城市草坪智能化澆灌系統(tǒng)方案

1系統(tǒng)概論

1.1綠地澆灌特點(diǎn)

園林草坪是為改善環(huán)境、增加美感、陶冶性情等目的而栽植的，因此要求它

們最好常年生長(zhǎng)皆綠，每年只需剪而不必種植，另外，草坪使土壤滲吸速度降低,

要求采納少量頻灌法澆灌，而且為了節(jié)約勞力和資金、提高噴灌質(zhì)量的要求，園

林草坪澆灌大多采納自動(dòng)化限制固定式噴灌系統(tǒng)。同時(shí)綠地澆灌具有如下特點(diǎn)：

1.綠地澆灌要求水質(zhì)和噴灑質(zhì)量較為嚴(yán)格，特殊是對(duì)高級(jí)欣賞植物和高爾夫

球場(chǎng)的草皮，要求噴灌勻稱度較高，如有漏噴或噴灑過量都會(huì)造成嚴(yán)峻損失。

2.草坪噴灌多數(shù)在夜間進(jìn)行，其緣由之一是草坪白天噴灌，蒸發(fā)損失大。一

般夜晚噴灌時(shí)能比白天少消耗10%以上的水量;緣由之二是有些草坪白天不允許

噴灑，如高爾夫球場(chǎng)進(jìn)行競(jìng)賽、公園消遣區(qū)進(jìn)行文娛活動(dòng)等。

4噴灌系統(tǒng)不能影響草坪的維護(hù)作業(yè).草坪須要常常性的修剪、植保、施肥

等，這些作業(yè)往往由機(jī)械完成。因此，須要選擇特殊的設(shè)備。

4.噴灌系統(tǒng)在滿足草坪需水要求的同時(shí)，需充分留意景觀和環(huán)境效果。細(xì)心

設(shè)計(jì)的噴灌系統(tǒng)，通過正確選擇噴頭和進(jìn)行噴點(diǎn)的布置，不僅能滿足草坪需水，

而且在灌水時(shí)可以形成水動(dòng)景觀效果。

5.全自動(dòng)化澆灌系統(tǒng)不須要人干脆參加，通過預(yù)先編制好的限制程序和依據(jù)

反映作物需水的某些參量可以長(zhǎng)時(shí)間地自動(dòng)啟閉水泵和自動(dòng)按肯定的輪灌依次

進(jìn)行澆灌。人的作用只是調(diào)整限制程序和檢修限制設(shè)備。這種系統(tǒng)中，除灌水器

（噴頭、滴頭等）、管道、管件及水泵、電機(jī)外，還有中心限制器、自動(dòng)閥、傳感

器（土壤水分傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、水位傳感器和雨量傳感器等）

及電線等。

托普物聯(lián)網(wǎng)針對(duì)智能化澆灌系統(tǒng)也做出了一些的探討與開發(fā)，并與浙江高校

合作，已經(jīng)研發(fā)出了針對(duì)不同澆灌類型的方案，同時(shí)也進(jìn)行了實(shí)施，在實(shí)踐中探

討系統(tǒng)的適用性，針對(duì)不足做出新的補(bǔ)充，力求為中國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

1.2我國(guó)綠地澆灌現(xiàn)狀及展望

1.2.1我國(guó)綠地澆灌現(xiàn)狀

由于經(jīng)濟(jì)技術(shù)等緣由，過去我國(guó)草坪澆灌基本上是以人工澆灌為主，這種澆

灌方法只能變更土壤濕度，對(duì)綠地植物生長(zhǎng)的小氣候影響小，灌水定額較大，不

便實(shí)施適時(shí)適量澆灌，水的利用率低，這種方法也許有80%的水由于深層滲漏及

無效蒸發(fā)損失掉。

草坪澆灌宜選擇噴灌，噴灌以其節(jié)水、保土、省工、適應(yīng)性強(qiáng)、養(yǎng)護(hù)質(zhì)量高、

景觀效果好等優(yōu)點(diǎn)，在城市綠地草坪中應(yīng)用廣泛。噴灌灌水器覆蓋面積相對(duì)較大,

并且噴點(diǎn)少，不影響綠地面積的整體美觀，相對(duì)于傳統(tǒng)漫灌節(jié)水30%左右。大面

積草坪（高爾夫球場(chǎng)、足球場(chǎng)、大型廣場(chǎng)）采納噴灌，既寸滿足草坪生長(zhǎng)需水的要

求，又可形成一道水景加綠地的風(fēng)景線。

我國(guó)過去城市綠地澆灌多采納大水漫灌或人工噴灑模式。此類澆灌不能剛好

灌水、過量灌水或灌水不足，難以限制灌水勻稱度，對(duì)綠地作物的正常生長(zhǎng)產(chǎn)生

不良影響?，F(xiàn)在我國(guó)主要掛廣的是半自動(dòng)澆灌系統(tǒng)。此類系統(tǒng)如利用定時(shí)器限制

澆灌比人控園林草坪是為改善環(huán)境、增加美感、陶冶性情等目的而栽植的，因此

要求它們限制系統(tǒng)節(jié)水很多?？梢砸罁?jù)閱歷針對(duì)不同氣候時(shí)段設(shè)置不同澆灌程

序，削減了澆灌的隨意性。這種狀況下，灌水器采納噴頭，水的實(shí)際利用率可以

達(dá)到65%—70%水器采納高勻稱度的噴頭，實(shí)際水利用效率能達(dá)到75%—80機(jī)假如

再配上雨風(fēng)速傳感器澆灌水的利用率還可以增加。但澆灌程序設(shè)定仍是依靠管理

人步參考有關(guān)參考數(shù)據(jù)。如管理人員閱歷不足或獲得的參考數(shù)據(jù)精確性差，編偉

導(dǎo)致灌水過量或不足，距離精確化澆灌仍有很大距離。但由于其投資少，澆灌水

的有效利用率比手動(dòng)限制提高很多，作為成熟的澆灌系統(tǒng)現(xiàn)階段城推廣的是此類

模式。

1.2.2我國(guó)綠地澆灌展望

智能化灌概系統(tǒng)是將來澆灌的發(fā)展方向。精確化，智能化澆灌技術(shù)是隨機(jī)應(yīng)

用技術(shù)、傳感器制造技術(shù)、塑料工業(yè)技術(shù)的提高而逐步實(shí)現(xiàn)的。所謂智能就是依

據(jù)植物需水量對(duì)其進(jìn)行澆灌。通過自動(dòng)氣象站采集每天的氣象資料作物的作物系

數(shù)確定出每天綠地的耗水量。通過探測(cè)器將灌區(qū)的土壤水分濕丈螃濕度，日照時(shí)

數(shù)，風(fēng)速，溫度等數(shù)據(jù)收集起來發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中，自，依據(jù)預(yù)需水量計(jì)算模型

進(jìn)行需水量的計(jì)算。得到需水量后通過流量限制系統(tǒng)進(jìn)行澆灌。

1.3智能化澆灌探討動(dòng)態(tài)

智能化澆灌主要由兩個(gè)方面構(gòu)成。首先是作物需水量的確定，包括何時(shí)及灌

多少水。其次是流量限制系統(tǒng)，確定如何支配灌水以使總的灌水費(fèi)用最少需水量

確定的關(guān)鍵是參考作物騰發(fā)量即E幾。

1.3.1國(guó)外智能化澆灌探討動(dòng)態(tài)

1990年，第十一屆國(guó)際澆灌展覽年會(huì)上提出計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器將廣泛澆灌

限制管理系統(tǒng)中Isl。Marti。smith等I'］發(fā)表的澆灌規(guī)劃及管理工具cROP件包,

采納Penman—Montieth方程計(jì)算作物需水量還具有擬定澆灌制度和水支配、育

旨。利用仝生育期的作物水分生產(chǎn)函數(shù)估算有限供水狀況下的作物減產(chǎn)損。

Tsakiri利用隨機(jī)過程，Mariio等利用時(shí)間序列來預(yù)料參考作物騰發(fā)量。經(jīng)

過全球范圍內(nèi)長(zhǎng)期的探究探討，聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織FAO于1998年透定了Penman一

Montieth方程作為全球范圍內(nèi)唯一有效運(yùn)用的參考作物騰發(fā)量計(jì)算方法，此前始

終沿用的是改進(jìn)Penman法，緣由是某些地區(qū)后者有可能導(dǎo)致對(duì)作物需水量估算過

大。

ReeJ等及Pauls等利用多階段決策過程，wardlawR等利用二次規(guī)劃方法，以

澆灌供水效益最大為目標(biāo)建立渠系配水模型。

wangz等將澆灌配水渠道概化為一組導(dǎo)管，每根導(dǎo)管向下面的一個(gè)或幾個(gè)斗

口供水，即為一個(gè)輪灌組，采納0—1規(guī)劃法求解一個(gè)灌水周期內(nèi)各斗口的最佳輪

灌組合，以達(dá)到整個(gè)配水渠道配水時(shí)間最短、流量穩(wěn)定和輸水損失最小。shyamR

等采納線性規(guī)劃模型進(jìn)行渠道配水探討，以凈澆灌總收益最大為FI標(biāo)，并考慮了

各級(jí)渠道實(shí)際放水時(shí)間、渠道輸水、最小流量等約束條件，已勝利地應(yīng)用于印度

的Go1awar&Go1aPar渠灌區(qū)。

1.4本文探討思路

本文引進(jìn)最新的智能化澆灌、計(jì)算機(jī)、科學(xué)算法等相關(guān)領(lǐng)域的探討成果，探

討城市綠地智能化澆灌系統(tǒng)的應(yīng)用。主要進(jìn)行了綠地作物需水量模糊推理系統(tǒng)及

澆灌運(yùn)行中的流量限制系統(tǒng)探討。

作物需水量模糊推理系統(tǒng)由自動(dòng)氣象站及探測(cè)器采集各種氣象信息，依據(jù)

FA0于1998年舉薦的Penlnan—Montieth方程計(jì)算出參考作物騰發(fā)量。同時(shí)利用被

澆灌作物在澆灌時(shí)的作物系數(shù)獲得特定作物的作物騰發(fā)量E天，然后利用水量平

衡法對(duì)土壤含水率進(jìn)行逐日計(jì)算。最終利用土壤含水率、當(dāng)日作物騰發(fā)量、作物

生長(zhǎng)最佳土壤含水率、氣象預(yù)報(bào)等數(shù)據(jù)建立作物需水量計(jì)算的模糊推理系統(tǒng)。由

機(jī)組、過濾站

圖2.1智能化澆灌系統(tǒng)基本組成圖

2.2中心限制系統(tǒng)

中心限制系統(tǒng)基本工作原理：由氣象傳感器把植物需水相關(guān)的氣象參量反饋

給中心限制系統(tǒng)，運(yùn)算植物前一天損耗的水量，并確定今口是否補(bǔ)充水分和補(bǔ)充

多少水分;若須要補(bǔ)水，中心限制系統(tǒng)向各限制器發(fā)出指令限制其轄區(qū)內(nèi)的機(jī)組

和電磁閥的啟閉，在肯定時(shí)間內(nèi)按肯定依次自動(dòng)完成綠地澆灌并自動(dòng)停機(jī)。限制

系統(tǒng)工作原理及其信息流程圖見圖2.2。

圖2.2中心限制系統(tǒng)工作原理及其信息流程圖

限制系統(tǒng)主要包括兩大系統(tǒng):作物需水量計(jì)算系統(tǒng)及流量限制系統(tǒng)。

作物需水量計(jì)算系統(tǒng)確定灌水量，流量限制系統(tǒng)確定如何實(shí)施澆灌，即限制

各電磁閥的各個(gè)限制器的分組輪灌依次。通過信息傳輸系統(tǒng)將澆灌支配發(fā)送給田

間限制器，由其支配各電磁閥進(jìn)行澆灌。

如上所示，中心限制系統(tǒng)主要由作物需水量計(jì)算系統(tǒng)及流量限制系統(tǒng)構(gòu)成。

2.2.1需水量計(jì)算系統(tǒng)

需水量計(jì)算系統(tǒng)利用農(nóng)田水量平衡原理逐日對(duì)土壤含水量進(jìn)行計(jì)算。

利用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織1FA0)舉薦的彭蛀一蒙特斯(Penlnan—Montieth)公式

逐日計(jì)算參考作物蒸騰量，結(jié)合作物系數(shù)得到特定作物的作物蒸騰量。在獲知作

物蒸騰量后，依據(jù)各種探測(cè)器可獲知實(shí)時(shí)的氣象資料，從而推算出土壤實(shí)時(shí)含水

量。為使土壤含水量保持在預(yù)定范圍內(nèi)，以土壤實(shí)時(shí)含水量及作物蒸騰量為輸入

量，灌水量為輸出量建立作物需水量模糊計(jì)算系統(tǒng)。利用自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊推

理系統(tǒng)(ANFIS)對(duì)輸入量隸屬函數(shù)及模糊規(guī)則進(jìn)行優(yōu)化c

2.2.2流量限制系統(tǒng)

得到灌水量后，限制器的分組輪灌支配由流量限制系統(tǒng)選擇限制。流量限制

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2.3所示。

各

控

約束

時(shí)間

灌制灌水

水器流

量灌量

水控

時(shí)制

間

器分

系各控制

統(tǒng)

分配

模組輪灌

型

、節(jié)

管段

管網(wǎng)

束

流量約

性

力屬

點(diǎn)水

組成圖

制系統(tǒng)

流量限

圖2.3

或幾個(gè)

一個(gè)

下面的

管向

根導(dǎo)

管，每

組導(dǎo)

為一

概化

主管

為將

原理

系統(tǒng)

限制

流量

的

同管段

，以不

目標(biāo)

少為

時(shí)最

灌耗

，以澆

灌組

個(gè)輪

為一

管即

根導(dǎo)

水，一

器供

限制

道

考了渠

型。參

化模

立優(yōu)

件建

束條

為約

限制

時(shí)間

灌水

總的

系統(tǒng)

澆灌

以及

限制

流量

統(tǒng)模

制系

量限

了流

建立

思路

設(shè)立

型的

的模

問題

排類

標(biāo)安

合目

，并結(jié)

模型

系統(tǒng)

限制

，最

優(yōu)化

進(jìn)行

條件

約束

法對(duì)

函數(shù)

懲處

法及

定法

間限

尋空

用搜

型，利

解模

為求

型。

解。

行求

型進(jìn)

后模

優(yōu)化

法對(duì)

傳算

用遺

終利

介紹

3系統(tǒng)

簡(jiǎn)述

制