一.

城市管網(wǎng)數(shù)字孿生

產(chǎn)品原理

面向給排水科學(xué)與工程、市政工程、城市水務(wù)、環(huán)境工程、實(shí)際供水管網(wǎng)工程的相關(guān)專業(yè)。課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)際管網(wǎng)工程的設(shè)計(jì)、運(yùn)行等知識(shí)技術(shù)要點(diǎn)，綜合運(yùn)用自動(dòng)化控制、三維虛擬仿真、數(shù)字孿生、人工智能、水力系統(tǒng)數(shù)值仿真、優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度等專業(yè)技術(shù)手段，開發(fā)完成一套能夠開展市政供水人工智能管網(wǎng)相關(guān)的課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、工程運(yùn)行調(diào)度實(shí)訓(xùn)等工作的軟硬件一體綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
二.產(chǎn)品特點(diǎn)

1.緊密圍繞市政供水管網(wǎng)的系列核心工程技術(shù)問(wèn)題，覆蓋實(shí)驗(yàn)類型完整、體系化強(qiáng)。
2.采用“數(shù)字孿生"工程的建設(shè)理念與傳統(tǒng)模型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，契合行業(yè)技術(shù)用用趨勢(shì)。
3.內(nèi)置完整數(shù)值模擬分析程序，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值分析結(jié)果可相互驗(yàn)證。
4.以實(shí)際市政管網(wǎng)工程為原型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)生產(chǎn)，工程一致性強(qiáng)。
5.內(nèi)置實(shí)驗(yàn)臺(tái)智能語(yǔ)音交互，輕松掌握實(shí)驗(yàn)步驟與操作流程，提升實(shí)驗(yàn)裝置易用性。
6.內(nèi)置實(shí)驗(yàn)相關(guān)概念、原理、技術(shù)AI知識(shí)庫(kù)，隨時(shí)擴(kuò)展解答實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識(shí)。
7.內(nèi)置“聲光電"同步表達(dá)模塊，增進(jìn)掌握相關(guān)知識(shí)與技術(shù)的效率與效果，直觀性強(qiáng)。
8.專業(yè)理論研究團(tuán)隊(duì)支撐，保證實(shí)驗(yàn)開展的科學(xué)性與準(zhǔn)確性。

1.水泵水力特性實(shí)驗(yàn)：通過(guò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)/子系統(tǒng)，開展泵裝置性能的在線測(cè)試分析實(shí)驗(yàn)。通過(guò)泵組、閥門的調(diào)節(jié)，改變系統(tǒng)過(guò)流量及泵組運(yùn)行工況。通過(guò)泵組進(jìn)出口壓力傳感器、流量傳感器、泵組功率傳感器等，測(cè)定不同工況下的泵組工作參數(shù)，并繪制水泵工作特性曲線，分析水泵性能動(dòng)態(tài)變化等。

① 通過(guò)水泵進(jìn)出口壓力傳感器、流量傳感器、功率傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)參數(shù)，計(jì)算水泵流量-揚(yáng)程工作點(diǎn)與流量-效率工作點(diǎn)；

② 通過(guò)水泵進(jìn)出口壓力傳感器、流量傳感器、功率傳感器的歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行多數(shù)據(jù)清洗，確定水泵流量-揚(yáng)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(píng)價(jià)指標(biāo)，分析水泵性能動(dòng)態(tài)變化；

④ 針對(duì)提供的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包，具備數(shù)據(jù)清洗功能；

⑤ 提供實(shí)現(xiàn)上述功能的FORTRAN計(jì)算分析子程序封裝文件 (多個(gè))；

⑥ 提供與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能相匹配的技術(shù)說(shuō)明文件、封裝引擎調(diào)用方法說(shuō)明文件。

2.管道沿程阻力特性實(shí)驗(yàn)：通過(guò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)/子系統(tǒng)，開展管道沿程阻力特性分析實(shí)驗(yàn)。通過(guò)控制系統(tǒng)不同的流量(泵組、閥門的調(diào)節(jié)，改變系統(tǒng)過(guò)流量及泵組運(yùn)行工況)，測(cè)量不同管長(zhǎng)、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(guò)管道兩端壓力傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)參數(shù)，記錄管道兩端水頭變化；

② 通過(guò)不同水泵組合、閥門調(diào)節(jié)規(guī)律，改變系統(tǒng)過(guò)流量以及泵組運(yùn)行工況；

③ 通過(guò)管道兩端的壓力傳感器，測(cè)量不同管長(zhǎng)、管徑、管材在不同運(yùn)行工況下的水頭變化情況，進(jìn)行多數(shù)據(jù)、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(shí)現(xiàn)上述功能的FORTRAN計(jì)算分析子程序封裝文件 (多個(gè))；

⑤ 提供與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能相匹配的技術(shù)說(shuō)明文件、封裝引擎調(diào)用方法說(shuō)明文件。

3.閥門阻力特性實(shí)驗(yàn)：通過(guò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)/子系統(tǒng)，通過(guò)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(jì)算分析實(shí)驗(yàn)。通過(guò)調(diào)節(jié)閥門的開度，結(jié)合穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的流量和閥門前后的壓力傳感器采集的壓力數(shù)據(jù)，通過(guò)相關(guān)的數(shù)據(jù)處理，得到不通過(guò)開度情況下的閥門阻力特性曲線。

① 通過(guò)閥門兩端壓力傳感器、流量傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)參數(shù)，監(jiān)測(cè)閥門前后兩端水頭、流量變化；

② 通過(guò)調(diào)節(jié)不同的閥門開度，監(jiān)測(cè)閥門兩端壓力傳感器、流量傳感器的數(shù)據(jù)；

③ 結(jié)合穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)閥門前后壓力傳感器和流量傳感器采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行多數(shù)據(jù)、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(wǎng)數(shù)字孿生

④ 提供實(shí)現(xiàn)上述功能的FORTRAN計(jì)算分析子程序封裝文件 (多個(gè))；

⑤ 提供與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能相匹配的技術(shù)說(shuō)明文件、封裝引擎調(diào)用方法說(shuō)明文件。

4.管網(wǎng)水力計(jì)算分析實(shí)驗(yàn)：在綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，通過(guò)閥門啟閉構(gòu)建樹狀和環(huán)狀管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，開展不同管網(wǎng)結(jié)構(gòu)下的水力計(jì)算分析實(shí)驗(yàn)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的數(shù)字孿生系統(tǒng)，對(duì)管網(wǎng)恒定流方程組構(gòu)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(jì)算原理、過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)展示和運(yùn)用，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，掌握供水管網(wǎng)水力計(jì)算的基本原理和求解方法。

① 管網(wǎng)結(jié)構(gòu)演示功能：通過(guò)閥門操作實(shí)現(xiàn)樹狀管網(wǎng)和環(huán)狀管網(wǎng)輸水模式，并進(jìn)行演示；

② 水力計(jì)算方程編寫功能：根據(jù)樹狀和環(huán)狀管網(wǎng)特征，編寫管網(wǎng)水力計(jì)算的連續(xù)性方程組和能量方程組；

③ 管網(wǎng)平差計(jì)算功能：不同平差計(jì)算方法的功能實(shí)現(xiàn)，展示相應(yīng)計(jì)算方程、迭代過(guò)程和計(jì)算結(jié)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(shí)現(xiàn)上述功能的MATLAB計(jì)算分析子程序封裝文件（多個(gè)）；

⑤ 提供與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能相匹配的技術(shù)說(shuō)明文件、封裝引擎調(diào)用方法說(shuō)明文件；

⑥ 程序計(jì)算分析時(shí)間：<5s。

.5管網(wǎng)水力模型構(gòu)建實(shí)驗(yàn)：基于綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的管網(wǎng)物理模型構(gòu)建管網(wǎng)水力模型。首先通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)管網(wǎng)的管道、水泵、閥門等構(gòu)件進(jìn)行概化形成初始管網(wǎng)模型，進(jìn)一步通過(guò)水力計(jì)算實(shí)現(xiàn)水力模擬分析，最后結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行校核，構(gòu)建管網(wǎng)水力模型。結(jié)合數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水力模型的可視化和動(dòng)態(tài)模擬分析，學(xué)習(xí)與掌握供水管網(wǎng)水力模型構(gòu)建的方法和流程。

① 模型初始化功能：根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的管網(wǎng)物理模型，構(gòu)建管網(wǎng)模型的拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)和元件屬性輸入；

② 水力計(jì)算功能：結(jié)合管網(wǎng)水力計(jì)算分析實(shí)驗(yàn)功能，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)模型的水力模擬計(jì)算；

③ 模擬精度分析功能：通過(guò)流量傳感器和壓力傳感器等的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行模型模擬值與監(jiān)測(cè)值的對(duì)比分析和精度評(píng)價(jià)；

④ 模型校核功能：管網(wǎng)模型校核功能實(shí)現(xiàn)，包括手動(dòng)校核和自動(dòng)校核兩種方式；

⑤ 動(dòng)態(tài)模擬功能：通過(guò)輸入動(dòng)態(tài)水力邊界條件（水池水位、節(jié)點(diǎn)水量等），實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)水力模擬；

⑥ 提供實(shí)現(xiàn)上述功能的MATLAB計(jì)算分析子程序封裝文件（多個(gè)）；

⑦ 提供與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能相匹配的技術(shù)說(shuō)明文件、封裝引擎調(diào)用方法說(shuō)明文件。

6.管道水錘分析和防護(hù)實(shí)驗(yàn)通過(guò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)/子系統(tǒng)，開展有壓供水管線水錘實(shí)驗(yàn)。通過(guò)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(guān)參數(shù)的變化情況，分析不同運(yùn)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(nèi)水壓力、最小內(nèi)水壓力等參數(shù)可能造成的結(jié)構(gòu)破壞風(fēng)險(xiǎn)，并測(cè)試不同的防護(hù)措施對(duì)水錘壓力波動(dòng)的消減情況。由此掌握市政供水管線的水錘理論知識(shí)。

① 通過(guò)泵控制激發(fā)水錘壓力波，包括水泵失電、正常啟停機(jī)等控制工況，分析過(guò)渡過(guò)程中管線壓力、泵組流量、泵組轉(zhuǎn)速等參數(shù)變化；

② 通過(guò)快速關(guān)閉閥門激發(fā)水錘壓力波，分析關(guān)閉過(guò)程中閥門壓力變化規(guī)律、流量變化、沿程壓力包絡(luò)線等參數(shù)變化；

③ 分析瞬態(tài)過(guò)程中，管線最大內(nèi)水壓力、最小內(nèi)水壓力等參數(shù)可能造成的結(jié)構(gòu)破壞風(fēng)險(xiǎn)；

④ 當(dāng)系統(tǒng)中的瞬態(tài)過(guò)程參數(shù)超過(guò)閾值，對(duì)閥門進(jìn)行優(yōu)化操作運(yùn)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(hù)措施后（空氣閥、空氣罐/調(diào)壓室等），測(cè)試水錘壓力波動(dòng)的消減情況；

⑤ 提供實(shí)現(xiàn)上述功能的FORTRAN計(jì)算分析子程序封裝文件（多個(gè)）；

⑥ 提供與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能相匹配的技術(shù)說(shuō)明文件、封裝引擎調(diào)用方法說(shuō)明文件。

7.管網(wǎng)泄漏實(shí)驗(yàn)：在綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，開展管網(wǎng)泄漏實(shí)驗(yàn)。通過(guò)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(duì)管網(wǎng)水力狀態(tài)的影響，掌握管網(wǎng)泄漏的水力學(xué)特征。進(jìn)一步通過(guò)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(hào)，進(jìn)行管道泄漏檢測(cè)試驗(yàn)。若管道存在泄漏，壓力傳感器采集的壓力波形會(huì)存在明顯變動(dòng)，通過(guò)對(duì)壓力傳感器采集的壓力曲線進(jìn)行分析，結(jié)合基于瞬變流的泄漏檢測(cè)技術(shù)定位泄漏位置，掌握管網(wǎng)泄漏的檢測(cè)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(gè)數(shù)）的影響，以及相互間的耦合作用；

② 通過(guò)快速操作閥門，主動(dòng)激發(fā)水錘波，進(jìn)行泄漏故障診斷；

③ 基于壓力傳感器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，若與模擬數(shù)據(jù)匹配度較好，則認(rèn)為傳感器陣列中無(wú)異常產(chǎn)生；若匹配度較差，則懷疑產(chǎn)生異常。通過(guò)對(duì)壓力傳感器采集的壓力曲線進(jìn)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(jié)合，進(jìn)行漏損控制；

⑤ 提供實(shí)現(xiàn)上述功能的FORTRAN計(jì)算分析子程序封裝文件（多個(gè)）；

⑥ 提供與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能相匹配的技術(shù)說(shuō)明文件、封裝引擎調(diào)用方法說(shuō)明文件。

8.泵組運(yùn)行調(diào)度實(shí)驗(yàn)：通過(guò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)/子系統(tǒng)，開展泵組運(yùn)行調(diào)度實(shí)驗(yàn)。通過(guò)調(diào)節(jié)閥門、用水量、水箱水位等，構(gòu)建管網(wǎng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)多臺(tái)水泵啟停和變頻調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)泵組運(yùn)行調(diào)度。結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)觀測(cè)、水力模擬分析、優(yōu)化計(jì)算等手段，實(shí)現(xiàn)泵組優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度,分析泵組運(yùn)行狀態(tài)和管網(wǎng)水力響應(yīng)規(guī)律，掌握泵組運(yùn)行調(diào)度的基本原理與技術(shù)方法。

① 管網(wǎng)動(dòng)態(tài)模擬功能：同管網(wǎng)水力模型構(gòu)建實(shí)驗(yàn)中的動(dòng)態(tài)模擬功能；

② 泵組靜態(tài)優(yōu)化調(diào)度功能：針對(duì)管網(wǎng)特定運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合管網(wǎng)水力模型功能，構(gòu)建以節(jié)能運(yùn)行為目標(biāo)的泵組運(yùn)行調(diào)度優(yōu)化模型，并采用智能尋優(yōu)算法進(jìn)行求解，得到相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)度方案；

③ 泵組動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度功能：在泵組優(yōu)化調(diào)度功能基礎(chǔ)上，結(jié)合管網(wǎng)動(dòng)態(tài)模擬功能，根據(jù)管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)優(yōu)化泵組調(diào)度方案；

④ 提供實(shí)現(xiàn)上述功能的MATLAB計(jì)算分析子程序封裝文件（多個(gè)）；

⑤ 提供與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能相匹配的技術(shù)說(shuō)明文件、封裝引擎調(diào)用方法說(shuō)明文件。

9.管網(wǎng)分區(qū)設(shè)計(jì)與管理實(shí)驗(yàn)：在綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，通過(guò)閥門啟閉和流量計(jì)安裝構(gòu)建不同的管網(wǎng)分區(qū)方案，并進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和水力模擬分析，了解不同管網(wǎng)分區(qū)形式的管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)差異。通過(guò)泵組和閥門控制，實(shí)現(xiàn)分區(qū)管網(wǎng)的壓力控制；通過(guò)在線監(jiān)測(cè)和泄漏實(shí)驗(yàn)操作,實(shí)現(xiàn)分區(qū)管網(wǎng)的漏損控制與管理。系統(tǒng)掌握管網(wǎng)分區(qū)設(shè)計(jì)和分區(qū)管理的基本原理和技術(shù)方法。

① 管網(wǎng)分區(qū)功能：通過(guò)操作閥門和流量計(jì)構(gòu)建不同的管網(wǎng)分區(qū)方案；

② 管網(wǎng)分區(qū)壓力控制功能：針對(duì)特定的管網(wǎng)分區(qū)方案，通過(guò)泵組和閥門控制，改變分區(qū)管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)不同分區(qū)管網(wǎng)的運(yùn)行壓力控制；

③ 管網(wǎng)分區(qū)漏損監(jiān)測(cè)管理功能：通過(guò)調(diào)整節(jié)點(diǎn)漏失水量，結(jié)合流量傳感器監(jiān)測(cè)，進(jìn)行分區(qū)管網(wǎng)的水平衡動(dòng)態(tài)分析，判定漏損區(qū)域和漏水量大?。?/span>

④ 提供實(shí)現(xiàn)上述功能的MATLAB計(jì)算分析子程序封裝文件（多個(gè)）；

⑤ 提供與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能相匹配的技術(shù)說(shuō)明文件、封裝引擎調(diào)用方法說(shuō)明文件。