【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及智慧农业水利，特别涉及基于数字孪生驱动的节水灌溉智能调控系统及其方法。
技术介绍
1、当前的农田灌溉系统在实现节水和水肥利用方面存在挑战。传统的灌溉方法通常不够智能化，灌溉的效率较低，往往导致浪费水资源和肥料。因此，需要一套更智能的系统来提高农田灌溉的效率，并降低资源浪费。
2、传统农田灌溉系统通常依赖于预定的时间表和经验，而未能根据实际需求进行动态调整。这导致了水资源的浪费，尤其是在干旱地区，水资源变得更加宝贵。此外，过量的肥料使用也可能导致环境问题和资源浪费。
3、节水灌溉工程是通过采用先进适用的节水技术、设备和工艺等措施，实现农田灌溉用水有效利用。为达到科学灌溉、精准灌溉之目的，需要大力发展节水产业和技术，推进农业节水，实施全社会节水行动，推动用水方式由粗放向节约集约转变。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种基于数字孪生驱动的节水灌溉智能调控系统，解决精准灌溉施肥的问题，避免依赖于固定时间表和经验造成水资源和肥料的浪费。
2、为实现上述目的，本专利技术的基于数字孪生驱动的节水灌溉智能调控系统包括节水灌溉调控物理系统和节水灌溉调控孪生虚拟系统；
3、节水灌溉调控物理系统包括工控计算机，工控计算机连接有plc，工控计算机内存储有时间序列预测模型和所述节水灌溉调控孪生虚拟系统，plc通过dts解调仪连接有碳纤维内加热光缆，碳纤维内加热光缆呈网格状布置在预定农田地块的土壤内的预定平面位置和预定深度，碳纤维内加热
4、plc连接有灌溉用水泵，预定农田地块设有灌溉设备，水泵的出水端连接有溶药容器，溶药容器高于灌溉设备并与灌溉设备相连接，水泵的进水端与水源相接，
5、节水灌溉调控孪生虚拟系统中存储有节水灌溉调控物理系统的各项信息，包括但不限于农田地块的地理位置信息和形状大小信息、碳纤维内加热光缆的平面位置信息和深度信息、水泵的位置和工作参数信息以及工控计算机根据以上信息构建的虚拟场景信息。
6、时间序列预测模型采用eemd-lstm网络模型，根据土壤的温度、湿度、热导率、含水率和渗透率和农田地块的农作物信息，预测灌溉用水量和用肥量。
7、预定农田地块一侧作为主灌溉区且另一侧作为备用灌溉区。
8、工控计算机内存储有小生境遗传算法，小生境遗传算法用来根据时间序列预测模型预测的用水量和用肥量，生成灌溉和施肥规则。
9、本专利技术还公开了上述基于数字孪生驱动的节水灌溉智能调控系统的使用方法，按以下步骤进行：
10、第一步骤是安装步骤；
11、在预定农田地块安装基于数字孪生驱动的节水灌溉智能调控系统；
12、第二步骤是工控计算机通过网格状布置的碳纤维内加热光缆实时采集农田地块的土壤信息，包括但不限于土壤的温度、湿度、热导率、含水率和渗透率；
13、第三步骤是预测预定农田地块的用水量和用肥量；
14、时间序列预测模型根据碳纤维内加热光缆实时采集的农田地块的土壤信息，计算出预定农田地块的用水量和用肥量，并根据实时更新的预定农田地块的土壤信息不断更新预测结果；
15、第四步骤是工控计算机根据农田地块的土壤信息以及预测的用水量和用肥量信息，实时更新节水灌溉调控孪生虚拟系统；
16、第五步骤是提高土壤渗透率及制定施肥与灌溉一体化工作计划；
17、工控计算机实时监控节水灌溉调控孪生虚拟系统中的实时土壤温度信息和土壤含水率信息；如果土壤温度低于20℃，则通过碳纤维内加热光缆将土壤温度加热至30℃后停止加热，以提高土壤渗透率；
18、如果土壤含水率超过既定阈值范围，则调用小生境遗传算法生成的灌溉和施肥规则，作为施肥与灌溉一体化工作计划；土壤含水率的所述既定阈值范围是10%—30%；
19、工控计算机在节水灌溉调控孪生虚拟系统中构建的虚拟场景信息中实时更新碳纤维内加热光缆的加热状态、实时的土壤温度以及最新的施肥与灌溉一体化工作计划；
20、工作人员在本地直接访问工控计算机或者在远程通过无线通讯远程访问工控计算机，调阅节水灌溉调控孪生虚拟系统的各项信息；
21、第六步骤是灌溉与施肥；
22、启动水泵，根据预测的用肥量，工作人员逐渐将肥料溶入溶药容器，含肥水通过灌溉设备流入预定农田地块；在此过程中，工控计算机实时更新农田土壤的温度、湿度、热导率、含水率和渗透率等信息，工作人员通过节水灌溉调控孪生虚拟系统实时监控土壤信息，当土壤信息达到预定状态时，关闭水泵，停止灌溉。
23、本专利技术具有如下的优点：
24、本专利技术提供了一种基于数字孪生驱动的节水灌溉智能调控系统及方法，利用网格状布置在农田地块中的碳纤维内加热光缆实时监测土壤的各种参数，包括土壤湿度、温度、热导率和含水率等。此外，系统还使用虚拟数字孪生模型来模拟农田的湿度、温度、热导率和含水率分布情况。基于传感器数据和虚拟模型，方便工作人员实时掌握整体情况，通过系统可以实时调整灌溉和施肥的策略，以确保最佳的水肥利用效率。
25、本专利技术根据节水灌溉调控物理系统的信息，构建出虚拟场景方便使用者直观地掌握各项传感参数以及调控参数，使用者通过无线通讯可以远程掌握节水灌溉调控物理系统的各项信息，通过节水灌溉调控孪生虚拟系统控制节水灌溉调控物理系统调节相应的灌溉策略和灌溉参数，相比以往无法动态调节，只能依赖于预定的时间表和经验来决定灌溉策略和灌溉参数，节约了水资源和肥料用量。
26、低温下土壤容易板结，低于零度时还会冻结，总之低温下土壤渗透率自然也较低。本专利技术采用碳纤维内加热光缆布置在土壤中，能够通过加热土壤提高土壤的渗透率，有利于提高农作物的水肥实际利用率，进而节约水资源和肥料。
27、碳纤维内加热光缆虽然是现有技术，但其加热具有的本来技术意义，不在于提高农田土壤渗透率，而在于保障碳纤维内加热光缆本身工作的稳定性；本专利技术用来布置在农田土壤中，而非光缆通常布置的稳定地层，通过加热提高农田土壤渗透率（提高渗透率对农田土壤有意义，对于非农田的稳定地层没有意义），是对碳纤维内加热光缆使用场合及用途的创新，本专利技术中碳纤维内加热光缆的加热技术的意义，不同于普通加热光缆的技术意义。
28、土壤温度也非越高越好，因为农田里土壤温度过程不利于农作物的生长，甚至可能直接杀死农作物的根系或种子。申请人经深入思考并经试验，将加热土壤所达到的目标温度定为20℃至40℃，既有明显的提高渗透率的作用，又不构成对农作物的热伤害。
29、通过划分主灌溉区和备用灌溉区，可以根据土壤类型、农作物需求等因素进行合理的灌溉安排，从而提高灌溉的效率和水资源利用率。本专利技术以碳纤维内加热光纤监测农田土壤信息为驱动，借助孪生数据作为桥梁，完本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于数字孪生驱动的节水灌溉智能调控系统，其特征在于：包括节水灌溉调控物理系统和节水灌溉调控孪生虚拟系统；
2.根据权利要求1所述的基于数字孪生驱动的节水灌溉智能调控系统，其特征在于：时间序列预测模型采用EEMD-LSTM网络模型，根据土壤的温度、湿度、热导率、含水率和渗透率和农田地块的农作物信息，预测灌溉用水量和用肥量。
3.根据权利要求1所述的基于数字孪生驱动的节水灌溉智能调控系统及方法，其特征在于：预定农田地块一侧作为主灌溉区且另一侧作为备用灌溉区。
4.根据权利要求1所述的基于数字孪生驱动的节水灌溉智能调控系统，其特征在于：工控计算机内存储有小生境遗传算法，小生境遗传算法用来根据时间序列预测模型预测的用水量和用肥量，生成灌溉和施肥规则。
5.权利要求4中所述基于数字孪生驱动的节水灌溉智能调控系统的使用方法，其特征在于按以下步骤进行：
【技术特征摘要】
1.基于数字孪生驱动的节水灌溉智能调控系统，其特征在于：包括节水灌溉调控物理系统和节水灌溉调控孪生虚拟系统；
2.根据权利要求1所述的基于数字孪生驱动的节水灌溉智能调控系统，其特征在于：时间序列预测模型采用eemd-lstm网络模型，根据土壤的温度、湿度、热导率、含水率和渗透率和农田地块的农作物信息，预测灌溉用水量和用肥量。
3.根据权利要求1所述的基于数字孪生驱动的节水灌...
【专利技术属性】
技术研发人员：欧阳一博，赵辰，巴清林，赵敏，张翼，刘鑫，王龙占，耿艳，雷雨，雷向阳，杜纪刚，王相谦，刘元元，郭苑，王利娟，傅珩，范佳懿，李冰宇，陈亿飞，宗振涛，
申请(专利权)人：河南水利与环境职业学院，
类型：发明
国别省市：
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