置与实施智慧灌溉策略 ; 数据下载完成对土壤作物水分参数的精确管理, 达到智慧灌溉的目标图 6 管理平台功能模块示意

42 4. 智慧灌溉平台应用控制中心设备添加传感器数据整理注册作物需水信息

43 4. 智慧灌溉平台应用武大灌排试验场江西省灌溉试验中心站左 : 土壤水分传感器中 : 控制器右 : 水位传感器

44 4. 智慧灌溉平台应用水深 ( 单位 :cm) 水田收集数据 (2001 控制器 ) 旱地收集数据 (1002 控制器 ) 传感器北 ( 修正 ) 传感器南 ( 修正 ) 8/11/2016 0:00 8/15/ :00 8/20/ :00 含水率 ( 单位 : ) 传感器数据 9/1/2016 0:00 9/10/ :009/20/ :00

45 4. 智慧灌溉平台应用灌区全田块在线实时模拟模型明确南方水稻灌区水循环与转化机制分析不同地形条件下水稻田块之间的水力关系海量数据及数据同化大数据方法构建基于网络的南方水稻灌区全田块水分状况在线实时模拟模型

46 4. 智慧灌溉平台应用灌区水流精准快递技术基于南方水稻灌区全田块水肥实时模拟模型结合基于云端的灌溉用水管理, 实现灌区的分布式灌溉智能化决策结合现代物流与物联网技术实现灌溉水流快递构建灌区灌溉用水控制系统, 结形成互联网 + 灌区灌溉用水管理平台

47 4. 智慧灌溉平台应用

48 4. 智慧灌溉平台应用发展规划导入期成长期成熟期一年内三年内五年内完成公司筹建打开市场全面占领市场项目可行性分析扩大影响力完善网络平台完成平台测试打造品牌优势落实长期运营计划

49 4. 智慧灌溉平台应用 2030 年的灌区是什么样子? 互联网灌区? 五年? 十年?

50 谢谢, 敬请批评指正智慧灌溉平台罗玉峰武汉大学水利水电学院 QQ: 手机 : 微信 :yu

院系▲

院系▲ 张家界航空工业职业技术学院毕业生就业质量年度报告 (2015 届 ) 二〇一五年十二月 1 目录第一章毕业生就业基本情况 1.1 毕业生规模和结构 1 1.2 毕业生就业率 4 1.3 毕业就业情况 7 1.4 自主创业情况 16 第二章毕业生就业相关