一.

市政管網數字孿生實驗平臺

市政管網數字孿生實驗平臺產品原理

面向給排水科學與工程、市政工程、城市水務、環境工程、實際供水管網工程的相關專業。課程的教學實驗，結合實際管網工程的設計、運行等知識技術要點，綜合運用自動化控制、三維虛擬仿真、數字孿生、人工智能、水力系統數值仿真、優化運行調度等專業技術手段，開發完成一套能夠開展市政供水人工智能管網相關的課程實驗、課程設計、工程運行調度實訓等工作的軟硬件一體綜合性實驗平臺。
二.產品特點

1.緊密圍繞市政供水管網的系列核心工程技術問題，覆蓋實驗類型完整、體系化強。
2.采用“數字孿生"工程的建設理念與傳統模型實驗相結合，契合行業技術用用趨勢。
3.內置完整數值模擬分析程序，實驗結果和數值分析結果可相互驗證。
4.以實際市政管網工程為原型進行實驗裝置設計生產，工程一致性強。
5.內置實驗臺智能語音交互，輕松掌握實驗步驟與操作流程，提升實驗裝置易用性。
6.內置實驗相關概念、原理、技術AI知識庫，隨時擴展解答實驗相關知識。
7.內置“聲光電"同步表達模塊，增進掌握相關知識與技術的效率與效果，直觀性強。
8.專業理論研究團隊支撐，保證實驗開展的科學性與準確性。

1.水泵水力特性實驗：通過實驗系統/子系統，開展泵裝置性能的在線測試分析實驗。通過泵組、閥門的調節，改變系統過流量及泵組運行工況。通過泵組進出口壓力傳感器、流量傳感器、泵組功率傳感器等，測定不同工況下的泵組工作參數，并繪制水泵工作特性曲線，分析水泵性能動態變化等。

① 通過水泵進出口壓力傳感器、流量傳感器、功率傳感器的實時監測點參數，計算水泵流量-揚程工作點與流量-效率工作點；

② 通過水泵進出口壓力傳感器、流量傳感器、功率傳感器的歷史監測數據，進行多數據清洗，確定水泵流量-揚程和流量-效率曲線；

③ 繪制水泵工作特性曲線，建立合理的水泵性能評價指標，分析水泵性能動態變化；

④ 針對提供的監測數據包，具備數據清洗功能；

⑤ 提供實現上述功能的FORTRAN計算分析子程序封裝文件 (多個)；

⑥ 提供與實驗系統功能相匹配的技術說明文件、封裝引擎調用方法說明文件。

2.管道沿程阻力特性實驗：通過實驗系統/子系統，開展管道沿程阻力特性分析實驗。通過控制系統不同的流量(泵組、閥門的調節，改變系統過流量及泵組運行工況)，測量不同管長、管徑、管材的管道兩端的水頭變化，獲得不同工況情況下各類管道的沿程阻力特性曲線。

① 通過管道兩端壓力傳感器的實時監測點參數，記錄管道兩端水頭變化；

② 通過不同水泵組合、閥門調節規律，改變系統過流量以及泵組運行工況；

③ 通過管道兩端的壓力傳感器，測量不同管長、管徑、管材在不同運行工況下的水頭變化情況，進行多數據、擬合等算法，確定不同工況情況下各類管道的沿程阻力特性曲線；

④ 提供實現上述功能的FORTRAN計算分析子程序封裝文件 (多個)；

⑤ 提供與實驗系統功能相匹配的技術說明文件、封裝引擎調用方法說明文件。

3.閥門阻力特性實驗：通過實驗系統/子系統，通過閥門啟閉，獲取閥門前后壓力差，開展不同閥門開度下水力計算分析實驗。通過調節閥門的開度，結合穩態運行的流量和閥門前后的壓力傳感器采集的壓力數據，通過相關的數據處理，得到不通過開度情況下的閥門阻力特性曲線。

① 通過閥門兩端壓力傳感器、流量傳感器的實時監測點參數，監測閥門前后兩端水頭、流量變化；

② 通過調節不同的閥門開度，監測閥門兩端壓力傳感器、流量傳感器的數據；

③ 結合穩態運行時閥門前后壓力傳感器和流量傳感器采集的數據，進行多數據、擬合等算法，確定不同開度情況下的閥門阻力特性曲線；

市政管網數字孿生

④ 提供實現上述功能的FORTRAN計算分析子程序封裝文件 (多個)；

⑤ 提供與實驗系統功能相匹配的技術說明文件、封裝引擎調用方法說明文件。

4.管網水力計算分析實驗：在綜合實驗平臺上，通過閥門啟閉構建樹狀和環狀管網結構，開展不同管網結構下的水力計算分析實驗。結合實驗平臺的數字孿生系統，對管網恒定流方程組構建和不同平差方法(如牛頓 -拉夫森算法、哈代-克羅斯算法、全局梯度算法等)的計算原理、過程和結果進行實驗展示和運用，并將計算結果與實驗平臺監測數據進行對比分析，掌握供水管網水力計算的基本原理和求解方法。

① 管網結構演示功能：通過閥門操作實現樹狀管網和環狀管網輸水模式，并進行演示；

② 水力計算方程編寫功能：根據樹狀和環狀管網特征，編寫管網水力計算的連續性方程組和能量方程組；

③ 管網平差計算功能：不同平差計算方法的功能實現，展示相應計算方程、迭代過程和計算結果，包括哈代-克羅斯算法、牛頓-拉夫森算法和全局梯度算法；

④ 提供實現上述功能的MATLAB計算分析子程序封裝文件（多個）；

⑤ 提供與實驗系統功能相匹配的技術說明文件、封裝引擎調用方法說明文件；

⑥ 程序計算分析時間：<5s。

.5管網水力模型構建實驗：基于綜合實驗平臺的管網物理模型構建管網水力模型。首先通過對實驗平臺管網的管道、水泵、閥門等構件進行概化形成初始管網模型，進一步通過水力計算實現水力模擬分析，最后結合實驗平臺監測系統獲取的實測數據對模型參數進行校核，構建管網水力模型。結合數字孿生實驗系統，實現管網水力模型的可視化和動態模擬分析，學習與掌握供水管網水力模型構建的方法和流程。

① 模型初始化功能：根據實驗平臺的管網物理模型，構建管網模型的拓補結構和元件屬性輸入；

② 水力計算功能：結合管網水力計算分析實驗功能，實現管網模型的水力模擬計算；

③ 模擬精度分析功能：通過流量傳感器和壓力傳感器等的監測數據，進行模型模擬值與監測值的對比分析和精度評價；

④ 模型校核功能：管網模型校核功能實現，包括手動校核和自動校核兩種方式；

⑤ 動態模擬功能：通過輸入動態水力邊界條件（水池水位、節點水量等），實現管網運行狀態的動態水力模擬；

⑥ 提供實現上述功能的MATLAB計算分析子程序封裝文件（多個）；

⑦ 提供與實驗系統功能相匹配的技術說明文件、封裝引擎調用方法說明文件。

6.管道水錘分析和防護實驗通過實驗系統/子系統，開展有壓供水管線水錘實驗。通過泵/閥控制激發水錘壓力波，并采用高精度流量傳感器、高頻壓力傳感器等記錄相關參數的變化情況，分析不同運行工況下的壓力、流量變化特征值和規律，分析管線最大內水壓力、最小內水壓力等參數可能造成的結構破壞風險，并測試不同的防護措施對水錘壓力波動的消減情況。由此掌握市政供水管線的水錘理論知識。

① 通過泵控制激發水錘壓力波，包括水泵失電、正常啟停機等控制工況，分析過渡過程中管線壓力、泵組流量、泵組轉速等參數變化；

② 通過快速關閉閥門激發水錘壓力波，分析關閉過程中閥門壓力變化規律、流量變化、沿程壓力包絡線等參數變化；

③ 分析瞬態過程中，管線最大內水壓力、最小內水壓力等參數可能造成的結構破壞風險；

④ 當系統中的瞬態過程參數超過閾值，對閥門進行優化操作運行以滿足要求，若僅閥門操作不能滿足要求，則加入各種不同的水錘防護措施后（空氣閥、空氣罐/調壓室等），測試水錘壓力波動的消減情況；

⑤ 提供實現上述功能的FORTRAN計算分析子程序封裝文件（多個）；

⑥ 提供與實驗系統功能相匹配的技術說明文件、封裝引擎調用方法說明文件。

7.管網泄漏實驗：在綜合實驗平臺上，開展管網泄漏實驗。通過控制泄漏模擬裝置改變泄漏水量大小觀察不同泄漏水量和位置對管網水力狀態的影響，掌握管網泄漏的水力學特征。進一步通過快速操作閥門，激發水錘壓力波并采集瞬態壓力變化信號，進行管道泄漏檢測試驗。若管道存在泄漏，壓力傳感器采集的壓力波形會存在明顯變動，通過對壓力傳感器采集的壓力曲線進行分析，結合基于瞬變流的泄漏檢測技術定位泄漏位置，掌握管網泄漏的檢測定位方法。

① 研究管道故障的水力瞬變特性，包括管道泄漏（不同尺寸、位置、個數）的影響，以及相互間的耦合作用；

② 通過快速操作閥門，主動激發水錘波，進行泄漏故障診斷；

③ 基于壓力傳感器實測數據，若與模擬數據匹配度較好，則認為傳感器陣列中無異常產生；若匹配度較差，則懷疑產生異常。通過對壓力傳感器采集的壓力曲線進行分析確定泄漏位置；

④ 智能控制閥門和壓力分區分析程序結合，進行漏損控制；

⑤ 提供實現上述功能的FORTRAN計算分析子程序封裝文件（多個）；

⑥ 提供與實驗系統功能相匹配的技術說明文件、封裝引擎調用方法說明文件。

8.泵組運行調度實驗：通過實驗系統/子系統，開展泵組運行調度實驗。通過調節閥門、用水量、水箱水位等，構建管網動態運行狀態。通過多臺水泵啟停和變頻調節，實現泵組運行調度。結合實時數據觀測、水力模擬分析、優化計算等手段，實現泵組優化運行調度,分析泵組運行狀態和管網水力響應規律，掌握泵組運行調度的基本原理與技術方法。

① 管網動態模擬功能：同管網水力模型構建實驗中的動態模擬功能；

② 泵組靜態優化調度功能：針對管網特定運行狀態，結合管網水力模型功能，構建以節能運行為目標的泵組運行調度優化模型，并采用智能尋優算法進行求解，得到相應的優化調度方案；

③ 泵組動態優化調度功能：在泵組優化調度功能基礎上，結合管網動態模擬功能，根據管網運行狀態動態優化泵組調度方案；

④ 提供實現上述功能的MATLAB計算分析子程序封裝文件（多個）；

⑤ 提供與實驗系統功能相匹配的技術說明文件、封裝引擎調用方法說明文件。

9.管網分區設計與管理實驗：在綜合實驗平臺上，通過閥門啟閉和流量計安裝構建不同的管網分區方案，并進行對比分析。結合監測數據和水力模擬分析，了解不同管網分區形式的管網運行狀態差異。通過泵組和閥門控制，實現分區管網的壓力控制；通過在線監測和泄漏實驗操作,實現分區管網的漏損控制與管理。系統掌握管網分區設計和分區管理的基本原理和技術方法。

① 管網分區功能：通過操作閥門和流量計構建不同的管網分區方案；

② 管網分區壓力控制功能：針對特定的管網分區方案，通過泵組和閥門控制，改變分區管網的運行狀態，實現不同分區管網的運行壓力控制；

③ 管網分區漏損監測管理功能：通過調整節點漏失水量，結合流量傳感器監測，進行分區管網的水平衡動態分析，判定漏損區域和漏水量大小；

④ 提供實現上述功能的MATLAB計算分析子程序封裝文件（多個）；

⑤ 提供與實驗系統功能相匹配的技術說明文件、封裝引擎調用方法說明文件。