一.

城市管網數字孿生

產品原理

面向給排水科學與工程、市政工程、城市水務、環(huán)境工程、實際供水管網工程的相關專業(yè)。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(tǒng)數值仿真、優(yōu)化運行調度等專業(yè)技術手段，開發(fā)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(tǒng)模型實驗相結合，契合行業(yè)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(yè)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(tǒng)/子系統(tǒng)，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(jié)，改變系統(tǒng)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(tài)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(jiān)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(jiān)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(tài)變化；

④ 針對提供的監(jiān)測數據包，具備數據清洗功能；

⑤ 提供實現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)/子系統(tǒng)，開展管道沿程阻力特性分析實驗。通過控制系統(tǒng)不同的流量(泵組、閥門的調節(jié)，改變系統(tǒng)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(jiān)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(jié)規(guī)律，改變系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)/子系統(tǒng)，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(jié)閥門的開度，結合穩(wěn)態(tài)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(jiān)測點參數，監(jiān)測閥門前后兩端水頭、流量變化；

② 通過調節(jié)不同的閥門開度，監(jiān)測閥門兩端壓力傳感器、流量傳感器的數據；

③ 結合穩(wěn)態(tài)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；

城市管網數字孿生

④ 提供實現(xiàn)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(tǒng)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(huán)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(tǒng)，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(jiān)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(xiàn)樹狀管網和環(huán)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(huán)狀管網特征，編寫管網水力計算的連續(xù)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(xiàn)，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(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)水力模擬分析，最后結合實驗平臺監(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng)，實現(xiàn)管網水力模型的可視化和動態(tài)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(xiàn)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(jiān)測數據，進行模型模擬值與監(jiān)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(xiàn)，包括手動校核和自動校核兩種方式；

⑤ 動態(tài)模擬功能：通過輸入動態(tài)水力邊界條件（水池水位、節(jié)點水量等），實現(xiàn)管網運行狀態(tài)的動態(tài)水力模擬；

⑥ 提供實現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)/子系統(tǒng)，開展有壓供水管線水錘實驗。通過泵/閥控制激發(fā)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(guī)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(fā)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(fā)水錘壓力波，分析關閉過程中閥門壓力變化規(guī)律、流量變化、沿程壓力包絡線等參數變化；

③ 分析瞬態(tài)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(tǒng)中的瞬態(tài)過程參數超過閾值，對閥門進行優(yōu)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(xiàn)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(tǒng)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(tài)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(fā)水錘壓力波并采集瞬態(tài)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(fā)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(qū)分析程序結合，進行漏損控制；

⑤ 提供實現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)/子系統(tǒng)，開展泵組運行調度實驗。通過調節(jié)閥門、用水量、水箱水位等，構建管網動態(tài)運行狀態(tài)。通過多臺水泵啟停和變頻調節(jié)，實現(xiàn)泵組運行調度。結合實時數據觀測、水力模擬分析、優(yōu)化計算等手段，實現(xiàn)泵組優(yōu)化運行調度,分析泵組運行狀態(tài)和管網水力響應規(guī)律，掌握泵組運行調度的基本原理與技術方法。

① 管網動態(tài)模擬功能：同管網水力模型構建實驗中的動態(tài)模擬功能；

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

③ 泵組動態(tài)優(yōu)化調度功能：在泵組優(yōu)化調度功能基礎上，結合管網動態(tài)模擬功能，根據管網運行狀態(tài)動態(tài)優(yōu)化泵組調度方案；

④ 提供實現(xiàn)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(tǒng)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(qū)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(qū)方案，并進行對比分析。結合監(jiān)測數據和水力模擬分析，了解不同管網分區(qū)形式的管網運行狀態(tài)差異。通過泵組和閥門控制，實現(xiàn)分區(qū)管網的壓力控制；通過在線監(jiān)測和泄漏實驗操作,實現(xiàn)分區(qū)管網的漏損控制與管理。系統(tǒng)掌握管網分區(qū)設計和分區(qū)管理的基本原理和技術方法。

① 管網分區(qū)功能：通過操作閥門和流量計構建不同的管網分區(qū)方案；

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

③ 管網分區(qū)漏損監(jiān)測管理功能：通過調整節(jié)點漏失水量，結合流量傳感器監(jiān)測，進行分區(qū)管網的水平衡動態(tài)分析，判定漏損區(qū)域和漏水量大小；

④ 提供實現(xiàn)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(tǒng)功能相匹配的技術說明文件、封裝引擎調用方法說明文件。