2021-4-9 | 水利设施论文
作者：刘磊安 闫大顺 洪棉煜 单位：仲恺农业工程学院计算机科学与工程学院
近年来，我国频繁发生的严重水旱灾害造成了重大生命财产损失，暴露出我国水利设施基础十分薄弱，农田水利建设严重落后。这些问题势必影响到经济发展和社会稳定，我国必须大力加强水利建设。2011年中央推出了《关于加快水利改革发展的决定》一号文件，为我国的水利建设跨越式发展奠定了政策基础，这将是二十世纪五六十年代农田水利建设之后的第二个高潮。农田水利建设是一个投资大、建设周期长的项目，改革开放的三十年经济发展也为新的水利建设奠定了物质基础。随着国家、省、市政府的投资加大，势必建成各种类型农田水利设施，配合已有的农田水利工程来调节、改善农田水分状况和地区水利条件，提高抵御天灾的能力，促进生态环境的良性循环，使之有利于农作物的生产。把无线射频识别技术（RFID，RadioFrequencyIdentification）引入到农田水利设施之中，充分利用地理信息系统（GIS，Geo-graphicInformationSystem）等现代技术实施综合性的农田水利设施管理和维护，实现了水利工程管理的便利性和高效性，同时也可以提高农业水资源的使用效率，为农业的可持续化发展奠定基础。
1农田水利设施管理之困境
农田水利主要是发展灌溉排水系统，调节农田地区水情，改善农田水分状况，防治旱、涝、盐、碱等灾害，以促进农业稳产、高产的综合性科学技术。农田水利在国外一般称为灌溉和排水（IrrigationandDrainage），与农业发展有密切的关系，农业生产的成败在很大程度上决定于农田水利事业的兴衰。随着新中国的成立，农田水利建设工程多、工程大且分布广，全国性地投入了大量的人、财、物等资源，建设了很多影响深远的水利设施，有力地保证了新中国的农业生产。二十世纪的五十年代和六十年代是第一个农田水利建设的高峰期；七十年代的文革时期由于物资匮乏，水利建设处于停顿时期；八十年代开始经济建设，农村实施家庭联产承包责任制，对国家对农田水利建设的投入不足，这种情况一直延续到20世纪末；2000年以后，国家逐步加大了水利建设，如三峡水电站、南水北调等国家级水利工程，但是对灌溉区的农田水利工程建设的投资不足。我国农田水利的投资是国家形式的政府行为，集体和个人投资非常少，从而致使沟渠到田间地头的最后一两公里的水利设施严重不足，给现在的农田生产带来了极大的影响。在国家的十二五规划中提出，必须增强灌区末级渠系建设、田间工程配套以及五小水利工程建设，这样农田水利设施数量将大规模增加。
农田水利设施随着逐年的建设，累计下来的设施数量也是巨大的；这些水利设施建设年代不同、老化不一，发挥的效用也都不同。如何有效管理和维护数量巨大的农田水利设施已经成为当前关注的重点。我国农田水利是公共设施，为所在的农田生产进行整体性服务，具有很强的公共性。我国农田水利设施的管理和维护比较落后，同时农田水利设施归属所在地行政部门和流域水利部门的交叉管理，致使很多农田水利设施不能得到及时的管理和维护，许多新建的水利设施没有得到及时的管护而不能发挥作用，大大缩短了设施的使用寿命，损坏的设施也不能及时发挥农田水利设施的效用，使农田生产得不到保障。另外，农田水利设施分布区域广较广，很多设施在偏远的地方，而且数量非常庞大，为其管理和维护带来巨大的困难。
2嵌入RFID的农田水利设施
RFID是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预。RFID技术具有防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、存储数据容量更大、存储信息更改自如等优点。RFID是一种简单的无线系统，只有两个基本器件，即电子标签和读写器，系统用于控制、检测和跟踪物体。RFID标签中的存储空间通常为64、96、154位甚至更多，能够存储物体编码及其他信息，标签可以不用电源。读写器是RFID系统中最重要的基础设施，是对RFID标签进行读/写操作的设备，当RFID标签进入读写器的作用区域，就可以根据电感耦合原理或电磁反向散射耦合原理，在标签芯片通路中形成微弱电流，将激活RFID标签芯片电路工作，基本处理单元对标签芯片中的存储器进行读/写操作，并通过微弱电磁信号与读写器进行数据通信。对农田水利设施进行统一的编码，使每个设施都有一个惟一的编码，把此编码写入RFID标签，同时把设施的状态信息也写入标签中，在标签的表面印刷所代表设施的编码、名称和位置信息，把制作好的RFID标签嵌入到每一个相应的水利设施之中。随着IT技术的发展，RFID读写器可以集成到手持式计算机中，形成可以移动的读写RFID标签信息的设备，即农田水利监测器。它完成某个区域内RFID标签的读写，同时能够根据水利设施编码和状态等从移动数据库调出设施的名称、行政区域位置、创建时间、负责人信息、维护资料、设施维修状态以及相关的数据图像等信息，并能够根据当前情况记录新的信息。
农田水利设施的检查人员可以使用监测器对某个区域的水利设施进行检查。由于RFID只能实现几厘米到几十厘米的通信距离，要求检查人员必须亲自到水利设施所在地才能读写嵌入的RFID标签，能防检查人员作假，同时能够使管理人员和决策人员掌握真正的设施状态，避免发生旱涝灾害时这些设施不能发挥出效用。另外，也能够对不能正常工作的、损坏的水利设施进行及时维护，大大提高水利设施的使用年限。通过巡查水利设施，还能够掌握比较详尽的设施维护信息，并可以对需要维护的水利设施进行分类，大大提高维护的效率，节省维护的费用。农田水利监测器是嵌入式设备，人机界面、运算速度、存储容量都是有限的，只能存储某个区域要管理和检查的水利设施资料。为此需要建立整个行政区域或者整个大面积农田的水利设施管理和维护系统作为支撑平台，可通过高性能的服务器、巨量的存储系统和快速网络系统设施整个区域的管理。管护系统能够做出水利设施巡查的方案，按照巡查的区域把相应的信息通过以太网、无线局域网等下载到农田水利监测器中，让检查人员进行指定区域的检查。基于嵌入RFID的农田水利管护系统如附图所示。
3基于GIS农田水利设施管护系统
嵌入式RFID的农田水利设施管护系统是以水利设施惟一的RFID标签信息进行标识，依赖设施所处的位置进行列表管理，虽然可以提高效率，但对于农田进行基于农田区域管理才是最为方便的形式，特别是结合地图则更加有效。系统把GIS技术作为基础，整合了点、线、面的空间资料与专题资料，重新构建了农田水利设施管护系统，管理者和决策者可以快速了解某一个区域内农田水利信息资料，掌握农田水利设施的运行情况和故障情况，决定设备巡检的区域和水利设施维护的路径，从而大大提高管理的便捷性和效率。系统基于ARCGIS实施了空间数据的管理，水利设施的资料管理则采用了数据库Oracle，它的spa-tial模块专门用于空间信息的存储，包括空间数据和属性数据。为了方便系统数据的查询和传输，对于空间数据采用面向对象的存储方法，属性数据采用面向关系的存储方法。