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在我們的日常生活中，飲用水是無可替代的東西。然而這種資源的浪費(fèi)十分嚴(yán)重。不過這種情況有望得到改觀，因?yàn)檠芯咳藛T找到了利用超聲技術(shù)和數(shù)學(xué)法則模擬供水管網(wǎng)正常狀況并查明漏水點(diǎn)的方法。

古代的希臘、羅馬和亞述人利用管道從遙遠(yuǎn)地方運(yùn)來泉水，供給大城市。用經(jīng)過精確切割的石材砌成的運(yùn)河為這些城市人口的繁衍生息提供了保障。這些運(yùn)河有封蓋，可以避免因水蒸發(fā)而發(fā)生的損失，羅馬人還利用水泥來防止漏水。但是古代的工程師們并不能排查隱蔽的漏水，時(shí)至今日，這種問題仍然存在。即便在倫敦這樣的現(xiàn)代化城市，每天也有數(shù)百萬升水由于漏水而流失掉。“這是由于維多利亞時(shí)期建造的供水總管已經(jīng)陳舊不堪。”世界自然基金會(huì)淡水項(xiàng)目干事Martin Geiger介紹道。

根據(jù)*數(shù)據(jù)，在倫敦的3萬公里供水管網(wǎng)中，每個(gè)接頭處每天流失的飲用水量達(dá)217升。若這種流失能減少1%，挽救的飲用水量也能滿足22.4萬人的用水之需。每一處漏水看似微不足道，而且不易察覺，但如果將它們加在一起，漏水總量將令人瞠目。根據(jù)一本教材，在壓力為5巴的條件下，一個(gè)只有1毫米寬的漏水點(diǎn)每小時(shí)就會(huì)滴掉58升水。而這樣的漏水很可能在潛伏相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間后才會(huì)被人們發(fā)現(xiàn)。取決于自來水公司的組織結(jié)構(gòu)，這個(gè)問題可能要三到六個(gè)月才能發(fā)現(xiàn)。

“管網(wǎng)漏水是一個(gè)亟待解決的問題，尤其是在發(fā)展中國(guó)家和供水管道陳舊的地區(qū)。”Geiger表示。在水資源豐富的國(guó)家，漏水造成的損失“不過是”成本和能源，這種損失是因?yàn)閴毫Ρ玫倪\(yùn)轉(zhuǎn)需要耗費(fèi)大量能源。但是在干旱地區(qū)，漏水將帶來性命攸關(guān)的威脅。數(shù)據(jù)顯示，在第三世界，超過10億人無法獲得足夠的飲用水。另據(jù)世界衛(wèi)生組織報(bào)告，全世界有半數(shù)人口居住在面臨干旱危險(xiǎn)的地區(qū)。同時(shí)，飲用水流失只是問題的一個(gè)方面。由于諸如微生物等雜質(zhì)可能會(huì)通過漏洞滲進(jìn)水管，漏水問題還會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)下降。

“印度的某些供水管網(wǎng)中，多達(dá)60%的飲用水在輸送給用戶的途中漏掉了。”Geiger表示。令人棘手的是，漏水點(diǎn)排查是一個(gè)極其耗時(shí)費(fèi)錢的過程。原因之一就在于目前往往只有總管中裝有流量測(cè)量?jī)x（有的供水管網(wǎng)中甚至根本沒有安裝）。那么對(duì)于分支管道中的狀況，只能靠排查人員利用聽力設(shè)備來檢測(cè)漏水與正常分流之間的聲音差異而僥幸發(fā)現(xiàn)。另一原因是很少對(duì)測(cè)量值進(jìn)行全網(wǎng)評(píng)估。

上面介紹的情形不久便有望得到改觀，帶來這一福音的是一款全新系統(tǒng)，它可以監(jiān)聽水流聲音并自動(dòng)檢測(cè)到異常狀況，從而幫助用戶最大限度降低成本不菲的漏水量。通過與慕尼黑西門子中央研究院的同仁密切合作，紐倫堡西門子工業(yè)自動(dòng)化集團(tuán)的研究人員針對(duì)上述問題，開發(fā)出一種解決方案。“我們向客戶提供一個(gè)電工套件，它可以幫助客戶全面管理飲用水供應(yīng)，從水資源的開發(fā)到輸水、供水管網(wǎng)管理，乃至廢水處理，面面俱到。”西門子水處理業(yè)務(wù)部的產(chǎn)品組合管理負(fù)責(zé)人Andreas Pirsing介紹說，“在引進(jìn)我們?nèi)麻_發(fā)的SIWA LeakControl系統(tǒng)后，現(xiàn)在還可以排查出露水點(diǎn)。”

為檢測(cè)漏水情況，工程師們將一個(gè)網(wǎng)段劃分為若干個(gè)區(qū)段，然后只要使用區(qū)區(qū)幾個(gè)基于聲納的超聲流量計(jì)來測(cè)量輸入流量和輸出流量，便可以一種經(jīng)濟(jì)合算的方式分析這些區(qū)段的用水量。該流量測(cè)量解決方案已被包括煉油廠和廢水處理機(jī)構(gòu)在內(nèi)的眾多客戶采用，其價(jià)值得到一次又一次的驗(yàn)證。這種系統(tǒng)易于安裝，可應(yīng)用于任何直徑、任何材料的管道。此外還有一大優(yōu)勢(shì)是它可以安裝在管道外部。維修技術(shù)員只需將流量計(jì)安裝在管道上，然后將其與測(cè)量設(shè)備相連，由測(cè)量設(shè)備通過無線方式將測(cè)量結(jié)果傳輸?shù)焦に嚳刂浦行?。接下來系統(tǒng)會(huì)利用這些數(shù)據(jù)生成某時(shí)間段的流量概覽。

在排查泄漏過程中，夜間的測(cè)量數(shù)據(jù)非常重要，因?yàn)榱璩?點(diǎn)到4點(diǎn)之間的用水量通常應(yīng)該最低。這期間只有管道中的漏水點(diǎn)會(huì)繼續(xù)出水。如果夜間的某個(gè)測(cè)量值大大高出下一個(gè)測(cè)量值，則表明出現(xiàn)了新漏水點(diǎn)。

西門子的測(cè)量算法需要一到兩周的時(shí)間來記錄某個(gè)管網(wǎng)的正常用水情況。此后這些算法便可以自動(dòng)檢測(cè)出新的泄漏。此過程中最難的一步是開發(fā)出足夠智能的算法。

“供水網(wǎng)絡(luò)不是一種入水流量和出水流量都能明確界定的管道系統(tǒng)。”西門子建模、模擬與優(yōu)化（MSO）技術(shù)負(fù)責(zé)人Roland Rosen說道，“我們對(duì)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的水資源一清二楚，但是對(duì)于這些水的去向就沒那么明確了。所以我們要找出尚未知曉的有悖于標(biāo)準(zhǔn)值的偏差。”

統(tǒng)計(jì)學(xué)定律為此問題提供了解決辦法。如果網(wǎng)絡(luò)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)，則測(cè)量值應(yīng)該呈典型分布特征。這就像是骰子游戲。“漏水點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生和灌鉛骰子一樣的效果。”在MSO就職的數(shù)學(xué)家Jan Christoph Wehrstedt解釋道。計(jì)算機(jī)程序監(jiān)視每天晚上的異常測(cè)量值。當(dāng)它們發(fā)現(xiàn)測(cè)量值分布不正常時(shí)，會(huì)發(fā)出警報(bào)。為了盡量減少誤警，這些軟件會(huì)對(duì)多個(gè)區(qū)段的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行比較。“如果在夜間所有管道的水流量突然全都異常升高，那就不是漏水，而可能是因?yàn)樵谶M(jìn)行球賽。”Wehrstedt說，這是他的經(jīng)驗(yàn)之談。之所以出現(xiàn)這種情況，是因?yàn)樵谥袌?chǎng)休息時(shí)觀眾會(huì)紛紛如廁。系統(tǒng)不會(huì)將此類高峰用量考慮在內(nèi)。

無需學(xué)習(xí)階段。“除水流量和壓力分布外，我們最近還采用了蒙特卡洛模擬方法。”Wehrstedt透露。這些模擬是十分復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)過程，可以極其迅速地檢測(cè)出泄漏。“為實(shí)現(xiàn)這一目的，我們?cè)O(shè)計(jì)了供水管網(wǎng)的模擬程序。然后我們的計(jì)算機(jī)利用測(cè)得的入水流量和出水流量計(jì)算網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的水流壓力環(huán)境。這樣，我們就可以模擬分支管道和匯合點(diǎn)的水流量。”他介紹道。最終可以得出一個(gè)工程師們用以進(jìn)行試驗(yàn)的模型。

系統(tǒng)將測(cè)量值與傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，用巧合因素模板替代未知的消費(fèi)者行為。然后蒙特卡洛模擬算法生成模擬值波動(dòng)報(bào)告。這種對(duì)測(cè)量值和模擬值進(jìn)行比對(duì)的方案，使得解決方案可以跳過兩周的學(xué)習(xí)階段。

為進(jìn)一步了解網(wǎng)絡(luò)的可疑漏水區(qū)段，研發(fā)團(tuán)隊(duì)還安裝了額外的傳感器。這樣做避免了動(dòng)用鍬鎬大費(fèi)周章排查問題區(qū)段的麻煩。“蒙特卡洛算法還可以顯示原有泄漏，也就是說，在學(xué)習(xí)階段便已存在的泄漏，而若單憑簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)過程，是無法查明這些泄漏的。”Wehrstedt補(bǔ)充道。工程師們建議自來水公司每個(gè)季度對(duì)其整個(gè)管網(wǎng)進(jìn)行一次排查。若要分析一個(gè)長(zhǎng)約500千米并有數(shù)百個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)大約需要十分鐘。“從數(shù)學(xué)的角度看，要確保某個(gè)城區(qū)的飲用水供應(yīng)在很大程度上就如同分析選舉結(jié)果。”Wehrstedt說道，“在這兩件事中，研究人員都要對(duì)測(cè)量值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，然后估計(jì)未來走勢(shì)。只不過我們現(xiàn)在要預(yù)測(cè)的不是某個(gè)群體會(huì)投誰一票，而是網(wǎng)絡(luò)某個(gè)區(qū)段的用水量。”

在該系統(tǒng)開發(fā)完成后不久，西門子的工程師便在一座大城市對(duì)其進(jìn)行實(shí)測(cè)。泄漏排查人員旋即從中獲益匪淺。“即便我們是在歐洲一個(gè)維護(hù)良好的供水管網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，該軟件在首次運(yùn)行時(shí)，便在城市的每個(gè)角落排查出或多或少的漏水點(diǎn)。自來水公司事先根本沒有察覺到這些漏水情況。”Pirsing回憶道。與傳統(tǒng)的排查方法相比， 在試驗(yàn)期間，SIWA LeakControl系統(tǒng)取得了顯著的節(jié)水效果——每個(gè)已修復(fù)的漏水點(diǎn)每年可節(jié)約數(shù)百升飲用水。不過，這次實(shí)測(cè)卻讓該市的一位市民叫苦不迭。這位市民多年來一直從供水管網(wǎng)非法盜水，為自己的游泳池?fù)Q水。進(jìn)行水網(wǎng)分析后，自來水公司派出一支技術(shù)小組對(duì)此進(jìn)行調(diào)查。這位節(jié)儉的泳池主人最終收到了巨額水費(fèi)單。如果沒有開展這個(gè)分析，今后幾十年內(nèi)，他很可能一直會(huì)在偷來的水中游泳。