虛擬仿真在滴水灌溉系統中的應用研究與設計

孫啟鳴，蔣南云，於晶晶，汪向華，詹 俊

（1.南京林業大學 信息科學技術學院，南京 210037；2.南京工業大學 經濟與管理學院，南京 210096；3.中鐵上海設計院集團有限公司 電氣設計處，上海 200070；4.紫金山實驗室 內生安全處，南京 211102）

0 引言

我國是一個農業大國，但是水資源相對匱乏[1]。農業用水需求量大，大約占到總用水量的70%，其中灌溉用水占九成[2]。但是中國水資源總量僅占世界的6%，不足世界人均水平的25%。目前，我國灌溉面積超過9億畝，灌溉用水缺口約300億立方米，未來可見范圍內，用水量將長期處于零增長狀態，所以提高用水節水效率成為當下一體化戰略的重要組成部分[3]。

提高節水效率依賴科學技術。上世紀50年代，在以色列普及開來的滴管技術為緩解水資源危機提供了一種技術思路[4]。滴水灌溉自動控制技術相對復雜，技術要求高，雖然具有相對統一的系統結構，但是由于不同地區氣候，海拔，緯度不同，導致土壤環境差異巨大，并且針對不同作物，需水量也不盡相同[5]。因此，滴水灌溉自動控制作業是一個技術難點大，影響因素多，涉及范圍廣并且復雜程度高的系統化決策執行過程[6]?；诰植績灮约疤卣魈崛」δ艿男枰?，滴水灌溉自動控制系統應當包含三項基本要素：系統參數的確定；管網布置及水力計算；輪灌組的劃分。

1 采用虛擬仿真的必要性

要實現滴水灌溉系統設計，需要完成大量參數的設定，包括耗水強度，土壤滲水速率，濕潤比，設計均勻度，水資源利用率，水源流量，灌溉周期，灌水額定值，灌溉時間等等[7]。其中不少參數需要各類傳感器材，不但需要考慮無線傳輸信號，還要綜合考量地形、植株對傳輸信號的影響[8]。但受學校實驗場地、實驗設備數量所限，難以構建出類似林業基地的實驗環境[9]。無線傳感組網模式和傳輸效率等實驗環節也只能進行一些小規模組網操作，學生缺乏對實際環境的直觀認識[10]。

滴水灌溉系統設計除了需采集海量數據，更重要的是對這些數據進行大數據分析。為此科研工作者建立了許多滴灌模型。該虛擬實驗項目將幾類經典滴水灌溉模型納入實驗環節，將之前采集的各類環境數據輸入模型，學生可觀察到輸入各種數據組合得到的不同灌溉結果，并可與標準參照進行對比。

傳統的分組統一授課模式受到時間和空間限制，難以具備靈活性和重復性[11]。通過虛擬仿真實驗平臺，廣大學生可以隨時隨地自主進行實驗[12]。通過系統中的預習模塊學習相關基本原理，操作流程；在實驗中鞏固和加深關鍵知識點的應用；實驗后生成報告，用以查漏補缺。

學生在傳統實驗中通常只能被動的接受[13]。所有實驗流程基本固定，缺乏必要的交互環節，實驗結果缺乏實時性，一旦出現錯誤往往造成重大損失[14]。并且受條件和成本限制難以多次重復，降低了實驗效果的同時，也抑制了學生的主觀能動性[15]。

“滴灌自動控制系統虛擬仿真實驗”在各類管網選擇和鋪設等關鍵環節設置了交互環節，學生可以在一定范圍內隨意設計實驗參數，系統能夠根據學生的操作和參數設計按照預設模型模擬實驗結果；學生可以類比各種情況下的實驗結果并且得到信息反饋，從中反思整個過程中存在的問題，也可以通過反復操作，不斷優化；通過此過程可以有效激發學生的主動能動性，幫助學生構建科學的實驗體系，和發現及解決問題的能力。

在此項實驗平臺上，通過誘導，學生可以個性化選擇設計參數和操作，在安全的前提下進行各類探索，避免傳統實驗過程中的千篇一律。學生在撰寫實驗報告的過程中可以分析成功以及失敗的原因，根據學生的實驗情況，系統能夠自動生成課后習題；教師可以從中清晰了解學生的學習效果和尚待解決的問題，利于今后課堂教學的優化；此外本實驗項目也為師生交流提供一個平臺，方便教師及時解決學生疑問。

2 虛擬仿真平臺的設計

此虛擬平臺主要采用自主式實驗方法，實驗項目以應用形式引入，將應用各個環節進行拆分，嵌入知識點，在操作應用流程時自然而然掌握了知識點，同時配備詳細實驗參考和實驗指導，學生完全能夠自主實驗。

圖1 實驗平臺流程圖

具體操作步驟如下：

1）登錄“滴灌系統虛擬仿真實驗”。

圖2 滴灌自動控制系統虛擬仿真實驗主菜單

2）實驗環境預勘察。

3）基本參數預設。

4）滴頭型號選擇。

如圖3～圖6所示。

圖3 水源參數設置

圖4 設計參數確定及優化

圖5 滴頭選擇

圖6 滴頭的工作壓力與流量曲線模型

這一階段主要的任務是觀察整個待灌溉區域的面積、植被覆蓋情況，樹木需水情況。從而完成基本參數輸入，主要包括土壤參數，植株參數，水源參數，地形參數等，更進一步設定持水量，濕潤比，滲水率，需水量，滴頭間距，毛管間距等，同時完成設計參數初步確定以及二次優化等內容。并且在滴頭數據表中預先創建ID，廠家，類型，外觀，型號等預先設定字段，管理員可以在后臺完成添加，編輯和刪除等操作。點擊滴頭型號或者外觀，會顯示該滴頭的工作壓力與流量曲線模型，供參考選擇。

5）毛管選型。

6）支管選型。

7）輸水干管選型。

如圖7、圖8所示。

圖7 毛管設備選型

圖8 支管初步優化

圖9 輸水配管二次優化結果

圖10 水泵選擇

以上為選型的主要操作步驟，按照先毛管，后支管最后干管的順序完成。其中毛管設計通常按照滴頭工作壓力是否已知分為兩種情況，根據不同情況，選擇毛管布置方式，即單向布置或雙向布置，完成初步設計和二次優化。而后支管管材通常為PE或者PVC材料制成，不同材質，摩擦系數不同，根據選材不同，系統默認提供不同摩擦系數。輸入參數后，微灌水壓力偏差分配。通過拉格朗日松弛法完成初步管徑選取。

待初次選型之后，進行二次優化，主要工作為：根據變徑數，對管徑進行標準化計算，同時計算出水頭損失，進口壓力，調壓管長等參數，完成二次優化。地形高度差進行滴灌，主要使用山地陡坡，再有是機壓灌溉，通過預先設定水泵參數，可以自主選擇系統壓力。

最后完成干管選擇。輸水干系統是由若干輸水干管和配水干管組成，需要首先進行輸水干管設計。將數據提交，得到初步優化結果。與支管類似，完成參考初步優化的管徑，對管徑進行二次優化，得到各條輸水干管管段直徑，水頭損失，節點水頭等，從而完成干管優化設計。干管通常有兩種情況，一類是自壓灌溉，利用地形高度差進行滴灌，主要使用山地陡坡，再有是機壓灌溉，通過預先設定水泵參數，可以自主選擇系統壓力。

8）配水干管的設計，同樣需要輸入設計參數。計算過程與輸水干管類似，同樣經過初步設計和二次優化，完成流量，長度和直徑的計算。

9）水泵選型。水泵選型主要包括計算流量和揚程，若是選擇自壓灌溉，則此步可以忽略。

10）實驗模擬和實驗總結。完成上述選型步驟，即可進行在線模擬，查看灌溉結果，之后進入到實驗報告撰寫和提交環節。根據各類參數設置和模擬結果，進行實驗報告的撰寫，分析成功和失敗的原因，以及相應的改進措施，并在線提交，根據評分結果，得出此次實驗得分。

11）課后測試。在線提交后，系統自動生成題目，以檢測學生對實驗過程的理解和把握情況，成績反饋至指導教師處，作為參考數據。

3 主要創新點

3.1 設計思路創新

虛擬仿真實驗主要是針對灌溉工程中對環境要求高，成本打，不易重復與實驗室空間和時間相對有限的矛盾而設計開發的。通過短短數個小時就可模擬整個滴灌項目從需求到完成的一整套設計環節，不僅縮短周期，還有利于直觀感性地應用知識，提高學習效率。

在實際滴灌系統中，不僅實驗場所要求高，難以同時多組實驗，重復性差，而且通常伴隨危險性，需要投入大量的人力和物力來維持，通過虛擬仿真，不僅有效的克服了空間和時間上的限制，而且不會對水資源造成浪費，在安全的前提下能夠為提供較為理想的實驗平臺。

3.2 方法創新

本項目基于PC端開發設計，可以通過網頁隨時登陸，在線操作，不受傳統時間和空間上的限制，方便自主學習。

在線實驗過程中，可以根據自己情況進行個性化選擇各類管網參數，通過排列組合能夠模擬多種實際情況，并且可以在短時間內得到信息反饋，即便最終灌溉效果不甚理想，也可以從中進行反思，從而有效地解決傳統實驗過程中學生無法有效參與，只能被動接受的問題，因此能夠顯著提高實驗過程中的主管能動性和積極性。

3.3 內容創新

平臺分為實驗預習、在線實驗、實驗報告和課后習題四個部分：1）實驗預習介紹滴灌系統相關的基礎理論知識，并配有實驗習題進行考核；2）在線實驗分為設備選型、管網布置、參數優化和模擬仿真四個階段，在各階段均設置自主設計參數窗口，供學生通過參數比對獲得最優實驗結果。3）實驗報告記錄學生自主設計參數過程和實驗結果，同時提供參考標準，準確反應學生自主設計實驗參數變化和實驗結果。4）課后習題由習題庫中隨機生成，考核學生參與實驗實際效果。

4 結語

本系統采用探索性的實驗教學方法，即學生首先根據課前預習與滴灌系統相關的基礎知識和原理，按照預設的基本資料(地形，土壤，苗木種類)，依次完成基本參數設計，包括確定灌水周期，一次灌水持續時間，滴頭流量范圍等；確定毛管，支管，干管等直徑，進口水頭，滴頭工作壓力，水頭損失預設，從而確定管網規格；選擇水泵與型號，完成圖形顯示；根據預設模型在線生成滴灌結果，通過對不同參數組合優化，獲取反饋信息，從中發現問題并分析原因，完成在線實習報告的撰寫；同時也可以根據反饋的信息，反復在線操作，探索不同實驗方法，篩選關鍵參數，形成最佳組合方案。

在此項實驗平臺上，通過誘導，學生可以個性化選擇設計參數和操作，在安全的前提下進行各類探索，避免傳統實驗過程中的千篇一律。學生在撰寫實驗報告的過程中可以分析成功以及失敗的原因，根據學生的實驗情況，系統能夠自動生成課后習題；教師可以從中清晰了解學生的學習效果和尚待解決的問題，利于今后課堂教學的優化；此外本實驗項目也為師生交流提供一個平臺，方便教師及時解決學生疑問。