一.有壓-無壓聯合管道輸調水系統及實驗硬件環境建設

1.有壓-無壓聯合輸調水系統基礎物理模型平臺

本實驗臺參考滇中引水工程，實驗平臺長約為50m，寬度約7m，占地350m2。物理模型平臺包含有壓、無壓兩部分，通過高位水池連接。

有壓輸調水系統基礎物理模型平臺含低位水池、并聯泵組、閥門、有壓輸調水管道、高位水池等。針對實訓大廳的建設面積進行工藝系統設計，按照工藝系統設計方案進行有壓輸調水系統的施工建設，能夠展示水從取水設施、輸水設施進行聯合取水、輸水、配水等調水過程的演示。能夠為有壓管道水錘實驗、泵裝置性能反演分析實驗、閥門過流特性實驗、管道局部阻塞實驗、管道滲漏實驗、管道爆管實驗、長距離有壓-無壓聯合輸調水系統運行調度實驗提供基礎物理模型平臺。

無壓輸調水系統基礎物理模型平臺含高位水池、閥門、典型無壓調水管道（包括：隧洞、暗涵、倒虹吸、渡槽）、分水口、溢流堰、低位水池等。針對實訓大廳的建設面積進行工藝系統設計，按照工藝系統設計方案進行無壓輸調水系統的施工建設，能夠展示水從取水設施、輸水設施進行聯合取水、輸水、配水等調水過程的演示。能夠為無壓非恒定流實驗、倒虹吸實驗、長距離有壓-無壓聯合輸調水系統運行調度實驗提供基礎物理模型平臺。

2.有壓-無壓聯合輸調水系統數據測量及采集系統

（1）流量傳感器

用途：各級管道各布置一個，測量關鍵性的流量數值。

（2）壓力傳感器

用途：布置在管道節點處，測量關鍵性的流量數值。

（3）電子閥

用途：控制閥門啟閉

3.有壓-無壓聯合輸調水系統水循環系統

自動水循環系統：包括上下游水箱、水管、三通、活接等組件，平臺用水可重復循環利用，節約用水。配有下水箱的的水位顯示器一套，包含溢流裝置、穩流裝置和排水裝置等。實時顯示水箱水位數值，避免水箱中的水溢出或缺水等情況的發生。

4.有壓-無壓聯合輸調水系統電氣系統

有壓-無壓聯合輸調水系統電氣系統由配電柜、電源模塊、空氣開關、交流接觸器、可編程序控制器、中間繼電器、接線端子、電源線及線標等內容組成。所有模塊由電纜連接到電控柜，通過可編程控制器對各電路進行控制。采用PLC控制設備將給有壓-無壓聯合輸調水系統的流量傳感器與壓力傳感器進行信號管理，為數字孿生系統實時、準確、自動地提供及時、有效、真實的數據，以實現管理層與執行層信息的交流和協同工作，滿足實訓、實驗、管理所需的數據與管理需求，有效提高數字孿生系統的管理能力，并為學生實驗提供有效的實驗數據。

（1）各測點傳感器：根據有壓輸調水系統現場情況對已有的設備進行連通調試，對沒有的硬件設備進行采購安裝；

（2）綜合控制柜：綜合接入數據，并且是信號傳輸的基礎硬件；

（3）數據通信光端機：將數字信號轉化為光信號進行傳輸；

（4）PCI擴展卡：用于電腦和服務器的PCI接口擴展，使其具有專有數據的接入能力；

連接有壓輸調水系統平臺各用電元器件、線槽等按電路系統圖或者電路表進行規范化布線連線，并做好規范的電路標識。

5.有壓-無壓聯合輸調水系統控制系統

（1）可不限于使用Python、Java、C、C++、JavaScript、C#、Ruby、PHP以及Objective-C等編程語言中的一種或多種來進行控制系統的開發；

（2）控制程序軟件UI界面進行個性化定制設計，按鈕功能簡潔明了，控制分區邏輯布局清晰合理。

6.有壓-無壓聯合輸調水系統配套設施

本系統能夠服務于有壓-無壓聯合輸調水系統相關實驗教學的功能應用。主要硬件設備如下：

（1）顯示屏：采用約8平方的壁掛式LED顯示屏作為展示大屏，可用于有壓-無壓聯合輸調水系統平臺的實時設備遠程控制及智慧運行調度系統展示載體。

（2）高性能電腦：配置高性能臺式電腦，作為虛擬仿真軟件系統及智控系統的運行載體，滿足日常教學活動及監控指揮決策所需。

（3）多媒體講臺：規格尺寸約長1000mm×寬700mm×高1000mm，冷軋鋼板+高密度板，為可拆裝結構。

（4）音響系統：配置音響系統，用于語音講解的輸出。

二.配套數字孿生實驗子系統

1.DY-SL001-11 調水工程數字孿生子系統

2.DY-SL001-12 有壓管道水錘虛實結合實驗系統

3.DY-SL001-13 泵裝置性能反演分析虛實結合實驗系統

4.DY-SL001-14 閥門過流特性虛實結合實驗系統

5.DY-SL001-15 管道局部阻塞虛實結合實驗系統

6.DY-SL001-16 管道滲漏虛實結合實驗系統

7.DY-SL001-17 管道爆管虛實結合實驗系統

8.DY-SL001-18 無壓非恒定流虛實結合實驗系統

9.DY-SL001-19 倒虹吸特性虛實結合實驗系統

10.DY-SL001-20 長距離有壓-無壓聯合輸調水系統運行調度虛實結合實驗系統

三.長距離有壓輸水系統高精度爆管滲漏監測實驗平臺

在過去的幾十年，出現了很多爆管滲漏檢測的相關技術，如聲學技術、探地雷達、氣體示蹤、電磁技術和光纖傳感等。傳統的爆管、滲漏定位技術普遍存在成本高、效率低、精度差、檢測范圍小等缺陷。與許多商業化的爆管滲漏檢測技術相比，基于瞬態的檢測方法具有響應速度快、可在線監測、操作范圍廣等優點。因此，該平臺的建設可為實際輸水管線爆管和滲漏的監測提供前沿解決方案，助力教學、科研和實際工程應用。

建設目標：實現有壓輸水系統爆管滲漏相關的系列智能實驗，支撐對有壓管道爆管滲漏相關理論與技術應用的實驗實訓開展。

本實驗平臺包含硬件和軟件兩部分。硬件規格配置包括：在有壓輸調水系統基礎物理模型平臺、管道滲漏虛實結合實驗系統和管道爆管虛實結合實驗系統的基礎上，增設：爆管滲漏實驗智能監測系統（高頻壓力傳感器和高精度水聽器）、爆管滲漏實驗智能采集傳輸系統（遠程終端裝置RTU）、高性能計算服務器。

1.爆管滲漏虛實結合實驗軟件系統功能：

（1）管道壓力實時監測和展示

內置高精度數據清洗和濾波算法引擎，基于不同關鍵位置的多個高頻壓力傳感器，實時監測和展示壓力瞬變信號。

（2）爆管風險評估

基于設定的壓力閾值參數、歷時數據和流場重構技術，統計系統各區域異常壓力瞬變事件發生次數及持續時間，利用算法進行有效性評估，并在軟件平臺界面中展示并標記有爆管風險的區域。

（3）爆管診斷與定位

通過流場重構和特征匹配技術快速實現爆管的精準診斷，通過壓力溯源技術實現爆管的精準定位。功能指標要求：針對實際工程，爆管報警時間在爆管發生后2min以內；報警準確度不低于90%；爆管定位精度優于±5m（此指標對感知設備精度、布置有要求，需結合現場實際情況研究給定）；爆管分析全過程展示。

（4）異常壓力瞬變源分析

通過壓力溯源技術，尋找非爆管引起的異常瞬變源，快速展示和標記，并分析產生的原因。

（5）壓力、音頻和音頻轉化后的聲壓監測數據展示

（6）基于聲波聯合技術的滲漏診斷

基于壓力監測數據和噪聲數據，進行頻譜分析和特征參數計算，據此判定是否發生滲漏。

（7）基于聲波聯合技術的滲漏定位

基于壓力監測數據和噪聲數據進行波速精準率定，通過壓力監測數據和噪聲數據的互相關分析，確定滲漏位置。功能指標要求：定位精度優于±2m（此指標對感知設備精度、布置有要求，需結合現場實際情況研究給定）；滲漏分析全過程展示。

2.技術要求

（1）爆管滲漏實驗仿真單元和瞬態波擊發裝置

A. 規格：含爆管滲漏仿真基礎物理模塊3套，瞬態波擊發裝置1套。

B. 配置：針對基礎物理平臺實際布置情況，選擇相應的爆管滲漏發生位置，并配有爆管模擬閥和排水管段；瞬態激發裝置包瞬態激發側閥和排水管段。

C. 主要功能指標：為整個有爆管滲漏實驗系統提供爆管物理仿真模塊，可單獨控制每個爆管滲漏的大小；瞬態擊發裝置要求能夠快速向系統發射水錘波，可產生較高頻率響應。

D. 系統設計及性能能夠滿足實驗相關需求。

（2）爆管滲漏實驗智能監測系統

A. 規格：含高精度感知單元1套。

B. 配置：高精度感知單元具體包括：高頻壓力傳感器、高精度水聽器、高精度流量計

C. 主要功能指標：為整個爆管滲漏實驗系統提供主支管道流量、爆管流量、關鍵節點壓力控制調節等實驗監測數據基礎。

D. 系統設計及性能能夠滿足實驗相關需求。

（3）爆管滲漏實驗智能采集傳輸系統

A. 規格：包含智能采集板卡1套、數據清洗系統1套、智能采集系統1套、采集線纜等。

B. 配置：采集線纜，要求能夠滿足實驗采集線纜要求，衰減小；智能采集板卡1套，接口數量能夠滿足實驗數據采集要求，電流接口；數據清洗系統1套，滿足實驗數據清洗要求，嵌入實驗智能控制系統；智能采集系統1套，滿足實驗數據自動采集，并嵌入實驗智能控制系統。

C. 主要功能指標：為有壓管道爆管滲漏實驗智能分析控制系統提供各水力要素參數的信息數據基礎。

D. 系統設計及性能能夠滿足實驗相關需求。

（4）高性能計算服務器