На севере Соединенных Штатов и Канады домовладельцы проверяют свои снегоуборщики, запасают дрова и осушают наружные трубы, готовясь к холодной погоде. Для муниципалитетов, тем не менее, водонепроницаемые водопроводные магистрали не так просты - трубы проложены на большой протяженности под землей, и в это время года, мерзлые грунты и перепады температур приводят к образованию мелких трещин в полномасштабных утечках, часто с катастрофическими результатами.
Время от времени вы видите новостные статьи о провалах и разрывах водопроводных сетей, но на самом деле проблема гораздо более распространена, коварна и значительна, чем странная пропасть на городской улице.
Американское общество инженеров-строителей оценивает в своем отчете по инфраструктуре за 2017 год, что в США ежегодно происходит 240 000 аварий на водопроводных магистралях, из которых вытекает 2 триллиона галлонов очищенной питьевой воды. Это означает, что каждый день теряется от 14 до 18 процентов очищаемой воды, что достаточно для обслуживания 15 миллионов домов. И это ухудшается; Исследование, проведенное в 2018 году в Университете штата Юта, показало, что разрывы труб в США и Канаде выросли на 27 процентов за последние шесть лет. Кроме того, счета за воду, оплачиваемые клиентами, недостаточны для финансирования инфраструктуры водоснабжения, и Американская ассоциация водоснабжения оценивает стоимость в 1 триллион долларов, чтобы это исправить. Во многих развивающихся странах проблема еще хуже; консервативная оценка Всемирного банка предполагает, что 35 процентов воды, поступающей в системы распределения, могут быть потеряны в 44 обследованных ими странах. Ежегодно во всем мире теряется около 14 миллиардов долларов.
Противоположным образом, небольшие утечки (менее 10 галлонов в минуту) даже не называются утечками и не учитываются в количестве 240 000 ASCE. Эти меньшие, трудно обнаруживаемые трещины называются «потенциальными утечками» - чтобы называться утечкой, трещина должна выпустить достаточно воды, чтобы она заметно просочилась из-под земли. Но потенциальные утечки превращаются в утечки, а утечки превращаются в разрывы, и миллионы галлонов (и долларов) просачиваются или падают в землю.
Что город делать?
Согласно рекомендациям Американской ассоциации водопроводных компаний, лучшие практики начинаются с аудита воды, который подсчитывает количество воды, которая будет проходить через идеально эффективную систему, и сравнивает ее с количеством, которое фактически используется потребителями, известное как «доходная вода».
«Эффективность использования воды - это довольно хорошо развитый сегмент отрасли, в котором вы пытаетесь контролировать производительность вашей системы с точки зрения доходов и недоходов воды», - говорит Деннис Мутти, президент C3 Water, которая работает с муниципалитетами на юго-западе Онтарио для планирования и оптимизации систем водоснабжения, включая питьевую и сточную воду.
Результат этого аудита дает городам представление о том, сколько воды теряется. Чтобы смягчить это, они часто нанимают подрядчиков для поиска утечек. Обычно обнаружение утечек включает в себя ожидание этих видимых доказательств или систематическую проверку целых систем, открытие гидрантов или рытье труб для установки на них слуховых датчиков в надежде услышать утечку.
На расстоянии сотен миль два разных изобретателя сосредоточились на все меньших утечках двумя совершенно разными способами. Человек внимательно и с помощью искусственного интеллекта прислушивается к тонким изменениям звука текущей воды; другая использует мягкого робота, чтобы осторожно почувствовать легкий рывок, вызванный перепадом давления небольшой утечки. Каждый из них сотрудничал с различными муниципалитетами, и каждый намеревается спасти часть этих миллионов галлонов от попадания в землю.
Когда Ю У рос в Шанхае, один раз в неделю по четвергам, его окрестности отключали воду для своих граждан, чтобы сохранить и предотвратить дефицит воды. «Они закрыли воду для моего сообщества, что может затронуть от четверти миллиона человек до полумиллиона человек», - говорит Ву, который переехал в США в 2008 году и посетил MIT. «Я чувствовал, что мы великие граждане, мы помогали городу беречь воду. Когда я пришел в Массачусетский технологический институт, я понял, подождите секунду, мы экономим воду, но в то же время от 20 до 30 процентов чистой воды было потеряно из-за утечек в той же системе ».
Он начал возиться с датчиками, задаваясь вопросом, есть ли лучший способ найти утечки, прежде чем они станут достаточно плохими, чтобы слышать - или, как это делают некоторые города, дожидаясь полного разрыва труб. Более шести лет он работал над проектом, после окончания которого основал компанию Watchtower Robotics. Эта компания только сейчас запускает пилотные программы для развертывания третьего прототипа Ву, мягкого робота в форме птичьего бадминтона по имени Маяк, который скользит по трубам с потоком воды. Во время движения гибкие датчики следят за несколькими плавниками у основания робота, чтобы обнаружить крошечные рывки, возникающие при прохождении перепада давления, образованного утечками. В конце концов он появляется из нижестоящего пожарного гидранта, и операторы используют эти данные для расчета места утечки. Для этого процесса У получил 10 патентов, а его компания лицензирует их у MIT. Устройство может обнаружить утечку всего 1 галлон в минуту
Во время движения Lighthouse гибкие датчики следят за набором плавников у основания робота, чтобы обнаружить крошечные рывки, возникающие при прохождении перепада давления, образованного утечками. (Предоставлено исследователями) На замерзшем севере - Ватерлоо, Онтарио - группа исследователей модифицирует более традиционный метод, выискивая утечки с помощью искусственного интеллекта. Как и в Сторожевой башне Робототехника, цель состоит в том, чтобы выявлять все меньшие утечки. Они слишком малы, чтобы их можно было обнаружить по изменению давления, и их трудно различить по фоновому шуму, которого много, когда вы закачиваете много воды через трубы. На самом деле, не совсем точно сказать, что они слушают вообще. Их устройство, описанное в недавней статье в Urban Water Journal, утоплено в воду под пожарным гидрантом и использует гидрофонные датчики для мониторинга вибраций в воде на предмет чего-либо необычного. Посредством процесса, называемого анализом спектра сигнала, ИИ математически деконструирует сигнал на компоненты и сравнивает их с вибрациями, не вызывающими утечки.
«Если вы посмотрите на необработанный или полный сигнал, вы не сможете очень легко различить [утечки и неплотные звуки]», - говорит Роя Коди, аспирант Университета Ватерлоо, автор статьи в Urban Water Journal . «Но если вы посмотрите на подкомпоненты, утечка и окружающие случаи выглядят очень по-разному».
Чтобы обучить этот ИИ, то есть дать ему основу для сценариев утечки и отсутствия утечек, с которыми можно сравнивать, исследователи построили сеть из ПВХ труб диаметром 6 дюймов в своей лаборатории, в комплекте с Т-образными соединениями, пожарным гидрантом и моделируемые утечки, расположенные на разных расстояниях от гидрофона. Они подключили его непосредственно к муниципальной системе водоснабжения Ватерлоо, которая стоит 50 фунтов на квадратный дюйм.
В результате получается система, которая может быть реализована на постоянной основе, работать в фоновом режиме и предлагать оповещения при взломе канала; гидрофоны в гидрантах остаются там и работают постоянно, вместо того, чтобы устанавливать и эксплуатировать их для поиска утечек.
Сравнивая своего робота с ИИ Ватерлоо, Ву указывает на важные варианты использования этих технологий. В городской системе плотность каналов и сложной сети поддается прослушивающим устройствам, особенно с помощью компьютерного интеллекта, который может помочь анализировать данные, а не полагаться только на подготовленных технических специалистов. Но переезжайте в пригороды или сельские районы, и длинные отрезки труб - иногда всего несколько домов на километры трубопровода - потребуют слишком много гидрофонов для практического применения. Его робот сияет здесь; просто бросьте его в гидрант и поднимите его снова, много миль вниз по линии.
Награда Джеймса Дайсона в 2018 году назвала «Маяк» национальным победителем в США. (Dyson Awards) Изобретатели теперь участвуют в испытаниях и партнерских отношениях, чтобы набрать свои продукты и подготовить их к продаже. Компания Mutti является промышленным партнером Университета Ватерлоо и помогла этой лаборатории получить стратегический грант от Совета по естественным наукам и инженерным исследованиям Канады для дальнейшей разработки технологии и ее испытания в Гуэлфе, Онтарио. Тем временем, Watchtower Robotics недавно завершила первый пилотный проект в Коридоне, штат Индиана, и планирует еще два в Бостоне и Сан-Антонио. Успех для любой компании будет означать меньше катастрофических разрывов и меньше людей, копающих трубы.
«В конце концов, каждый из этих прорывов требует, чтобы реальные люди, часто в очень неприятных условиях, выбирались, копали, ремонтировали, как правило, в очень короткие сроки», - говорит Мутти. «Чем больше вещей, которые мы можем сделать, чтобы сделать это проще и дать им более совершенные инструменты, с помощью которых это принесет большую пользу не только людям, оплачивающим счет за воду, но и обществу в целом».
