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可查明漏水點的模擬系統(tǒng)

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十分嚴(yán)重。不過這種情況有望得到改觀，因為研究人員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期建造的供水總管已經(jīng)陳舊不堪。”世界自然基金會淡水項目干事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，一個只有1毫米寬的漏水點每小時就會滴掉58升水。而這樣的漏水很可能在潛伏相當(dāng)長的時間后才會被人們發(fā)現(xiàn)。取決于自來水公司的組織結(jié)構(gòu)，這個問題可能要三到六個月才能發(fā)現(xiàn)。

“管網(wǎng)漏水是一個亟待解決的問題，尤其是在發(fā)展中國家和供水管道陳舊的地區(qū)。”Geiger表示。在水資源豐富的國家，漏水造成的損失“不過是”成本和能源，這種損失是因為壓力泵的運(yùn)轉(zhuǎn)需要耗費大量能源。但是在干旱地區(qū)，漏水將帶來性命攸關(guān)的威脅。的數(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)生組織報告，全世界有半數(shù)人口居住在面臨干旱危險的地區(qū)。同時，飲用水流失只是問題的一個方面。由于諸如微生物等雜質(zhì)可能會通過漏洞滲進(jìn)水管，漏水問題還會導(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，漏水點排查是一個極其耗時費錢的過程。原因之一就在于目前往往只有總管中裝有流量測量儀（有的供水管網(wǎng)中甚至根本沒有安裝）。那么對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)。另一原因是很少對測量值進(jìn)行全網(wǎng)評估。

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)聽水流聲音并自動檢測到異常狀況，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)自動化集團(tuán)的研究人員針對上述問題，開發(fā)出一種解決方案。“我們向客戶提供一個電工套件，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。”

為檢測漏水情況，工程師們將一個網(wǎng)段劃分為若干個區(qū)段，然后只要使用區(qū)區(qū)幾個基于聲納的超聲流量計來測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，其價值得到一次又一次的驗證。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)勢是它可以安裝在管道外部。維修技術(shù)員只需將流量計安裝在管道上，然后將其與測量設(shè)備相連，由測量設(shè)備通過無線方式將測量結(jié)果傳輸?shù)焦に嚳刂浦行?。接下來系統(tǒng)會利用這些數(shù)據(jù)生成某時間段的流量概覽。

在排查泄漏過程中，夜間的測量數(shù)據(jù)非常重要，因為凌晨2點到4點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會繼續(xù)出水。如果夜間的某個測量值大大高出下一個測量值，則表明出現(xiàn)了新漏水點。

西門子的測量算法需要一到兩周的時間來記錄某個管網(wǎng)的正常用水情況。此后這些算法便可以自動檢測出新的泄漏。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，“我們對進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的水資源一清二楚，但是對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)，則測量值應(yīng)該呈典型分布特征。這就像是骰子游戲。“漏水點會產(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。計算機(jī)程序監(jiān)視每天晚上的異常測量值。當(dāng)它們發(fā)現(xiàn)測量值分布不正常時，會發(fā)出警報。為了盡量減少誤警，這些軟件會對多個區(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，而可能是因為在進(jìn)行球賽。”Wehrstedt說，這是他的經(jīng)驗之談。之所以出現(xiàn)這種情況，是因為在中場休息時觀眾會紛紛如廁。系統(tǒng)不會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)計過程，可以極其迅速地檢測出泄漏。“為實現(xiàn)這一目的，我們設(shè)計了供水管網(wǎng)的模擬程序。然后我們的計算機(jī)利用測得的入水流量和出水流量計算網(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的水流量。”他介紹道。最終可以得出一個工程師們用以進(jìn)行試驗的模型。

系統(tǒng)將測量值與傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，用巧合因素模板替代未知的消費者行為。然后蒙特卡洛模擬算法生成模擬值波動報告。這種對測量值和模擬值進(jìn)行比對的方案，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)隊還安裝了額外的傳感器。這樣做避免了動用鍬鎬大費周章排查問題區(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，而若單憑簡單的統(tǒng)計過程，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季度對其整個管網(wǎng)進(jìn)行一次排查。若要分析一個長約500千米并有數(shù)百個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)計算機(jī)大約需要十分鐘。“從數(shù)學(xué)的角度看，要確保某個城區(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，研究人員都要對測量值進(jìn)行統(tǒng)計分析，然后估計未來走勢。只不過我們現(xiàn)在要預(yù)測的不是某個群體會投誰一票，而是網(wǎng)絡(luò)某個區(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其進(jìn)行實測。泄漏排查人員旋即從中獲益匪淺。“即便我們是在歐洲一個維護(hù)良好的供水管網(wǎng)對系統(tǒng)進(jìn)行測試，該軟件在首次運(yùn)行時，便在城市的每個角落排查出或多或少的漏水點。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， 在試驗期間，SIWA LeakControl系統(tǒng)取得了顯著的節(jié)水效果——每個已修復(fù)的漏水點每年可節(jié)約數(shù)百升飲用水。不過，這次實測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單。如果沒有開展這個分析，今后幾十年內(nèi)，他很可能一直會在偷來的水中游泳。

為通往麥加的新地鐵線路架設(shè)供電系統(tǒng)可遠(yuǎn)非一帆風(fēng)順。但也絕不能因此而延誤工期——因為前往麥加的神圣朝覲必須按期抵達(dá)，不容有誤。

每年，全世界都有數(shù)以百萬計的穆斯林奔赴麥加——伊斯蘭世界中最為神圣的所在，去參加一年一度的“朝覲”。去麥加朝覲一直以來都是一件規(guī)模巨大的盛事。然而近年來，這一規(guī)模在持續(xù)快速擴(kuò)張。從外國來麥加的朝拜者人數(shù)已經(jīng)從1996年的110萬左右增至2011年的180多萬。很難準(zhǔn)確計算每年來這里朝拜的總?cè)藬?shù)，但是多方估算認(rèn)為這一數(shù)字接近400萬。

要在為期5天的時間里往返運(yùn)輸數(shù)百萬人次，這對物流提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，尤其在效率和安全方面。其實在朝覲的悠遠(yuǎn)歷史中，這些方面確實并不盡如人意。目前的運(yùn)力設(shè)計還要考慮到將來朝覲人數(shù)的增長，這一點的重要性不亞于前者。隨著空運(yùn)成本日趨合理，可以預(yù)想到，未來幾年內(nèi)，全球15億穆斯林里將有更多人加入朝覲的隊伍中。

幾個世紀(jì)以來，朝覲的最后一個階段都是徒步進(jìn)行的。但是隨著人數(shù)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，跋涉途中年邁以及殘疾人群增加，沙特政府決定，讓這段旅程的一部分實現(xiàn)現(xiàn)代化的時候已經(jīng)到了。2009年5月，西門子獲得了為麥加以南從阿拉法特山至穆斯塔里發(fā)和米納的鐵路提供供電系統(tǒng)的合同。20世紀(jì)30年代以來，西門子一直都在為沙特的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)貢獻(xiàn)自己的力量。

極為緊張的工期——僅有17個月，是這項鐵路工程提出的*挑戰(zhàn)。必須指出，建設(shè)它是為了應(yīng)對朝覲時驟然增加的交通壓力。剩余時間里——全年11個多月——列車和鐵路基本閑置。

中國廣州曾有一項類似的快速通道項目，耗時33個月完工。多米尼加共和國圣多明各的一個項目用時僅27個月，打破了之前的紀(jì)錄。

50度——日曬雨淋。除了施工期限的壓力，氣候條件也是很大的挑戰(zhàn)。麥加位于群山之間干燥炎熱的走廊中。項目經(jīng)理Ralf Börnicke對當(dāng)?shù)貥O端的天氣情況依然記憶猶新。他回憶道：“氣溫通常高達(dá)50攝氏度。那時還經(jīng)常伴隨著傾盆大雨。建設(shè)工作非常非常艱難。”

麥加作為伊斯蘭世界圣城的地位也帶來了一些特別的要求。簽證要求復(fù)雜，關(guān)鍵人員有時不能親赴現(xiàn)場。

最后，朝覲的性質(zhì)還在技術(shù)和設(shè)計方面帶來了特殊的挑戰(zhàn)。由于構(gòu)成朝覲的一系列活動的性質(zhì)，朝圣者任何時候都在相同的道路上行進(jìn)。客流無一例外都沿著一個方向移動，先朝著麥加移動，然后再從那里返回。因此，部分沿線的兩條軌道必須設(shè)計成單向的，而不是標(biāo)準(zhǔn)地鐵系統(tǒng)中的“環(huán)形”。

該項目是整包工程，包括九個車站，每小時每個方向的總運(yùn)力可達(dá)7.2萬人次。除了兩條軌道線路——一條18公里的南線和一條含停車場延長線的20公里線路——該項目還要求有獨立的供電系統(tǒng)。西門子負(fù)責(zé)為整個線路供應(yīng)變電站、開關(guān)設(shè)備、線纜系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)以及高架接觸網(wǎng)。

列車車廂的供應(yīng)商是中國的合作伙伴——中國鐵建股份有限公司。

由于項目緊張的工期，設(shè)計和工廠測試的多數(shù)環(huán)節(jié)必須同步進(jìn)行。隨著項目推進(jìn)而變清晰的是，與項目相關(guān)的很多當(dāng)?shù)卣ㄖ推渌O(shè)施不能按期完工。在2010年初秋的關(guān)鍵階段，出現(xiàn)了對能否遵守工期嚴(yán)重懷疑。

為了更加清晰地勾勒出當(dāng)時的總體情況，西門子進(jìn)行了一項內(nèi)部分析，檢查究竟是哪些方面停滯不前，可能會影響11月的完工期限。如果不能按期履約將會帶來嚴(yán)重的后果，不僅要賠付合同中明文規(guī)定的罰款，還會危及西門子以后在該國的業(yè)務(wù)。這個內(nèi)部研究預(yù)示，基本不可能按期完工。經(jīng)過對各方面情況和剩余時間的詳細(xì)分析，簡直無法實現(xiàn)目標(biāo)。Börnicke說：“我們也很震驚。但是我們決定忽略掉我們的內(nèi)部分析，繼續(xù)卯足干勁更快地施工。”

緊張完工。從9月到10月，工程全面依靠輪班和夜間作業(yè)。鐵路工程一般是按照合乎邏輯的、預(yù)先確定的順序來進(jìn)行的。但是隨著完工期限日益逼近，必須晝夜不停地干活，不同的工作經(jīng)常并行開展。例如，鐵軌尚在鋪設(shè)或調(diào)整時就已經(jīng)在架設(shè)高架接觸網(wǎng)了——這是一項極為艱難的任務(wù)。即便對Börnicke所帶領(lǐng)的西門子團(tuán)隊中這些經(jīng)驗豐富的專業(yè)人士來說，這也已經(jīng)*突破了以前的工作方式了。

經(jīng)過最后幾周的加班加點，朝覲之旅即將開始。而且，所有的站點均如期開放，這不得不令人稱奇。300米長的列車行駛整段路程花費的時間還不到30分鐘——其中大多數(shù)滿載4000名旅客。事實上，由于運(yùn)送的乘客數(shù)量之眾，中國列車車廂制造商已經(jīng)申請將這一成績載入《吉尼斯世界紀(jì)錄》中。