市政管網(wǎng)綜合實驗平臺（虛實結(jié)合、數(shù)字孿生）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、實際供水管網(wǎng)工程的相關(guān)專業(yè)課程的教學(xué)實驗，結(jié)合實際管網(wǎng)工程的設(shè)計、運行等知識技術(shù)要點，綜合運用自動化控制、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)的課程實驗、課程設(shè)計、工程運行調(diào)度實訓(xùn)等工作的軟硬件一體綜合性實驗平臺。

二.產(chǎn)品特點

1.緊密圍繞市政供水管網(wǎng)的系列核心工程技術(shù)問題，覆蓋實驗類型完整、體系化強。

2.采用“數(shù)字孿生"工程的建設(shè)理念與傳統(tǒng)模型實驗相結(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，實驗結(jié)果和數(shù)值分析結(jié)果可相互驗證。

4.以實際市政管網(wǎng)工程為原型進行實驗裝置設(shè)計生產(chǎn)，工程一致性強。

5.內(nèi)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(nèi)置實驗相關(guān)概念、原理、技術(shù)AI知識庫，隨時擴展解答實驗相關(guān)知識。

7.內(nèi)置“聲光電"同步表達模塊，增進掌握相關(guān)知識與技術(shù)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(xué)性與準(zhǔn)確性。

三.實驗項目

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(diào)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(shù)，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(shù)，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(shù)據(jù)，進行多數(shù)據(jù)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(biāo)，分析水泵性能動態(tài)變化；

④ 針對提供的監(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(shù)說明文件、封裝引擎調(diào)用方法說明文件；

⑦ 保證提供封裝引擎運行的正確性、穩(wěn)定性、高效性。

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(diào)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(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(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(shù)說明文件、封裝引擎調(diào)用方法說明文件；

⑥ 保證提供封裝引擎運行的正確性、穩(wěn)定性、高效性。

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(diào)節(jié)閥門的開度，結(jié)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(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、流量傳感器的實時監(jiān)測點參數(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)運行時閥門前后壓力傳感器和流量傳感器采集的數(shù)據(jù)，進行多數(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；

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(shù)說明文件、封裝引擎調(diào)用方法說明文件；

⑥ 保證提供封裝引擎運行的正確性、穩(wěn)定性、高效性。

4.管網(wǎng)水力計算分析實驗：在綜合實驗平臺上，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)下的水力計算分析實驗。結(jié)合實驗平臺的數(shù)字孿生系統(tǒng)，對管網(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)的計算原理、過程和結(jié)果進行實驗展示和運用，并將計算結(jié)果與實驗平臺監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，掌握供水管網(wǎng)水力計算的基本原理和求解方法。

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

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

③ 管網(wǎng)平差計算功能：不同平差計算方法的功能實現(xiàn)，展示相應(yīng)計算方程、迭代過程和計算結(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(shù)說明文件、封裝引擎調(diào)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(wěn)定性、高效性。

5.管網(wǎng)水力模型構(gòu)建實驗：基于綜合實驗平臺的管網(wǎng)物理模型構(gòu)建管網(wǎng)水力模型。首先通過對實驗平臺管網(wǎng)的管道、水泵、閥門等構(gòu)件進行概化形成初始管網(wǎng)模型，進一步通過水力計算實現(xiàn)水力模擬分析，最后結(jié)合實驗平臺監(jiān)測系統(tǒng)獲取的實測數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進行校核，構(gòu)建管網(wǎng)水力模型。結(jié)合數(shù)字孿生實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)管網(wǎng)水力模型的可視化和動態(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)實驗平臺的管網(wǎng)物理模型，構(gòu)建管網(wǎng)模型的拓補結(jié)構(gòu)和元件屬性輸入；

② 水力計算功能：結(jié)合管網(wǎng)水力計算分析實驗功能，實現(xiàn)管網(wǎng)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(shù)據(jù)，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(wǎng)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(wǎng)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(shù)說明文件、封裝引擎調(diào)用方法說明文件；

⑧ 保證提供封裝引擎運行的正確性、穩(wěn)定性、高效性。

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(guān)參數(shù)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(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，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(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；

④ 當(dāng)系統(tǒng)中的瞬態(tài)過程參數(shù)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(diào)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(shù)說明文件、封裝引擎調(diào)用方法說明文件；