一种基于数字孪生技术的智慧灌区系统

技术领域

本发明涉及智慧灌区技术领域，具体涉及一种基于数字孪生技术的智慧灌区系统。

背景技术

数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。

灌区是指有可靠水源和引、输、配水渠道系统和相应排水沟道的灌溉区域，现有灌区监控管理系统，可实现远程对灌区的灌溉进行监测和控制，然而还缺乏对控制模块监控的手段，不能保证下达的指令控制模块能够正常精准的执行，并及时判断出控制模块或灌区系统出现异常。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于数字孪生技术的智慧灌区系统，以解决现有技术中的上述不足之处。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于数字孪生技术的智慧灌区系统，包括储水监控单元、土地监控单元、异常预警单元、智能控制单元；所述储水监控单元用于监测蓄水池水位和闸门状态，并用于控制闸门开关；所述土地监控单元用于监测灌区土地的含水量、水位，并用于监测水渠水位和排水口的出水量，控制水渠的水流走向和排水口的开关；所述异常预警单元用于根据储水监控单元和土地监控单元的监测数据判断蓄水池的水位、闸门，土地的含水量、水位，水渠和排水口是否出现异常，并进行相应提醒；所述智能控制单元用于根据目标土地种植的产品以及土地监控单元监测的相应位置的土地含水量和水位，控制闸门开关、开度，水渠的水流走向，排水口开关，对目标土地进行相应的灌溉。

进一步的，所述储水监控单元包括蓄水水位监测模块、闸门监测模块、闸门控制模块；所述蓄水水位监测模块用于实时监测蓄水池的水位、蓄水量；所述闸门监测模块有多个，用于分别监测各闸门的开度和排水量；所述闸门控制模块有多个，用于分别控制各闸门开度。

进一步的，所述土地监控单元包括土地含水量监测模块、土地水位监测模块、水渠水量监测模块、水渠排水口监测模块、水渠流向控制模块、排水口控制模块；所述土地含水量监测模块有多个，分别布置在灌区的不同位置，用于分别监测灌区不同位置的土地含水量；所述土地水位监测模块有多个，分别布置在灌区的不同位置，用于分别监测灌区不同位置的土地的水位；所述水渠水量监测模块和水渠流向控制模块分别有多个，所述水渠水量监测模块设置在水渠的不同位置，用于监测水渠不同位置的水位，水渠流向控制模块设置在水渠的设置有岔道的位置，用于控制水流流向的岔道；所述水渠排水口监测模块和排水口控制模块分别有多个，分别设置在排水口处，分别用于监测排水口的排水量，和控制排水口开度。

进一步的，所述异常预警单元包括蓄水水位异常检测模块、闸门异常检测模块、土地含水量水位异常检测模块、水渠水量异常检测模块、排水口异常检测模块；所述蓄水水位异常检测模块用于根据闸门开度和蓄水池水位变化情况，判断蓄水池水位是否异常，是否存在异常漏水；所述土地含水量水位异常检测模块用于判断土地的含水量和水位变化情况是否存在异常；所述水渠水量异常检测模块用于根据对比需要浇灌的目标土地所需要的流水水渠与实际流水的水渠，判断水渠流向控制模块是否异常；排水口异常检测模块用于对比排水口的排水量与排水口开度是否匹配，判断排水口控制模块是否异常。

进一步的，所述智能控制单元包括数据库模块、人工输入模块、逻辑判断模块、控制模块；所述数据库模块用于储存灌区各片土地种植的产品的种类和相应的各阶段最佳土地含水量或水位区间；所述人工输入模块用于人工输入种植的土地的位置、种植的产品的种类、种植的时间；所述逻辑判断模块用于根据土地种植的产品情况和土地的含水量、水位情况，与控制模块配合控制闸门控制模块、水渠流向控制模块、排水口控制模块对闸门开度、水渠水流流向、排水口开度进行控制，控制土地含水量或水位达到其种植的产品的最佳区间。

进一步的，所述人工输入模块还可人工输入种植产品的各阶段时间长度，以及相应的最佳土地含水量或水位区间。

与现有技术相比，本发明提供的一种基于数字孪生技术的智慧灌区系统，通过设置储水监控单元、土地监控单元、异常预警单元，对蓄水池的水位，闸门开度及排水量，水渠的水位及水流方向，排水口的开度及排水量进行监测，并进行数据对比，判断出蓄水池、水渠、排水口及相关控制模块是否出现异常，方便及时检修，减小损失，保证系统命令执行的精确性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的系统结构框图。

附图标记说明：

1、储水监控单元；11、蓄水水位监测模块；12、闸门监测模块；13、闸门控制模块；

2、土地监控单元；21、土地含水量监测模块；22、土地水位监测模块；23、水渠水量监测模块；24、水渠排水口监测模块；25、水渠流向控制模块；26、排水口控制模块；

3、异常预警单元；31、蓄水水位异常检测模块；32、闸门异常检测模块；33、土地含水量水位异常检测模块；34、水渠水量异常检测模块；35、排水口异常检测模块；

4、智能控制单元；41、数据库模块；42、人工输入模块；43、逻辑判断模块；44、控制模块。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1，一种基于数字孪生技术的智慧灌区系统，包括储水监控单元1、土地监控单元2、异常预警单元3、智能控制单元4；

储水监控单元1用于监测蓄水池水位和闸门状态，并用于控制闸门开关；储水监控单元1包括蓄水水位监测模块11、闸门监测模块12、闸门控制模块13；蓄水水位监测模块11用于实时监测蓄水池的水位、蓄水量，通过预先输入水池的横截面面积，和监测到的水位高度计算出蓄水池的蓄水量；闸门监测模块12有多个，与闸门一一对应，用于分别监测各闸门的开度和排水量，闸门开度为零时表示闸门关闭，开度为百分之一百表示闸门完全开启；闸门控制模块13有多个，与闸门一一对应，用于分别控制各闸门开度，即控制闸门开关，并可将闸门停在需要的开度，从而达到控制排水量的效果。

土地监控单元2用于监测灌区土地的含水量、水位，并用于监测水渠水位和排水口的出水量，控制水渠的水流走向和排水口的开关；土地监控单元2包括土地含水量监测模块21、土地水位监测模块22、水渠水量监测模块23、水渠排水口监测模块24、水渠流向控制模块25、排水口控制模块26。

土地含水量监测模块21有多个，分别布置在灌区的不同位置，用于分别监测灌区不同位置的土地含水量，优选的，土地含水量监测模块21在灌区内均匀布置；土地水位监测模块22有多个，分别布置在灌区的不同位置，其布置在作物需要水漫出土壤的土地，如种植水稻的土地，用于分别监测灌区不同位置的土地的水位。

水渠水量监测模块23和水渠流向控制模块25分别有多个，水渠水量监测模块23设置在水渠的不同位置，用于监测水渠不同位置的水位，水渠流向控制模块25设置在水渠的设置有岔道的位置，用于控制水流流向的岔道，其中水渠可为露天式的沟渠或封闭式的管道，水渠流向控制模块25设置在水渠的交叉连接处，用于控制上流位置的水渠与哪一个或几个下流位置的水渠连通，从而达到控制水流方向的效果。

水渠排水口监测模块24和排水口控制模块26分别有多个，分别设置在排水口处，水渠排水口监测模块24和排水口控制模块26与排水口一一对应，排水口固定连接在水渠上与水渠连通，用于将水渠内的水排向土地，分别用于监测排水口的排水量，和控制排水口开度。

异常预警单元3用于根据储水监控单元1和土地监控单元2的监测数据判断蓄水池的水位、闸门，土地的含水量、水位，水渠和排水口是否出现异常，并进行相应提醒；异常预警单元3包括蓄水水位异常检测模块31、闸门异常检测模块32、土地含水量水位异常检测模块33、水渠水量异常检测模块34、排水口异常检测模块35。

蓄水水位异常检测模块31用于根据闸门开度和蓄水池水位变化情况，判断蓄水池水位是否异常，是否存在异常漏水，例如预设误差系数k，水位下降的量大于闸门排水的量，且其差值的绝对值比蓄水池的最大蓄水量大于k时，判断蓄水池水位异常，闸门开度与蓄水池排水量不匹配时判断闸门异常，蓄水池水位低于预设的水位最低值时判断水位异常，并触发蓄水池蓄水量过低预警。

土地含水量水位异常检测模块33用于判断土地的含水量和水位变化情况是否存在异常，预设土地含水量和水位正常变化速度区间，当根据监测到的土地含水量和水位值计算出的变化速度超出预设的区间时，触发土地的含水量、水位异常预警。

水渠水量异常检测模块34用于根据对比需要浇灌的目标土地所需要的流水水渠与实际流水的水渠，判断水渠流向控制模块25是否异常；排水口异常检测模块35用于对比排水口的排水量与排水口开度是否匹配，判断排水口控制模块26是否异常。

智能控制单元4用于根据目标土地种植的产品以及土地监控单元2监测的相应位置的土地含水量和水位，控制闸门开关、开度，水渠的水流走向，排水口开关，对目标土地进行相应的灌溉。智能控制单元4包括数据库模块41、人工输入模块42、逻辑判断模块43、控制模块44。

数据库模块41用于储存灌区各片土地种植的产品的种类和相应的各阶段最佳土地含水量或水位区间；

人工输入模块42用于人工输入种植的土地的位置、种植的产品的种类、种植的时间；人工输入模块42还可人工输入种植产品的各阶段时间长度，以及相应的最佳土地含水量或水位区间。

逻辑判断模块43用于根据土地种植的产品情况和土地的含水量、水位情况，与控制模块44配合控制闸门控制模块13、水渠流向控制模块25、排水口控制模块26对闸门开度、水渠水流流向、排水口开度进行控制，控制土地含水量或水位达到其种植的产品的最佳区间。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。