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可查明漏水點(diǎn)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(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?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。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(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量儀(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(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(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)測量值大大高出下一個(gè)測量值,則表明出現(xiàn)了新漏水點(diǎn)。
西門子的測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量值。當(dāng)它們發(fā)現(xiàn)測量值分布不正常時(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)樵谥袌鲂菹r(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。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。
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?yàn)榍巴溂拥纳袷コP必須按期抵達(dá),不容有誤。
每年,全世界都有數(shù)以百萬計(jì)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(jì)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(shí)間里往返運(yùn)輸數(shù)百萬人次,這對(duì)物流提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),尤其在效率和安全方面。其實(shí)在朝覲的悠遠(yuǎn)歷史中,這些方面確實(shí)并不盡如人意。目前的運(yùn)力設(shè)計(jì)還要考慮到將來朝覲人數(shù)的增長,這一點(diǎn)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(duì)伍中。
幾個(gè)世紀(jì)以來,朝覲的最后一個(gè)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(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的時(shí)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(gè)月,是這項(xiàng)鐵路工程提出的*挑戰(zhàn)。必須指出,建設(shè)它是為了應(yīng)對(duì)朝覲時(shí)驟然增加的交通壓力。剩余時(shí)間里——全年11個(gè)多月——列車和鐵路基本閑置。
中國廣州曾有一項(xiàng)類似的快速通道項(xiàng)目,耗時(shí)33個(gè)月完工。多米尼加共和國圣多明各的一個(gè)項(xiàng)目用時(shí)僅27個(gè)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(xiàng)目經(jīng)理Ralf Börnicke對(duì)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(shí)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(shí)不能親赴現(xiàn)場。
最后,朝覲的性質(zhì)還在技術(shù)和設(shè)計(jì)方面帶來了特殊的挑戰(zhàn)。由于構(gòu)成朝覲的一系列活動(dòng)的性質(zhì),朝圣者任何時(shí)候都在相同的道路上行進(jìn)??土鳠o一例外都沿著一個(gè)方向移動(dòng),先朝著麥加移動(dòng),然后再從那里返回。因此,部分沿線的兩條軌道必須設(shè)計(jì)成單向的,而不是標(biāo)準(zhǔn)地鐵系統(tǒng)中的“環(huán)形”。
該項(xiàng)目是整包工程,包括九個(gè)車站,每小時(shí)每個(gè)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(xiàng)目還要求有獨(dú)立的供電系統(tǒng)。西門子負(fù)責(zé)為整個(gè)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(xiàng)目緊張的工期,設(shè)計(jì)和工廠測試的多數(shù)環(huán)節(jié)必須同步進(jìn)行。隨著項(xiàng)目推進(jìn)而變清晰的是,與項(xiàng)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(duì)能否遵守工期嚴(yán)重懷疑。
為了更加清晰地勾勒出當(dāng)時(shí)的總體情況,西門子進(jìn)行了一項(xiàng)內(nèi)部分析,檢查究竟是哪些方面停滯不前,可能會(huì)影響11月的完工期限。如果不能按期履約將會(huì)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(huì)危及西門子以后在該國的業(yè)務(wù)。這個(gè)內(nèi)部研究預(yù)示,基本不可能按期完工。經(jīng)過對(duì)各方面情況和剩余時(shí)間的詳細(xì)分析,簡直無法實(shí)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(shí)就已經(jīng)在架設(shè)高架接觸網(wǎng)了——這是一項(xiàng)極為艱難的任務(wù)。即便對(duì)Börnicke所帶領(lǐng)的西門子團(tuán)隊(duì)中這些經(jīng)驗(yàn)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(diǎn),朝覲之旅即將開始。而且,所有的站點(diǎn)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(fèi)的時(shí)間還不到30分鐘——其中大多數(shù)滿載4000名旅客。事實(shí)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(qǐng)將這一成績載入《吉尼斯世界紀(jì)錄》中。