用泵电流与土壤张力验证小农灌溉是否“多抽少到”

1 · 创新命题

中 面向使用小型电泵、没有流量计的温室/社区农场，把非侵入电流夹和两个经标定的土壤张力计装到现有系统上， 识别“泵已运行但根区含水状态未响应”的时段，区分空转、旁路泄漏或过浅灌水的巡检优先级，而不声称凭电流精确计水。 EN A retrofit current-and-soil-tension logger for small farms that flags pump-on periods with no root-zone response, turning invisible conveyance or application loss into a ranked inspection cue.

2 · 背景与空白

智能灌溉控制器如 Rachio 面向住宅定时，Arable/CropX 等提供更完整农业监测（具体功能与价格需核实）；泵能耗审计 与土壤水势监测各自成熟。廉价电流夹能识别泵状态，却不能直接给流量；电容土壤水分传感器受盐分和土质影响大。 空白在：用“能量输入发生、根区响应缺席”的配对证据做异常筛查，并量化不同土质/灌水方式下的延迟边界。 本题不做自动开泵，避免一次误判伤害作物；只输出人工复核提示。

3 · 可检验假设

H1 在受控滴灌台架的正常、旁路泄漏、吸空和浅层径流四状态中，联合判据对“泵开但根区无响应”召回 ≥ 0.90、 精确率 ≥ 0.85，且比仅看泵电流的基线 PR-AUC 提高 ≥ 0.20。H2（采纳）异常排名让操作者找到故障的中位时间 降低 ≥ 30%；英文原句：The system does not guess litres from amperes; it asks whether pumping produced the expected root-zone response.

4 · 量化验收标准

1. 【方法学校验 · 硬门槛】 用自建记录链复现 ≥ 20 个钳形功率计与称重灌水的公开/已知标定点， 泵启停识别一致率 ≥ 95%，张力计对已知水柱偏差 ≤ 5%。此条不过，后续全部结论无效。
2. 两种土壤 ×4 状态 ×3 泵工况，每格 ≥ 5 次；故障标签由阀位与称重真值给出，不由算法自标。
3. 极不平衡现场任务报 PR-AUC、召回、精确率和每灌溉周误报，明确不报 accuracy。
4. 时间序列按完整灌溉事件划分，并做随机片段对照；根区响应延迟报中位数/IQR。
5. 交流市电部分必须使用成品隔离电流夹，由成年合格人员安装；学生不得接触裸露导体。
6. **最容易犯的致命错误：用未按土质标定的廉价电容探头当“真实含水量”。**本题优先张力计并用称重水量交叉校验。

5 · 数据与工具

用途	来源 / 工具
泵状态	成品非侵入电流互感器/智能插座能量计，额定与安全认证需核实
根区	陶瓷张力计或 Watermark 类传感器，能力、温度补偿与价格需核实
真值	台架称重桶、阀位日志；认证流量计可借则仅作校验
对照	Rachio、CropX、Arable 公开功能及 FAO 灌溉指南——仅用于校验与对比，不计入数据贡献

能力边界：张力响应慢且依土壤；系统不能区分所有故障，只能发现能量—根区响应不一致。 单位经济按“每发现一次需复核异常的传感成本与人工”计算，不能用泵额定功率代替实测耗电，也不能把台架少排的水称为田间增产。现场访谈至少覆盖一名操作者和一名灌溉顾问，明确他们愿意为哪类告警行动及可容忍的每周误报。

6 · 赛季执行路径

1. 第 1–2 周：完成电气安全审查、功率/水柱硬校验；第 3 周建两土壤台架。
2. 第 4–6 周：盲化采集四状态，先写规则基线；第 7 周按事件/土壤留一测试。
3. 第 8 周：做响应延迟与温度敏感性；第 9 周在获许可农场影子部署，不自动控制。
4. 第 10 周做故障查找计时任务；第 11–12 周整理安全、BOM、节水情景与简述。

7 · 新颖性边界

不声称精确计水、不发明张力计、不做自动灌溉优化或增产因果。已有工作：Rachio 做控制，CropX/Arable 做 田间监测，泵电流签名与土壤水势研究成熟。本项目贡献是低预算存量泵的“输入—根区响应”异常证据、跨土质延迟 边界和人工复核工作流。护城河类型：存量改造（C）+ 极端具体（G）；故障响应数据集强于硬件本身。

8 · go/no-go

第 3 周末：若张力计对已知水柱偏差 > 10%，降级为具名 “称重花盆 + 排水盘”根区响应台架，不做现场部署， 主结论仍检验泵输入与有效到水。第 7 周末：若联合 PR-AUC < 0.70，降级为只识别 吸空与大旁路泄漏两类， 删去浅层径流主张。第 9 周末无农场许可则保留台架和两名园艺人员情景评审，不冒充现场验证。