CN113557834B - 一种水肥滴灌装置渗漏状态的诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水肥滴灌装置渗漏状态的诊断方法，水肥滴灌装置包括用于将水肥充满滴灌管路的水肥供给装置、用于控制每株作物水肥量的滴灌储水单元，用于控制滴灌储水单元的灌溉量误差的滴灌支路阀、用于滴灌装置精度调控的控制器和信号接收器和用于远端调控的云端服务器和移动终端；其中，渗漏状态的诊断步骤包括：S1:水肥的肥施用比例控制；S2:水肥主管网的充满；S3:支路管网的充满；S4:对滴灌管路和每个滴灌储水室进行滴灌反馈检测，对水肥泵的流量曲线的相似率进行判别。本发明采用相似度算法，对滴灌管路和每个滴灌储水室进行滴灌反馈检测，可以预警滴灌管路的每一条支路和每一个滴灌点，实现低成本的精确滴灌管理，具有切实可行的实用价值。

Description

一种水肥滴灌装置渗漏状态的诊断方法

技术领域

本发明涉及园林园艺喷灌装置，尤其涉及一种水肥滴灌装置渗漏状态的诊断方法。

背景技术

滴灌技术作为一项先进的节水技术，经过引进、消化、吸收，在大田作物种植中得到大面积的推广。经过近几年的使用，滴灌技术节水50％以上，同时具有明显的增产、增肥、压碱等作用。一方面大田作物滴灌系统模式一次性投资大，维修、运行费用又高，特别是当灌溉面积较小时，尽管常规的加压滴灌系统可以对小面积的耕地进行单独设计并运行，但由于供水设备及维护系统正常运行的费用并不随着灌溉面积的减少而下降，造成系统单位面积的投资比灌溉面积较大时更高。另一方面，滴灌系统模式过于复杂、专业化，并且随着面积增大，滴灌的不均匀性和渗漏堵塞情况发生频繁，导致滴灌作物生长不均匀，产量预期下降和产品质量也不均匀。并且传统滴灌系统是开环控制，系统无法监测到各个支路点滴灌状况，是否存在拥堵、渗漏。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种准确监测水肥滴灌装置运行状态的方法，及时诊断装置是否存在渗漏。

技术方案：一种水肥滴灌装置渗漏状态的诊断方法，水肥滴灌装置包括用于将水肥充满滴灌管路的水肥供给装置、用于控制每株作物水肥量的滴灌储水单元，用于控制滴灌储水单元的灌溉量误差的滴灌支路阀、用于滴灌装置精度调控的控制器和信号接收器，以及用于远端调控的云端服务器和移动终端；水肥供给装置的出口与滴灌支路阀的进口相连，滴灌支路阀的出口与若干相串联的滴灌储水单元的总进口相连，控制器用于控制水肥供给装置、滴灌支路阀的阀门开合，控制器、信号接收器与云端服务器和移动终端信号连接；

其中，渗漏状态的诊断步骤包括：

S1:水肥的肥施用比例控制；

S2:水肥主管网的充满；

S3:支路管网的充满；

S4:对滴灌管路和每个滴灌储水室进行滴灌反馈检测，对水肥泵的流量曲线的相似率进行判别。

进一步地，S1具体为：

ΔQ_F(n)＝Q_UFY(n)*γ_FY(n)-Q_RFY(n-1)*γ_FY(n-1) (1)

Q_F(n)＝Q_F(n-1)-ΔQ_F(n) (2)

其中，(n)表示肥量控制的当次时刻，(n-1)表示肥量控制的上一时刻，Q_UFY表示单次施用肥液量，γ_FY表示肥液所需浓度，Q_RFY表示水肥罐(17)内剩余肥液，Q_F表示肥罐(11)的肥量，ΔQ_F(n)表示需要加入的肥量，Q_UFY(n)表示肥液量Q_FY测量装置在本次供肥液关断入水阀(15)的测量值。

进一步地，S2具体为：

其中，D为主管网的内径，单位为m，L是管网主管路的总长度，单位为mm，在所有滴灌支路阀(2)关闭的状态下，当前肥液量Q_FY的测量值Q_FY(t)值近似等于(4)式计算的QF(n)，并且肥液的流量Q_FYF(t)值连续五次采集值满足不等式(5)，表示水网充满。

Q_FY(t)＝Q_FY(n-1)-Q_G-0.025Q_UFy (4)

Q_FYF(t)＜0.001 (5)

其中，Q_FY(t)为当前时刻的测量值，Q_FY(n-1)为本次施用前的测量值，Q_FYF(t)＜0.001表示管网已经平衡，流量值基本为0。

进一步地，S3具体为：

在其他支路阀关断的情况下，只开启一路支路阀，并记录该支路阀开启的Q_FYF(n-1)，并以该时刻为起点Q_FYF-k(0)，其中-k表示第k支路，每隔50ms采集一次Q_FYF的实时测量值Q_FYF-k(t)，形成时序，时序的终点判据是满足式(6)与式(7)，式(6)与式(7)表示管网已经平衡，此时流量值基本为第k支路的滴灌流量预期Q_BFYF-k，

Q_FYF(t)＜1.05Q_BFYF-k (6)

γ_FYF-k＝(Q_FYF-k(t)-Q_FYF-k(t-1))/Q_FYF-k(t) (7)

Q_FYF-k(t)＝{Q_FYF-k(0)，Q_FYF-k(1)，...，Q_FYF-k(t)} (8)

进一步地，S4具体为：；

S4.1：Q_FYF-k(t)序列水流通过储水室(43)判断：

Q_FYF-k(t)序列分为两个：一个是当前采集的Q_FYF-k(t)序列，标记为Q_NFYF-(t)；另一个是设备安装调试过程中存储的标准时间序列Q_BFYF-k(t)序列，标记为Q_BFYF-k(t)，时间长度分别为t_N，t_B，

Q_NFYF-＝1-(Q_NFYF-k(t_N)-Q_NFYF-k(0))/(Q_BFYF-k(t_B)-Q_BFYF-k(0)) (11)

τ_NFYF-＝(t_N-t_B)/tB (12)

ε_NFYF-k(t)＝(Q_NFYF-k(t)-Q_NFYF-(t-1))/Q_NFYF-k(t) (13)

ε_BFYF-(t)＝(Q_BFYF-k(t)-Q_BFYF-(t-1))/Q_BFYF-k(t) (14)

当对应ε_NFYF-k(t)序列中存在连续两点或以上的时间序列均有ε_NFYF-k(t)≥0，可作将该连续的时间序列所对应的Q_NFYF-k(t)区间判断为上升沿区间；反之当对应ε_NFYF-(t)序列中存在连续两点或以上的时间序列均有ε_NFYF-(t)＜0，可作将该连续的时间序列所对应的Q_NFYF-(t)区间判断为下降沿区间；上升沿区间代表水流通过滴灌管接头，下降沿代表水流通过储水室。

当对应ε_BFYF-k(t)序列中存在连续两点或以上的时间序列均有ε_BFYF-k(t)≥0，可作将该连续的时间序列所对应的Q_BFYF-k(t)区间判断为上升沿区间；反之当对应ε_BFYF-(t)序列中存在连续两点或以上的时间序列均有ε_BFYF-k(t)＜0，可作将该连续的时间序列所对应的Q_BFYF-k(t)区间判断为下降沿区间；上升沿区间代表水流通过滴灌管接头，下降沿代表水流通过储水室。

τ_NFYF-k代表了整个Q_NFYF-k(t)序列与Q_BFYF-(t)序列的重叠度。

S4.2：Q_FYF-k(t)序列与Q_BFYF-k(t)序列的相似度判别

统计Q_NFYF-k(t)的下降沿区间数T_N-k，与Q_BFYF-k(t)序列的下降沿区间数T_B-k相比较，如果T_N-k≠T_B-k，判断Q_FYF-k(t)序列与Q_BFYF-k(t)序列不相似。

需要对管路进行监测；

对Q_NFYF-k(t)的下降沿区间进行分割获取Q_NFYF-k(t)序列的下降沿区间，从历史数据中获取Q_BFYF-k(t)序列的下降沿区间，用式(15)对Q_NFYF-k(t)序列的指定区间j进行流量统计Q_NFYF-k-j(t)，用式(16)对Q_BFYF-k(t)序列的指定区间j进行流量统计Q_BFYF-k-j(t)

Q_NFYF-k-j(t)＝∑_i∈i区间0.05Q_NFYF-k-j(i) (15)

Q_BFYF-k-j(t)＝∑_i∈j区间0.05Q_BFYF-k-j(i) (16)

Sim(k，j)＝1-abs(1-Q_NFYF-k-j(t)/Q_NFYF-k-j(t)) (17)

Sim(k，j)表示第k支路的第j个储水室充水的相似度，Sim(k，j)＞0.95表示该储水室的滴灌正常，无泄露与堵塞，否则该储水室需要进行检修。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著的优点：本发明采用相似度算法，对滴灌管路和每个滴灌储水室进行滴灌反馈检测，可以预警滴灌管路的每一条支路和每一个滴灌点，实现低成本的精确滴灌管理，每个滴灌点水肥可以精确到5％，并且可精确监视到每个固定的滴灌储水室。

附图说明

图1为本发明中滴灌装置示意图；

图2为本发明中水肥供给装置示意图；

图3为本发明中滴灌储水单元示意图；

图4为本发明中折线方式的管网连接。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

如图1所示，水肥滴灌装置由水肥供给装置1、滴灌支路阀2、控制器3、滴灌储水单元4、信号接收器5、云端服务器6、移动终端7组成，其中，移动终端可为APP上操作。水肥供给装置1将水肥充满滴灌管路；滴灌支路阀2用于控制每个滴灌储水单元4的灌溉量误差；控制器3用于控制水肥供给装置1、滴灌支路阀2，滴灌储水单元4是用于精准控制每株作物的水肥量，并且用于形成每株滴灌是否合适的判据；信号接收器5用于传递APP指令和显示参数与告警信息，云端服务器6用于存储数据和转发数据，移动终端7用于人机交互，传达精确水肥的控制方式。其中滴灌泵1、滴灌支路阀2、滴灌储水单元4按种植区域的实际按管网布置。控制器3与信号接收器5整体安装，用于现场调控。云端服务器6部署在云端与移动终端7进行通信。

如图2所示，水肥供给装置1由肥液流量测量装置10，带液位测量的肥罐11，供肥阀13，供肥隔离阀12，搅拌电机14，入水阀15，入水隔离阀16，带液位测量的水肥罐17，水肥隔离阀18，水肥泵19组成。带液位测量的肥罐11和水肥罐17安装在支架上；水肥隔离阀18，水肥泵19安装在水肥罐17的出口；供肥阀13，供肥隔离阀12安装在带液位测量的肥罐11和水肥罐17之间；搅拌电机14安装在水肥罐17的顶部，连接有一个搅拌叶片；入水阀15，入水隔离阀16安装在水肥罐17的侧部顶端；肥液流量测量装置10安装在公共管网的前端。

入水隔离阀16、供肥隔离阀12、水肥隔离阀18是用于管路检修隔离的，平时打开，检修时关断隔离。肥液测量装置171用于测量罐体的肥液量Q_FY，安装在水肥罐17的顶部，采用超声波测量液位，再转换为肥液量Q_FY，单位用L(升)。肥液流量测量装置10测量肥液的流量Q_FYF。带液位测量的肥罐11采用超声波液位测量装置111，可以测量肥罐的肥量Q_F。

如图3所示，滴灌储水单元4由支路接头41、支撑连接头42、储水室43、滴灌管接头44、滴灌管45和滴灌调节阀46组成。每两个滴灌储水单元4由支路管路47连接成水肥管网；由支撑管48连接成支持骨架，可以方便安装在横梁或者支持架上，形成水肥管网支撑，滴灌管接头44需要有足够的计算长度，才能形成每株滴灌的判据。

本实施案例的背景是60m×110m的蓝莓田，种植5500颗蓝莓，每100颗蓝莓共用一个滴灌支路阀，蓝莓在生长期的用肥3-10g每株每天，稀释比1:500。

1、水肥泵与管网直径选择

(1)每株用水量1.5L～5L，最多分10次滴灌完成，每次滴灌2h。则储水室容量设计为0.5L，则每水肥泵选择为：

株数×储水室容量×(1+水管网系数)＝100×0.5×1.25＝62.5L。

(2)充水速度为总滴灌时间的1/20，则第一个储水室最多比最末一个储水室多灌溉5％。

水肥泵流量＝灌溉量/(滴灌时间/误差许可系数)＝62.5L/(2/20)＝625kg/h。

选择800L/h的直流水泵4个，进出口口径均为14mm，分别控制14个滴灌支路阀(其中一个泵管理13个支路阀)。

2、管网布局

对水肥泵的流量曲线的相似率进行判别，用于判别泵与管路的特性。其主要原理是液体通过储水室和滴灌管接头时流量会波动，经过滴灌管接头时实时流量会减少，通过储水室时实时流量会增加，1个储水室通常在2S左右充满，要采集到流量的波动值，滴灌管接头必须具有足够的容积和管径。管径需要与主管网一致，容积需要在储水室的1/20左右，这样通过滴灌管接头时可以采集到2个左右瞬时流量值，经过储水室可以采集到40个左右瞬时流量值。

P_L是滴灌管接头的长度，V_U是储水室的容积，D是滴灌管接头的管径。

根据式(10)，储水室用14mm水管连接，最短长度为16cm，蓝莓种植的行间距远大于这个距离，因此实际按图4中的折线方式进行管网连接。

3、水肥罐设计

每单元灌溉62.5L，按400L罐体进行设计，罐体高度为800mm，水位仪表量程为0-1000mm，精度为0.1mm。则灌溉量测量误差为0.05L。

4、储水室容积波动误差设计

流量计采用精度为1％的涡轮流量计，量程为0.4L/S，储水室累积测量误差为0.014L，也就是可以测量到2.8％的储水室波动值。

5、肥罐设计

每次增肥量：400L/500＝0.8L。每天用每株肥量10g，整体用肥量55000g。液态肥可以用泵阀提供，也可以用60L肥罐提供。肥罐高度为800mm，肥位量程为0-1000mm，精度为0.1mm，则用肥量测量误差为0.0075L，每次用肥的误差为0.01％。

6、肥液控制流程

第一步：通过APP设定当天每株的用肥量Q_UF，APP将用肥量Q_UF存储在云端服务器，并通过4G路由下载至边缘控制器。

第二步：计算当天总肥液量Q_TFY

Q_TFY＝2750Q_UF (18)

第三步：当天的单元水肥施用次数N_F即每株的用肥量Q_UF，判断当天的水肥施用次数是否已经满足，且55个支路均已完成N_F次水肥施用。如未完成则进行第四步。第四步：当肥液罐液位低于100mm，关闭水肥泵，开启搅拌电机。按式(1)计算800mm需要补充的ΔQ_F，入水阀开启将水量补充至800mm，关闭入水阀。供肥阀开启，肥罐供肥量达到ΔQ_F关闭供肥阀，延时一分钟后关闭搅拌电机。

第五步，分别依次按序号问询4个水泵的14个支路阀是否已经完成N_F次水肥施用，如果没有完成，则开启水泵。

第六步，判断水网充满，根据在所有滴灌支路阀在关闭的状态下，当前肥液量Q_FY的测量值Q_FY(t)值近似等于(4)式计算的Q_F(n)，并且Q_FYF(t)值连续五次采集值满足不等式(5)，表示水网充满。分别开启各个水泵当前序号支路阀。

第七步，记录各个水泵当前序号为k支路阀Q_FYF-k(t)的瞬时流量序列，并且按式(15)、(16)、(17)判断支路阀的各个滴灌点是否正常。如果调试阶段则直接存储该流量序列信息。

第八步，支路管网充满判定。支路管网充满的终点判据是满足式(6)与式(7)。满足式(6)与式(7)可以认为管网已经平衡。

第九步，回到第四步，直到当天所有支路阀的滴灌任务结束。

第十步，如果没有参比Q_BYF-k(t)，则通过曲线观察该Q_FYF(t)曲线是否合适，如果合适则作为调试的参比Q_BYF-k(t)。

Claims (1)

1.一种水肥滴灌装置渗漏状态的诊断方法，其特征在于，水肥滴灌装置包括用于将水肥充满滴灌管路的水肥供给装置(1)、用于控制每株作物水肥量的滴灌储水单元(4)，用于控制滴灌储水单元(4)的灌溉量误差的滴灌支路阀(2)、用于滴灌装置精度调控的控制器(3)和信号接收器(5)，以及用于远端调控的云端服务器(6)和移动终端(7)；所述水肥供给装置(1)的出口与滴灌支路阀(2)的进口相连，所述滴灌支路阀(2)的出口与若干相串联的滴灌储水单元(4)的总进口相连，所述控制器(3)用于控制水肥供给装置(1)、滴灌支路阀(2)的阀门开合，所述控制器(3)、信号接收器(5)与云端服务器(6)和移动终端(7)信号连接；水肥供给装置(1)包括带液位测量的肥罐(11)、供肥隔离阀(12)、入水阀(15)、水肥罐(17)、水肥泵(19)，入水阀(15)安装在水肥罐(17)的侧部顶端，供肥隔离阀(12)安装在带液位测量的肥罐(11)和水肥罐(17)之间，水肥泵(19)安装在水肥罐(17)的出口；滴灌储水单元(4)包括滴灌管接头(44)、滴灌储水室(43)和滴灌管(45)，滴灌管接头(44)连通储水室(43)和滴灌管，每两个滴灌储水单元(4)由支路管路(47)连接成水肥管网；

其中，渗漏状态的诊断步骤包括：

S1：水肥的肥施用比例控制；

S2：水肥主管网的充满；

S3：支路管网的充满；

S4：对滴灌管路和每个滴灌储水室(43)进行滴灌反馈检测，对水肥泵的流量曲线的相似率进行判别，

所述S1具体为：

ΔQ_F(n)＝Q_UFY(n)*γ_FY(n)-Q_RFY(n-1)*γ_FY(n-1) (I)

Q_F(n)＝Q_F(n-1)-ΔQ_F(n) (II)

其中，(n)表示肥量控制的当次时刻，(n-1)表示肥量控制的上一时刻，Q_UFY表示单次施用肥液量，γ_FY表示肥液所需浓度，Q_RFY表示水肥罐(17)内剩余肥液，QF表示肥罐(11)的肥量，ΔQ_F(n)表示需要加入的肥量，Q_UFY(n)表示肥液量Q_FY测量装置在本次供肥液关断入水阀(15)的测量值；

所述S2具体为：

其中，D为主管网的内径，单位为m，L是管网主管路的总长度，单位为mm，在所有滴灌支路阀(2)关闭的状态下，当前肥液量Q_FY的测量值Q_FY(t)值近似等于(IV)式计算的QF(n)，并且肥液的流量Q_FYF(t)值连续五次采集值满足不等式(V)，表示主管网充满；

Q_FY(t)＝Q_FY(n-1)-Q_G-0.025Q_UFY (IV)

Q_FYF(t)＜0.001 (V)

其中，Q_FY(t)为当前时刻的测量值，Q_FY(n-1)为本次施用前的测量值，Q_FYF(t)＜0.001表示主管网已经平衡，流量值基本为0；

所述S3具体为：

在其他支路阀关断的情况下，只开启一路支路阀，并记录该支路阀开启的Q_FYF(n-1)，并以该时刻为起点Q_FYF-k(0)，其中-k表示第k支路，每隔50ms采集一次Q_FYF的实时测量值Q_FYF-k(t)，形成时序，时序的终点判据是满足式(VI)与式(IIV)，式(VI)与式(IIV)表示管网已经平衡，此时流量值基本为第k支路的滴灌流量预期Q_BFYF-，

Q_FYF(t)＜1.05Q_BFYF-k (VI)

γ_FYF-k＝(Q_FYF-k(t)-Q_FYF-k(t-1))/Q_FYF-(t) (VII)

Q_FYF-k(t)＝{Q_FYF-k(0)，Q_FYF-k(1)，...，Q_FYF-k(t)} (VIII)；

所述S4具体为：

S4.1：Q_FYF-k(t)序列水流通过储水室(43)判断：

Q_FYF-k(t)序列分为两个：一个是当前采集的Q_FYF-k(t)序列，标记为Q_NFYF-(t)；另一个是设备安装调试过程中存储的标准时间序列Q_BFYF-(t)序列，标记为Q_BFYF-k(t)，时间长度分别为t_N，t_B，

Q_NFYF-k＝1-(Q_NFYF-(t_N)-Q_NFYF-(0))/(Q_BFYF-(t_B)-Q_BFYF-(0)) (XI)

τ_NFYF-k＝(t_N-t_B)/t_B (XII)

ε_NFYF-k(t)＝(Q_NFYF(t)-Q_NFYF-k(t-1))/Q_NFYF-k(t)(XIII)

ε_BFYF-(t)＝(Q_BFYF-k(t)-Q_BFYF-(t-1))/Q_BFYF-(t)(XIV)

当对应ε_NFYF-k(t)序列中存在连续两点或以上的时间序列均有ε_NFYF-k(t)≥0，将该连续的时间序列所对应的Q_NFYF-k(t)区间判断为上升沿区间；反之当对应ε_NFYF-k(t)序列中存在连续两点或以上的时间序列均有ε_NFYF-k(t)＜0，将该连续的时间序列所对应的Q_NFYF-(t)区间判断为下降沿区间；上升沿区间代表水流通过滴灌管接头，下降沿代表水流通过储水室；

当对应ε_BFYF-(t)序列中存在连续两点或以上的时间序列均有ε_BFYF-(t)≥0，将该连续的时间序列所对应的Q_BFYF-k(t)区间判断为上升沿区间；反之当对应ε_BFYF-k(t)序列中存在连续两点或以上的时间序列均有ε_BFYF-(t)＜0，将该连续的时间序列所对应的Q_BFYF-(t)区间判断为下降沿区间；上升沿区间代表水流通过滴灌管接头，下降沿代表水流通过储水室；

τ_NFYF-代表了整个Q_NFYF-k(t)序列与Q_BFYF-k(t)序列的重叠度；

S4.2：Q_FYF-k(t)序列与Q_BFYF-k(t)序列的相似度判别：

统计Q_NFYF-k(t)的下降沿区间数T_N-k，与Q_BFY(t)序列的下降沿区间数T_B-k相比较，如果T_N-k≠T_B-k，判断Q_FYF-k(t)序列与Q_BFYF-k(t)序列不相似，需要对管路进行监测；

对Q_NFYF-k(t)的下降沿区间进行分割获取Q_NFY(t)序列的下降沿区间，从历史数据中获取Q_BFYF-k(t)序列的下降沿区间，用式(XV)对Q_NFYF-(t)序列的指定区间j进行流量统计Q_NFYF-k-j(t)，用式(XVI)对Q_BFY(t)序列的指定区间j进行流量统计Q_BFYF-k-j(t)

Q_NFYF-k-j(t)＝∑_i∈j区间0.05Q_NFYF-k-j(i) (XV)

Q_BFYF-k-j(t)＝∑_i∈j区间0.05Q_BFYF-k-j(i) (XVI)

Sim(k，j)＝1-abs(1-Q_NFYF-k-j(t)/Q_NFYF-k-j(t)) (XVII)

Sim(k，j)表示第k支路的第j个储水室充水的相似度，Sim(k，j)＞0.95表示该储水室的滴灌正常，无泄露与堵塞，否则该储水室需要进行检修。

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