Overalt i det nordlige USA og Canada kontrollerer husejere deres sneblæsere, lagrer brænde og dræner udendørs rør i forberedelse til koldt vejr. For kommuner er det imidlertid ikke så nemt med vinterisoleret vandledning - rørene kører i lange strækninger under jorden, og denne tid af året forårsager frosset jord og temperaturforskelle, at fine revner udvikler sig til fuldblæst lækager, ofte med katastrofale resultater.
Du kan fra tid til anden se nyhedsartikler om synkehuller og vandhovedbrud, men problemet er faktisk langt mere udbredt, lumsk og påvirkende end det ulige kløft i en bygade.
American Society of Civil Engineers estimerer i sit 2017-infrastrukturrapportkort, at 240.000 vandhovedbrud forekommer årligt i USA, hvor 2 billioner gallons behandlet drikkevand slipper ud. Dette betyder, at 14 til 18 procent af det vand, der behandles hver dag, går tabt, nok til at tjene 15 millioner hjem. Og det forværres; en undersøgelse fra Utah State University i 2018 fandt, at rørbrud i USA og Canada er steget med 27 procent i de sidste seks år. Derudover er de vandregninger, som kunderne betaler, ikke nok til at finansiere vandinfrastrukturen, og den amerikanske vandværksforening estimerer en $ 1 billion billion pris til at ordne den. I mange udviklingslande er problemet værre; Verdensbankens konservative estimat antyder, at 35 procent af vand, der sættes i distributionssystemer, kan gå tabt i de 44 lande, de undersøgte. Cirka 14 mia. Dollars er værd at miste om året rundt i verden.
Modsat kaldes små lækager (mindre end 10 gallons per minut) ikke engang lækager og tæller ikke med til ASCE's antal på 240.000. Disse mindre, vanskeligt fundne revner kaldes ”potentielle lækager” - for at blive kaldt en lækage skal sprækken frigive nok vand til, at den synliggøres synligt fra jorden. Men potentielle lækager bliver lækager, og lækager bliver brud, og millioner af gallon (og dollars) siver eller hældes i jorden.
Hvad skal en by gøre?
Bedste fremgangsmåder ifølge American Water Works Association starter med en vandrevision, der beregner mængden af vand, der ville rejse gennem et ideelt effektivt system, og sammenligne det med det beløb, der faktisk bliver brugt af forbrugere, kendt som "indtægtsvand."
”Vandeffektivitet er et forholdsvis veludviklet segment i branchen, hvor du ser på at prøve at overvåge ydeevnen for dit system med hensyn til indtægter og vand uden indtægter, ” siger Dennis Mutti, præsident for C3 Water, der fungerer med kommuner i det sydvestlige Ontario for at planlægge og optimere vandsystemer, herunder drikkevand og spildevand.
Resultatet af denne revision giver byerne en idé om, hvor meget vand der går tabt. For at mindske det lejer de ofte entreprenører til at se efter lækager. Konventionelt involverer lækagedetektion at vente på det synlige bevis, eller systematisk kontrollere hele systemer, åbne hydranter eller grave op rør for at placere auditive sensorer på dem i håb om at høre en lækage.
Hundredvis af kilometer fra hinanden nulstilles to forskellige opfindere på stadig mindre lækager på to meget forskellige måder. Man lytter omhyggeligt og ved hjælp af kunstig intelligens for subtile ændringer i lyden af rindende vand; den anden bruger en blød robot til omhyggelig at føle sig for den blide slæbebånd lavet af trykforskellen i en lille lækage. Hver har samarbejdet med forskellige kommuner, og hver har til hensigt at redde en del af disse millioner af gallon fra at flygte i jorden.
Da You Wu voksede op i Shanghai, en gang om ugen på torsdage, ville hans kvarter slukke vand for sine borgere som en måde at bevare og forhindre vandmangel. ”De lukker vandet for mit samfund, som måske rammer en kvart million mennesker til en halv million mennesker, ” siger Wu, der flyttede til USA i 2008 og deltog i MIT. ”Jeg følte, at vi var store borgere, og vi hjalp byen med at bevare vand. Da jeg kom til MIT, indså jeg, vent et øjeblik, vi sparer vand, men på samme tid mistede 20 til 30 procent af det rene vand sig lækager i det samme system. ”
Han begyndte at rodde rundt med sensorer og spekulerer på, om der er en bedre måde at finde lækager på, før de bliver dårlige nok til at høre - eller som nogle byer gør, og venter, indtil rørene går helt åbent. I løbet af seks år arbejdede han med projektet og grundlagde et firma, Watchtower Robotics, efter eksamen. Dette firma er lige nu i gang med pilotprogrammer for at implementere Wus tredje prototype, en badminton birdieformet blød robot kaldet Fyrtårn, der glider gennem rørene med vandstrømmen. Mens den kører, overvåger flexsensorer et sæt flipper i bunden af roboten for de små slæbebåde, der sker, når det passerer trykforskelle dannet af lækager. Til sidst springer det ud af en nedstrøms brandhane, og operatører bruger dataene til at beregne, hvor lækagen kan være. Til denne proces har Wu opnået 10 patenter, og hans firma licenserer dem fra MIT. Enheden kan registrere en lækage så lille som 1 gallon per minut
Mens fyrtårn rejser, overvåger flexsensorer et sæt flippere i bunden af roboten for de små slæbebåde, der sker, når det passerer trykforskelle dannet af lækager. (Med tilladelse fra forskerne) I det frosne nord — Waterloo, Ontario — modificerer en gruppe forskere den mere traditionelle metode og lytter efter lækager ved hjælp af kunstig intelligens. Ligesom Watchtower Robotics er målet at identificere stadig mindre lækager. Disse er for små til at detektere via ændringer i tryk og vanskelige at skelne fra baggrundsstøj, hvoraf der er meget, når du pumper en flok vand gennem rør. Det er faktisk ikke helt nøjagtigt at sige, at de overhovedet lytter. Deres enhed, der er beskrevet i en nylig artikel i Urban Water Journal, sænkes i vandet under en brandpistol og bruger hydrofoniske sensorer til at overvåge vibrationer i vandet til alt, hvad der er usædvanligt. Via en proces kaldet signalspektrumanalyse dekonstruerer AI matematisk signalet til komponenter og sammenligner dem med ikke-utæt vibrationer.
”Hvis man ser på råt eller hele signal, kan man ikke skelne mellem [utætte og uudætte lyde] meget let, ” siger Roya Cody, University of Waterloo ph.d.-studerende, der har skrevet forfatteren om Urban Water Journal . ”Men hvis man ser på underkomponenterne, ser lækagen og de omgivende sager meget forskellige ud.”
For at træne denne AI - det vil sige for at give den en grundlinje for lækkende og ikke-lækkende scenarier, som man kan sammenligne med - byggede forskerne et netværk af 6-tommer PVC-rør i deres laboratorium, komplet med T-knudepunkter, en brandhane og simulerede lækager placeret i forskellige afstande fra hydrofonen. De tilsluttede det direkte til Waterloo kommunale vandsystem, der løber med 50 pund pr. Kvadrat tomme.
Resultatet er et system, der kan implementeres permanent, til at køre i baggrunden og tilbyde advarsler, når et rør er kompromitteret; hydrofonerne i hydranterne forbliver der og fungerer konstant i stedet for at skulle placeres og betjenes for at søge efter lækager.
Når han sammenligner sin robot med Waterloos AI, påpeger Wu vigtige forskellige anvendelsessager til teknologierne. I et bymæssigt system er tætheden af rør og det komplekse netværk egnet til lytteudstyr, især ved hjælp af computeroplysning, som kan hjælpe med at analysere dataene i stedet for kun at stole på uddannede teknikere. Men flyt til forstæder eller landdistrikter, og de lange rørstrækninger - sommetider bare et par huse over miles af rørsystemer - ville kræve for mange hydrofoner for at være praktiske. Hans robot skinner her; bare drop det i en hydrant, og afhent den igen, miles ned ad linjen.
James Dyson-prisen udpegede Lighthouse til sin amerikanske nationale vinder i 2018. (Dyson Awards) Opfinderne deltager nu i forsøg og partnerskaber for at indtaste deres produkter og gøre dem klar til marked. Muttis virksomhed er en industriel partner til University of Waterloo og hjalp dette laboratorium med at få et strategisk tilskud fra Natural Sciences and Engineering Research Council i Canada til at videreudvikle teknologien og teste den i Guelph, Ontario. Watchtower Robotics har i mellemtiden for nylig afsluttet sit første pilotprojekt i Corydon, Indiana, og planlægger to yderligere i Boston og San Antonio. Succes for begge virksomheder vil betyde færre katastrofale pauser og færre mennesker, der er ved at grave op rør.
”I slutningen af dagen tager rigtige mennesker, ofte under meget ubehagelige forhold, hver af disse pauser, der skal komme ud, udgrave, udføre en reparation, som regel i meget meget kort orden, ” siger Mutti. ”Jo flere ting vi kan gøre for at gøre det lettere og give dem bedre værktøjer til at gøre det med, er en stor fordel for ikke kun folk, der betaler en vandregning, men også for samfundet generelt.”
