市政管網綜合實驗平臺

市政管網綜合實驗平臺（虛實結合、數字孿生）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。

三.實驗項目

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；

⑦ 保證提供封裝引擎運行的正確性、穩定性、高效性。

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；

⑥ 保證提供封裝引擎運行的正確性、穩定性、高效性。

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；

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；

⑥ 保證提供封裝引擎運行的正確性、穩定性、高效性。

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；

⑦ 保證提供封裝引擎運行的正確性、穩定性、高效性。

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；

⑧ 保證提供封裝引擎運行的正確性、穩定性、高效性。

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；