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智能堤壩保平安

從絕妙的創(chuàng)意到即將成型的產(chǎn)品：Bernhard Lang是西門子堤壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的。

借助采用智能數(shù)據(jù)評(píng)估技術(shù)的學(xué)習(xí)系統(tǒng)，人們可以對(duì)至關(guān)重要的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。一個(gè)深知哪些要素可確保堤壩堅(jiān)不可摧的新型早期預(yù)警系統(tǒng)，能夠挽救寶貴的生命。

堤壩開(kāi)始移動(dòng)。護(hù)坡草皮從壩體外墻剝落、下滑。然后，壩底粘土層開(kāi)始升高。有幾秒鐘時(shí)間，壩體仿佛從內(nèi)向外膨脹，像氣球一樣鼓了起來(lái)。緊接著，壓力急遽升高，粘土層斷裂，棕色的洪流從由此形成的深邃裂縫中噴涌而出，沖向堤壩前方的草原。下方地面塌陷之后，放置在堤壩頂部的水箱即歪歪扭扭地沉入裂縫。決堤現(xiàn)象，發(fā)生了。

在決堤真正發(fā)生之前，這一幕將首先出現(xiàn)在平板電腦上

2014年自然災(zāi)害

Bernhard Lang的臉上露出了滿意的笑容。決堤實(shí)驗(yàn)成功地證明，Lang開(kāi)發(fā)的防洪早期預(yù)警系統(tǒng)是奏效的。Lang是西門子的一名工程師，4年前，他開(kāi)始與來(lái)自俄羅斯的研究人員合作，開(kāi)發(fā)這套系統(tǒng)。Lang的想法是“開(kāi)發(fā)某種能夠防洪的東西。”他研制的堤壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)已準(zhǔn)備投放市場(chǎng)。

實(shí)驗(yàn)中，這個(gè)*的系統(tǒng)可提前計(jì)算出壩體潰決的確切部位，精確度可達(dá)到最后一米。此外，這個(gè)系統(tǒng)甚至能展示潰決的過(guò)程。在“決堤”發(fā)生前幾天，Lang在其平板電腦調(diào)出的堤壩虛擬橫截面上，顯示了一塊鮮紅色的區(qū)域。紅色意味著標(biāo)記區(qū)域內(nèi)的材料將滑落。在系統(tǒng)預(yù)測(cè)的時(shí)間，所發(fā)生的正是這種情況。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，研究人員平靜地觀察著微小的裂縫逐漸擴(kuò)大，直至達(dá)到事先確定的決堤點(diǎn)。研究人員甚至可通過(guò)同時(shí)從多個(gè)側(cè)面利用水對(duì)受測(cè)堤壩施加壓力，引發(fā)決堤。實(shí)際上，他們可以提前數(shù)星期甚或數(shù)月，確切探知哪里的情況會(huì)變得十分危急，必須加固或重建堤壩的哪些部位。

極端天氣形勢(shì)要求復(fù)雜的保護(hù)措施

全球自然災(zāi)害分布圖

自從建起*座堤壩以來(lái)，人們就一直想要預(yù)測(cè)這種保護(hù)其人身和基礎(chǔ)設(shè)施安全的堡壘，什么時(shí)候會(huì)破裂。如今，人們?cè)絹?lái)越迫切地需要具備這種能力。在歐洲，三分之二以上的城市已經(jīng)不得不定期采取措施來(lái)保護(hù)居民和工業(yè)設(shè)施免受洪災(zāi)侵襲——不僅是沿海城市，那些依河而建、飽受泛濫之災(zāi)的城市，也都面臨著這種處境。日益頻發(fā)的氣候變化導(dǎo)致了極端天氣，有關(guān)當(dāng)局更緊迫地需要借助可靠的系統(tǒng)來(lái)保護(hù)居民和基礎(chǔ)設(shè)施。

全球自然災(zāi)害

2013年，全球自然災(zāi)害造成的全部損失中，有37%左右與洪災(zāi)有關(guān)，比1980年以來(lái)數(shù)十年間的平均值22%高得多。過(guò)去，荷蘭遭遇的洪災(zāi)格外頻繁。荷蘭全國(guó)四分之一以上的陸地低于海平面，其領(lǐng)土的60%可能受洪災(zāi)影響。這些區(qū)域生活著許多人，占荷蘭經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值的80%。

“有時(shí)候我禁不住納悶，為什么我們荷蘭人過(guò)去要將所有重要建筑物修建在海平面以下的地方？”Peter Jansen開(kāi)玩笑道，他是Waternet Amsterdam公司——阿姆斯特丹的自來(lái)水公司——的一名部門負(fù)責(zé)人。Waternet公司負(fù)責(zé)大阿姆斯特丹地區(qū)長(zhǎng)達(dá)1000多公里的堤壩。這些堤壩所守護(hù)的700平方公里的土地上生活著100多萬(wàn)人。除保障飲用水供應(yīng)及處理污水外，Waternet公司還代表地方水文局Amstel, Gooi en Vecht開(kāi)展防洪防汛工作。盡管監(jiān)測(cè)堤壩是Waternet公司的常規(guī)任務(wù)之一，但它從未能像現(xiàn)在這樣精確地執(zhí)行這項(xiàng)任務(wù)。

Waternet Amsterdam公司利用西門子技術(shù)，對(duì)阿姆斯特丹的一座綿延5公里的堤壩進(jìn)行監(jiān)測(cè)。（圖片來(lái)源：Google/Waternet）

Jansen解釋道，“到目前為止，取決于其建筑材料，我們每隔5到30年，會(huì)對(duì)堤壩進(jìn)行一次維護(hù)。”平面圖揭示了每座堤壩的構(gòu)造，哪些部位是由沙、粘土、泥炭或土壤構(gòu)成的。過(guò)去，檢查員不得不定期對(duì)堤壩進(jìn)行測(cè)量，以核查其穩(wěn)定性。Jansen表示，“那時(shí)候，每隔幾年，就會(huì)有幾位專家驅(qū)車前往堤壩進(jìn)行實(shí)地勘查，并將測(cè)量?jī)x器安裝到地下。”操作人員必須向地方當(dāng)局報(bào)告檢查結(jié)果。Jansen說(shuō)：“我們負(fù)責(zé)維護(hù)堤壩的穩(wěn)固。”

每隔一分鐘傳送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

如今，Jansen每隔一小時(shí)就能在他的手機(jī)上收到這些信息。如果數(shù)據(jù)中有值得注意的地方，Jansen甚至可以將消息發(fā)送頻次提高至每分鐘一次。這是否意味著所有堤壩的檢查間隔都從30年縮短到了60秒？那倒未必。因?yàn)?，迄今為止，僅在阿姆斯特丹5公里長(zhǎng)的Ringdijks堤壩上，安裝了這個(gè)由Lang及其在西門子中央研究院的同事共同開(kāi)發(fā)的早期預(yù)警和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。Waternet公司是這個(gè)系統(tǒng)的試點(diǎn)客戶。Jansen還可以要求這個(gè)系統(tǒng)在曲線圖上顯示關(guān)于堤壩特定區(qū)段、特定地點(diǎn)的實(shí)時(shí)信息，或者自動(dòng)將歷史數(shù)據(jù)合并到一個(gè)圖表中。這個(gè)系統(tǒng)的發(fā)明者Bernhard Lang解釋道，“所有數(shù)據(jù)都在這個(gè)系統(tǒng)里，可以按我們想要的任何方式加以合并。”

這些數(shù)據(jù)是由按100米間距部署在堤壩內(nèi)的傳感器采集的。這些傳感器散布于水面上方和下方，它們負(fù)責(zé)測(cè)量堤壩內(nèi)部的溫度、壓力和濕度，以及泄洪道的水深和水溫。傳感器和通信裝置連接——一些配備了SIM卡的小盒子。通信裝置則利用GPRS移動(dòng)無(wú)線通信服務(wù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至位于德國(guó)Karlsruhe的中央控制室。中央控制室將這些不起眼的初步測(cè)量結(jié)果從原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為智慧數(shù)據(jù)，以便發(fā)送至任何移動(dòng)終端。

如果系統(tǒng)測(cè)得堤壩內(nèi)部溫度達(dá)到14攝氏度，那么，這可能意味著什么地方出了差錯(cuò)，因?yàn)榈叵滤疁囟燃s為8攝氏度，堤壩內(nèi)部也應(yīng)當(dāng)是這個(gè)溫度。溫度偏高可能意味著有溫度較高的水從外部滲入。但在系統(tǒng)發(fā)出告警之前，它首先會(huì)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，與諸如地下水深度、每年這個(gè)時(shí)候受影響區(qū)域內(nèi)的正常降水量，以及該區(qū)域最近是否發(fā)生旱情從而導(dǎo)致堤壩蓄水量增加等預(yù)訓(xùn)知識(shí)進(jìn)行比對(duì)。

西門子工程師Bernhard Lang（左）與Waternet公司的Haroen Lemmers（右）正在操制水下傳感器的連接。

Lang解釋道，“堤壩如同具有生命的有機(jī)體。它會(huì)膨脹和收縮。水滲入堤壩這一事實(shí)，并不一定意味著存在任何危險(xiǎn)。”正因如此，研究人員也需要了解受影響區(qū)域內(nèi)的堤壩的建筑材料，因?yàn)檫@樣他們才能確定坡面的穩(wěn)定系數(shù)。這其中涉及多個(gè)因素。但得益于采用新傳感器數(shù)據(jù)、學(xué)習(xí)系統(tǒng)持續(xù)不斷采集的長(zhǎng)期數(shù)據(jù)，以及數(shù)學(xué)模型，這些因素將被合并成一個(gè)奇妙的統(tǒng)一整體。

做到這一點(diǎn)，全靠能分辨出一般偏差和異常狀況的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。20世紀(jì)90年代末期，當(dāng)時(shí)的西門子神經(jīng)計(jì)算部門開(kāi)發(fā)了有關(guān)軟件。從那以后，這款軟件的穩(wěn)定性得到了不斷提高。如今，這款軟件可以抽取并推算在沿堤壩的關(guān)鍵點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)。假若條件相同的話，這個(gè)系統(tǒng)可以根據(jù)其知識(shí)，推斷出關(guān)于并未安裝傳感器的堤段的精確結(jié)論。

彩色區(qū)域表示危險(xiǎn)地帶

依水而建的城市：阿姆斯特丹市中心

經(jīng)過(guò)處理，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為圖表和直觀的二維彩圖，以便客戶能看清堤壩的哪些區(qū)段存在洪災(zāi)隱患。西門子解決方案還能進(jìn)行場(chǎng)景演示，以表明如果水位升高或壓力增大，在特定時(shí)刻會(huì)發(fā)生什么情況。此外，它還能顯示如果堤壩是一段有重型卡車行駛的道路，情況會(huì)變得多么糟糕。

Jansen說(shuō)：“當(dāng)然，我們總是不得不應(yīng)對(duì)這樣的問(wèn)題。然而，我們過(guò)去所掌握的信息是理論上的、不精確的?，F(xiàn)在，這些信息則是具體而又精確的。”Jansen認(rèn)為，由于不確定堤壩內(nèi)部究竟發(fā)生了什么，人們有時(shí)不必要地采取了大規(guī)模的安防措施。他說(shuō)：“這樣的措施成本高昂——建造一段一公里長(zhǎng)的新堤壩，至少需要100萬(wàn)歐元的成本。但這些堤壩甚至也不安全，因?yàn)槿藗冋莆盏臄?shù)據(jù)實(shí)在太少了。”

成本最多降低20%

Jansen預(yù)計(jì)，在使用了西門子技術(shù)的區(qū)域，Waternet公司將能每年節(jié)約至少20%的維護(hù)成本。盡管削減了成本，Waternet公司卻能收到更多、更好的信息。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，Jansen希望在更多堤壩區(qū)段安裝傳感器。“當(dāng)然，我們不能在每個(gè)地方都安裝傳感器，因?yàn)檫@樣做的成本太高。但我們可以選擇某些典型區(qū)域，并從在這些區(qū)域獲得的數(shù)據(jù)中提煉信息?？煽康闹腔蹟?shù)據(jù)是我們保護(hù)生命的工具。”