DY-SL001 调水工程有压-无压联合输调水系统虚实结合综合实验平台

一.有压-无压联合输调水系统及实验硬件环境建设

1.有压-无压联合输调水系统基础物理模型平台

本实验台参考滇中引水工程，实验平台长约为50m，宽度约7m，占地350m2。物理模型平台包含有压、无压两部分，通过高位水池连接。

有压输调水系统基础物理模型平台含低位水池、并联泵组、阀门、有压输调水管道、高位水池等。针对实训大厅的建设面积进行工艺系统设计，按照工艺系统设计方案进行有压输调水系统的施工建设，能够展示水从取水设施、输水设施进行联合取水、输水、配水等调水过程的演示。能够为有压管道水锤实验、泵装置性能反演分析实验、阀门过流特性实验、管道局部阻塞实验、管道渗漏实验、管道爆管实验、长距离有压-无压联合输调水系统运行调度实验提供基础物理模型平台。

无压输调水系统基础物理模型平台含高位水池、阀门、典型无压调水管道（包括：隧洞、暗涵、倒虹吸、渡槽）、分水口、溢流堰、低位水池等。针对实训大厅的建设面积进行工艺系统设计，按照工艺系统设计方案进行无压输调水系统的施工建设，能够展示水从取水设施、输水设施进行联合取水、输水、配水等调水过程的演示。能够为无压非恒定流实验、倒虹吸实验、长距离有压-无压联合输调水系统运行调度实验提供基础物理模型平台。

2.有压-无压联合输调水系统数据测量及采集系统

（1）流量传感器

用途：各级管道各布置一个，测量关键性的流量数值。

（2）压力传感器

用途：布置在管道节点处，测量关键性的流量数值。

（3）电子阀

用途：控制阀门启闭

3.有压-无压联合输调水系统水循环系统

自动水循环系统：包括上下游水箱、水管、三通、活接等组件，平台用水可重复循环利用，节约用水。配有下水箱的的水位显示器一套，包含溢流装置、稳流装置和排水装置等。实时显示水箱水位数值，避免水箱中的水溢出或缺水等情况的发生。

4.有压-无压联合输调水系统电气系统

有压-无压联合输调水系统电气系统由配电柜、电源模块、空气开关、交流接触器、可编程序控制器、中间继电器、接线端子、电源线及线标等内容组成。所有模块由电缆连接到电控柜，通过可编程控制器对各电路进行控制。采用PLC控制设备将给有压-无压联合输调水系统的流量传感器与压力传感器进行信号管理，为数字孪生系统实时、准确、自动地提供及时、有效、真实的数据，以实现管理层与执行层信息的交流和协同工作，满足实训、实验、管理所需的数据与管理需求，有效提高数字孪生系统的管理能力，并为学生实验提供有效的实验数据。

（1）各测点传感器：根据有压输调水系统现场情况对已有的设备进行连通调试，对没有的硬件设备进行采购安装；

（2）综合控制柜：综合接入数据，并且是信号传输的基础硬件；

（3）数据通信光端机：将数字信号转化为光信号进行传输；

（4）PCI扩展卡：用于电脑和服务器的PCI接口扩展，使其具有专有数据的接入能力；

连接有压输调水系统平台各用电元器件、线槽等按电路系统图或者电路表进行规范化布线连线，并做好规范的电路标识。

5.有压-无压联合输调水系统控制系统

（1）可不限于使用Python、Java、C、C++、JavaScript、C#、Ruby、PHP以及Objective-C等编程语言中的一种或多种来进行控制系统的开发；

（2）控制程序软件UI界面进行个性化定制设计，按钮功能简洁明了，控制分区逻辑布局清晰合理。

6.有压-无压联合输调水系统配套设施

本系统能够服务于有压-无压联合输调水系统相关实验教学的功能应用。主要硬件设备如下：

（1）显示屏：采用约8平方的壁挂式LED显示屏作为展示大屏，可用于有压-无压联合输调水系统平台的实时设备远程控制及智慧运行调度系统展示载体。

（2）高性能电脑：配置高性能台式电脑，作为虚拟仿真软件系统及智控系统的运行载体，满足日常教学活动及监控指挥决策所需。

（3）多媒体讲台：规格尺寸约长1000mm×宽700mm×高1000mm，冷轧钢板+高密度板，为可拆装结构。

（4）音响系统：配置音响系统，用于语音讲解的输出。

二.配套数字孪生实验子系统

1.DY-SL001-11 调水工程数字孪生子系统

2.DY-SL001-12 有压管道水锤虚实结合实验系统

3.DY-SL001-13 泵装置性能反演分析虚实结合实验系统

4.DY-SL001-14 阀门过流特性虚实结合实验系统

5.DY-SL001-15 管道局部阻塞虚实结合实验系统

6.DY-SL001-16 管道渗漏虚实结合实验系统

7.DY-SL001-17 管道爆管虚实结合实验系统

8.DY-SL001-18 无压非恒定流虚实结合实验系统

9.DY-SL001-19 倒虹吸特性虚实结合实验系统

10.DY-SL001-20 长距离有压-无压联合输调水系统运行调度虚实结合实验系统

三.长距离有压输水系统高精度爆管渗漏监测实验平台

在过去的几十年，出现了很多爆管渗漏检测的相关技术，如声学技术、探地雷达、气体示踪、电磁技术和光纤传感等。传统的爆管、渗漏定位技术普遍存在成本高、效率低、精度差、检测范围小等缺陷。与许多商业化的爆管渗漏检测技术相比，基于瞬态的检测方法具有响应速度快、可在线监测、操作范围广等优点。因此，该平台的建设可为实际输水管线爆管和渗漏的监测提供前沿解决方案，助力教学、科研和实际工程应用。

建设目标：实现有压输水系统爆管渗漏相关的系列智能实验，支撑对有压管道爆管渗漏相关理论与技术应用的实验实训开展。

本实验平台包含硬件和软件两部分。硬件规格配置包括：在有压输调水系统基础物理模型平台、管道渗漏虚实结合实验系统和管道爆管虚实结合实验系统的基础上，增设：爆管渗漏实验智能监测系统（高频压力传感器和高精度水听器）、爆管渗漏实验智能采集传输系统（远程终端装置RTU）、高性能计算服务器。

1.爆管渗漏虚实结合实验软件系统功能：

（1）管道压力实时监测和展示

内置高精度数据清洗和滤波算法引擎，基于不同关键位置的多个高频压力传感器，实时监测和展示压力瞬变信号。

（2）爆管风险评估

基于设定的压力阈值参数、历时数据和流场重构技术，统计系统各区域异常压力瞬变事件发生次数及持续时间，利用算法进行有效性评估，并在软件平台界面中展示并标记有爆管风险的区域。

（3）爆管诊断与定位

通过流场重构和特征匹配技术快速实现爆管的精准诊断，通过压力溯源技术实现爆管的精准定位。功能指标要求：针对实际工程，爆管报警时间在爆管发生后2min以内；报警准确度不低于90%；爆管定位精度优于±5m（此指标对感知设备精度、布置有要求，需结合现场实际情况研究给定）；爆管分析全过程展示。

（4）异常压力瞬变源分析

通过压力溯源技术，寻找非爆管引起的异常瞬变源，快速展示和标记，并分析产生的原因。

（5）压力、音频和音频转化后的声压监测数据展示

（6）基于声波联合技术的渗漏诊断

基于压力监测数据和噪声数据，进行频谱分析和特征参数计算，据此判定是否发生渗漏。

（7）基于声波联合技术的渗漏定位

基于压力监测数据和噪声数据进行波速精准率定，通过压力监测数据和噪声数据的互相关分析，确定渗漏位置。功能指标要求：定位精度优于±2m（此指标对感知设备精度、布置有要求，需结合现场实际情况研究给定）；渗漏分析全过程展示。

2.技术要求

（1）爆管渗漏实验仿真单元和瞬态波击发装置

A. 规格：含爆管渗漏仿真基础物理模块3套，瞬态波击发装置1套。

B. 配置：针对基础物理平台实际布置情况，选择相应的爆管渗漏发生位置，并配有爆管模拟阀和排水管段；瞬态激发装置包瞬态激发侧阀和排水管段。

C. 主要功能指标：为整个有爆管渗漏实验系统提供爆管物理仿真模块，可单独控制每个爆管渗漏的大小；瞬态击发装置要求能够快速向系统发射水锤波，可产生较高频率响应。

D. 系统设计及性能能够满足实验相关需求。

（2）爆管渗漏实验智能监测系统

A. 规格：含高精度感知单元1套。

B. 配置：高精度感知单元具体包括：高频压力传感器、高精度水听器、高精度流量计

C. 主要功能指标：为整个爆管渗漏实验系统提供主支管道流量、爆管流量、关键节点压力控制调节等实验监测数据基础。

D. 系统设计及性能能够满足实验相关需求。

（3）爆管渗漏实验智能采集传输系统

A. 规格：包含智能采集板卡1套、数据清洗系统1套、智能采集系统1套、采集线缆等。

B. 配置：采集线缆，要求能够满足实验采集线缆要求，衰减小；智能采集板卡1套，接口数量能够满足实验数据采集要求，电流接口；数据清洗系统1套，满足实验数据清洗要求，嵌入实验智能控制系统；智能采集系统1套，满足实验数据自动采集，并嵌入实验智能控制系统。

C. 主要功能指标：为有压管道爆管渗漏实验智能分析控制系统提供各水力要素参数的信息数据基础。

D. 系统设计及性能能够满足实验相关需求。

（4）高性能计算服务器