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。
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，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)：通過實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)/子系統(tǒng)，開展泵裝置性能的在線測試分析實(shí)驗(yàn)。通過泵組、閥門的調(diào)節(jié)，改變系統(tǒng)過流量及泵組運(yùn)行工況。通過泵組進(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)說明文件、封裝引擎調(diào)用方法說明文件。

2.管道沿程阻力特性實(shí)驗(yàn)：通過實(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)過流量及泵組運(yùn)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(shí)時(shí)監(jiān)測點(diǎn)參數(shù)，記錄管道兩端水頭變化；

② 通過不同水泵組合、閥門調(diào)節(jié)規(guī)律，改變系統(tǒng)過流量以及泵組運(yùn)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(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)說明文件、封裝引擎調(diào)用方法說明文件。

3.閥門阻力特性實(shí)驗(yàn)：通過實(shí)驗(yàn)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(jì)算分析實(shí)驗(yàn)。通過調(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)，通過相關(guān)的數(shù)據(jù)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(shí)時(shí)監(jiān)測點(diǎn)參數(shù)，監(jiān)測閥門前后兩端水頭、流量變化；

② 通過調(diào)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(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)說明文件、封裝引擎調(diào)用方法說明文件。

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)說明文件、封裝引擎調(diào)用方法說明文件；

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)測系統(tǒng)獲取的實(shí)測數(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：通過流量傳感器和壓力傳感器等的監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行模型模擬值與監(jiān)測值的對(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)說明文件、封裝引擎調(diào)用方法說明文件。

6.管道水錘分析和防護(hù)實(shí)驗(yàn)通過實(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，分析過渡過程中管線壓力、泵組流量、泵組轉(zhuǎn)速等參數(shù)變化；

② 通過快速關(guān)閉閥門激發(fā)水錘壓力波，分析關(guān)閉過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)過程參數(shù)超過閾值，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)說明文件、封裝引擎調(diào)用方法說明文件。

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技術(shù)定位泄漏位置，掌握管網(wǎng)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(gè)數(shù)）的影響，以及相互間的耦合作用；

② 通過快速操作閥門，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)為傳感器陣列中無異常產(chǎn)生；若匹配度較差，則懷疑產(chǎn)生異常。通過對(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)說明文件、封裝引擎調(diào)用方法說明文件。

8.泵組運(yùn)行調(diào)度實(shí)驗(yàn)：通過實(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、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)說明文件、封裝引擎調(diào)用方法說明文件。

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。通過泵組和閥門控制，實(shí)現(xiàn)分區(qū)管網(wǎng)的壓力控制；通過在線監(jiān)測和泄漏實(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)測管理功能：通過調(diào)整節(jié)點(diǎn)漏失水量，結(jié)合流量傳感器監(jiān)測，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)域和漏水量大小；

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)說明文件、封裝引擎調(diào)用方法說明文件。