一.

城市管网实验装置

产品原理

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。

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。

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。

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；

城市管网实验装置

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。

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。

.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。

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。

7.管网泄漏实验：在综合实验平台上，开展管网泄漏实验。通过控制泄漏模拟装置改变泄漏水量大小观察不同泄漏水量和位置对管网水力状态的影响，掌握管网泄漏的水力学特征。进一步通过快速操作阀门，激发水锤压力波并采集瞬态压力变化信号，进行管道泄漏检测试验。若管道存在泄漏，压力传感器采集的压力波形会存在明显变动，通过对压力传感器采集的压力曲线进行分析，结合基于瞬变流的泄漏检测技术定位泄漏位置，掌握管网泄漏的检测定位方法。

① 研究管道故障的水力瞬变特性，包括管道泄漏（不同尺寸、位置、个数）的影响，以及相互间的耦合作用；

② 通过快速操作阀门，主动激发水锤波，进行泄漏故障诊断；

③ 基于压力传感器实测数据，若与模拟数据匹配度较好，则认为传感器阵列中无异常产生；若匹配度较差，则怀疑产生异常。通过对压力传感器采集的压力曲线进行分析确定泄漏位置；

④ 智能控制阀门和压力分区分析程序结合，进行漏损控制；

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。

8.泵组运行调度实验：通过实验系统/子系统，开展泵组运行调度实验。通过调节阀门、用水量、水箱水位等，构建管网动态运行状态。通过多台水泵启停和变频调节，实现泵组运行调度。结合实时数据观测、水力模拟分析、优化计算等手段，实现泵组优化运行调度,分析泵组运行状态和管网水力响应规律，掌握泵组运行调度的基本原理与技术方法。

① 管网动态模拟功能：同管网水力模型构建实验中的动态模拟功能；

② 泵组静态优化调度功能：针对管网特定运行状态，结合管网水力模型功能，构建以节能运行为目标的泵组运行调度优化模型，并采用智能寻优算法进行求解，得到相应的优化调度方案；

③ 泵组动态优化调度功能：在泵组优化调度功能基础上，结合管网动态模拟功能，根据管网运行状态动态优化泵组调度方案；

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。

9.管网分区设计与管理实验：在综合实验平台上，通过阀门启闭和流量计安装构建不同的管网分区方案，并进行对比分析。结合监测数据和水力模拟分析，了解不同管网分区形式的管网运行状态差异。通过泵组和阀门控制，实现分区管网的压力控制；通过在线监测和泄漏实验操作,实现分区管网的漏损控制与管理。系统掌握管网分区设计和分区管理的基本原理和技术方法。

① 管网分区功能：通过操作阀门和流量计构建不同的管网分区方案；

② 管网分区压力控制功能：针对特定的管网分区方案，通过泵组和阀门控制，改变分区管网的运行状态，实现不同分区管网的运行压力控制；

③ 管网分区漏损监测管理功能：通过调整节点漏失水量，结合流量传感器监测，进行分区管网的水平衡动态分析，判定漏损区域和漏水量大小；

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。