市政管网综合实验平台

市政管网综合实验平台面向给排水科学与工程、市政工程、城市水务、环境工程、实际供水管网工程的相关专业课程的教学实验，结合实际管网工程的设计、运行等知识技术要点，综合运用自动化控制、三维虚拟仿真、数字孪生、人工智能、水力系统数值仿真、优化运行调度等专业技术手段，开发完成一套能够开展市政供水人工智能管网相关的课程实验、课程设计、工程运行调度实训等工作的软硬件一体综合性实验平台。

二.产品特点

1.紧密围绕市政供水管网的系列核心工程技术问题，覆盖实验类型完整、体系化强。

2.采用“数字孪生"工程的建设理念与传统模型实验相结合，契合行业技术用用趋势。

3.内置完整数值模拟分析程序，实验结果和数值分析结果可相互验证。

4.以实际市政管网工程为原型进行实验装置设计生产，工程一致性强。

5.内置实验台智能语音交互，轻松掌握实验步骤与操作流程，提升实验装置易用性。

6.内置实验相关概念、原理、技术AI知识库，随时扩展解答实验相关知识。

7.内置“声光电"同步表达模块，增进掌握相关知识与技术的效率与效果，直观性强。

8.专业理论研究团队支撑，保证实验开展的科学性与准确性。

三.实验项目

1.水泵水力特性实验：通过实验系统/子系统，开展泵装置性能的在线测试分析实验。通过泵组、阀门的调节，改变系统过流量及泵组运行工况。通过泵组进出口压力传感器、流量传感器、泵组功率传感器等，测定不同工况下的泵组工作参数，并绘制水泵工作特性曲线，分析水泵性能动态变化等。

① 通过水泵进出口压力传感器、流量传感器、功率传感器的实时监测点参数，计算水泵流量-扬程工作点与流量-效率工作点；

② 通过水泵进出口压力传感器、流量传感器、功率传感器的历史监测数据，进行多数据清洗，确定水泵流量-扬程和流量-效率曲线；

③ 绘制水泵工作特性曲线，建立合理的水泵性能评价指标，分析水泵性能动态变化；

④ 针对提供的监测数据包，具备数据清洗功能；

⑤ 提供实现上述功能的FORTRAN计算分析子程序封装文件 (多个)；

⑥ 提供与实验系统功能相匹配的技术说明文件、封装引擎调用方法说明文件；

⑦ 保证提供封装引擎运行的正确性、稳定性、高效性。

2.管道沿程阻力特性实验：通过实验系统/子系统，开展管道沿程阻力特性分析实验。通过控制系统不同的流量(泵组、阀门的调节，改变系统过流量及泵组运行工况)，测量不同管长、管径、管材的管道两端的水头变化，获得不同工况情况下各类管道的沿程阻力特性曲线。

① 通过管道两端压力传感器的实时监测点参数，记录管道两端水头变化；

② 通过不同水泵组合、阀门调节规律，改变系统过流量以及泵组运行工况；

③ 通过管道两端的压力传感器，测量不同管长、管径、管材在不同运行工况下的水头变化情况，进行多数据、拟合等算法，确定不同工况情况下各类管道的沿程阻力特性曲线；

④ 提供实现上述功能的FORTRAN计算分析子程序封装文件 (多个)；

⑤ 提供与实验系统功能相匹配的技术说明文件、封装引擎调用方法说明文件；

⑥ 保证提供封装引擎运行的正确性、稳定性、高效性。

3.阀门阻力特性实验：通过实验系统/子系统，通过阀门启闭，获取阀门前后压力差，开展不同阀门开度下水力计算分析实验。通过调节阀门的开度，结合稳态运行的流量和阀门前后的压力传感器采集的压力数据，通过相关的数据处理，得到不通过开度情况下的阀门阻力特性曲线。

① 通过阀门两端压力传感器、流量传感器的实时监测点参数，监测阀门前后两端水头、流量变化；

② 通过调节不同的阀门开度，监测阀门两端压力传感器、流量传感器的数据；

③ 结合稳态运行时阀门前后压力传感器和流量传感器采集的数据，进行多数据、拟合等算法，确定不同开度情况下的阀门阻力特性曲线；

④ 提供实现上述功能的FORTRAN计算分析子程序封装文件 (多个)；

⑤ 提供与实验系统功能相匹配的技术说明文件、封装引擎调用方法说明文件；

⑥ 保证提供封装引擎运行的正确性、稳定性、高效性。

4.管网水力计算分析实验：在综合实验平台上，通过阀门启闭构建树状和环状管网结构，开展不同管网结构下的水力计算分析实验。结合实验平台的数字孪生系统，对管网恒定流方程组构建和不同平差方法(如牛顿 -拉夫森算法、哈代-克罗斯算法、全局梯度算法等)的计算原理、过程和结果进行实验展示和运用，并将计算结果与实验平台监测数据进行对比分析，掌握供水管网水力计算的基本原理和求解方法。

① 管网结构演示功能：通过阀门操作实现树状管网和环状管网输水模式，并进行演示；

② 水力计算方程编写功能：根据树状和环状管网特征，编写管网水力计算的连续性方程组和能量方程组；

③ 管网平差计算功能：不同平差计算方法的功能实现，展示相应计算方程、迭代过程和计算结果，包括哈代-克罗斯算法、牛顿-拉夫森算法和全局梯度算法；

④ 提供实现上述功能的MATLAB计算分析子程序封装文件（多个）；

⑤ 提供与实验系统功能相匹配的技术说明文件、封装引擎调用方法说明文件；

⑥ 程序计算分析时间：<5s；

⑦ 保证提供封装引擎运行的正确性、稳定性、高效性。

5.管网水力模型构建实验：基于综合实验平台的管网物理模型构建管网水力模型。首先通过对实验平台管网的管道、水泵、阀门等构件进行概化形成初始管网模型，进一步通过水力计算实现水力模拟分析，最后结合实验平台监测系统获取的实测数据对模型参数进行校核，构建管网水力模型。结合数字孪生实验系统，实现管网水力模型的可视化和动态模拟分析，学习与掌握供水管网水力模型构建的方法和流程。

① 模型初始化功能：根据实验平台的管网物理模型，构建管网模型的拓补结构和元件属性输入；

② 水力计算功能：结合管网水力计算分析实验功能，实现管网模型的水力模拟计算；

③ 模拟精度分析功能：通过流量传感器和压力传感器等的监测数据，进行模型模拟值与监测值的对比分析和精度评价；

④ 模型校核功能：管网模型校核功能实现，包括手动校核和自动校核两种方式；

⑤ 动态模拟功能：通过输入动态水力边界条件（水池水位、节点水量等），实现管网运行状态的动态水力模拟；

⑥ 提供实现上述功能的MATLAB计算分析子程序封装文件（多个）；

⑦ 提供与实验系统功能相匹配的技术说明文件、封装引擎调用方法说明文件；

⑧ 保证提供封装引擎运行的正确性、稳定性、高效性。

6.管道水锤分析和防护实验：通过实验系统/子系统，开展有压供水管线水锤实验。通过泵/阀控制激发水锤压力波，并采用高精度流量传感器、高频压力传感器等记录相关参数的变化情况，分析不同运行工况下的压力、流量变化特征值和规律，分析管线最大内水压力、最小内水压力等参数可能造成的结构破坏风险，并测试不同的防护措施对水锤压力波动的消减情况。由此掌握市政供水管线的水锤理论知识。

① 通过泵控制激发水锤压力波，包括水泵失电、正常启停机等控制工况，分析过渡过程中管线压力、泵组流量、泵组转速等参数变化；

② 通过快速关闭阀门激发水锤压力波，分析关闭过程中阀门压力变化规律、流量变化、沿程压力包络线等参数变化；

③ 分析瞬态过程中，管线最大内水压力、最小内水压力等参数可能造成的结构破坏风险；

④ 当系统中的瞬态过程参数超过阈值，对阀门进行优化操作运行以满足要求，若仅阀门操作不能满足要求，则加入各种不同的水锤防护措施后（空气阀、空气罐/调压室等），测试水锤压力波动的消减情况；

⑤ 提供实现上述功能的FORTRAN计算分析子程序封装文件（多个）；

⑥ 提供与实验系统功能相匹配的技术说明文件、封装引擎调用方法说明文件；