Over det nordlige USA og Canada kontrollerer huseiere snøfreserne, lagerfører ved og tapper uterør i forberedelse til kaldt vær. For kommuner er imidlertid ikke vinterisolerende vannledning så lett - rørene beveger seg i lange strekninger under jorden, og denne tiden av året fører frosset grunn og temperaturforskjell til at fine sprekker utvikler seg til fullblåsede lekkasjer, ofte med katastrofale resultater.
Du ser nyhetsartikler fra tid til annen om synkehull og hovedpauser i vannet, men problemet er faktisk langt mer utbredt, lumskt og påvirkelig enn den rare kløften i en bygate.
The American Society of Civil Engineers anslår i sitt infrastrukturrapportkort for 2017 at 240 000 vannhovedbrudd oppstår årlig i USA, med 2 billioner liter behandlet drikkevann som rømmer. Dette betyr at 14 til 18 prosent av vannet som behandles hver dag går tapt, nok til å tjene 15 millioner hjem. Og det forverres; en studie fra 2018 fra Utah State University fant at rørbrudd i USA og Canada har gått opp 27 prosent de siste seks årene. Videre er ikke vannregningene som er betalt av kunder nok til å finansiere vanninfrastrukturen, og American Water Works Association anslår en billion dollar prislapp for å fikse det. I mange utviklingsland er problemet verre; Verdensbankens konservative estimat antyder at 35 prosent av vannet som blir satt i distribusjonssystemer kan gå tapt i de 44 landene de undersøkte. Rundt 14 milliarder dollar er verdt per år rundt om i verden.
Motsetning, små lekkasjer (mindre enn 10 gallon per minutt) kalles ikke engang lekkasjer, og teller ikke med til ASCEs antall på 240 000. Disse mindre, vanskelig å finne sprekker kalles "potensielle lekkasjer" - for å bli kalt en lekkasje, må sprekken frigjøre nok vann til at den godt kommer opp fra bakken. Men potensielle lekkasjer blir lekkasjer, og lekkasjer blir brudd, og millioner av gallon (og dollar) siver eller helles i bakken.
Hva er en by å gjøre?
Beste fremgangsmåter i følge American Water Works Association starter med en vannrevisjon, og beregner mengden vann som vil reise gjennom et ideelt effektivt system, og sammenligner det med mengden som faktisk blir brukt av forbrukere, kjent som "inntektsvann."
"Vanneffektivitet er et ganske godt utviklet segment i bransjen, der du ser på å prøve å overvåke ytelsen til systemet ditt med hensyn til inntekter og vann uten inntekter, " sier Dennis Mutti, president for C3 Water, som jobber med kommuner i sørvest i Ontario for å planlegge og optimalisere vannsystemer, inkludert drikkevann og avløpsvann.
Resultatet av denne tilsynet gir byene en ide om hvor mye vann som går tapt. For å dempe det, ansetter de ofte entreprenører for å se etter lekkasjer. Konvensjonelt innebærer lekkasjedeteksjon å vente på det synlige beviset, eller systematisk sjekke hele systemer, åpne hydranter eller grave opp rør for å plassere auditive sensorer på dem i håp om å høre en lekkasje.
Hundrevis av miles fra hverandre, to forskjellige oppfinnere nuller på stadig mindre lekkasjer på to veldig forskjellige måter. Den ene lytter nøye og ved hjelp av kunstig intelligens for subtile endringer i lyden av rennende vann; den andre bruker en myk robot for å nøye føle for den milde slepebåten som er laget av trykkdifferansen til en liten lekkasje. Hver av dem har inngått et samarbeid med forskjellige kommuner, og de har til hensikt å redde en del av de millionene liter fra å rømme ut i bakken.
Da You Wu vokste opp i Shanghai, en gang i uken på torsdager, ville nabolaget slå av vann til innbyggerne, som en måte å bevare og forhindre vannmangel. "De stengte vannet for samfunnet mitt, som kanskje berører en kvart million mennesker til en halv million mennesker, " sier Wu, som flyttet til USA i 2008 og deltok på MIT. "Jeg følte at vi var store borgere, og vi hjalp byen med å spare vann. Da jeg kom til MIT, innså jeg, vent litt, vi sparer vann, men samtidig gikk 20 til 30 prosent av rent vann tapt ved lekkasjer i det samme systemet. ”
Han begynte å rote med sensorer, og lurte på om det er en bedre måte å finne lekkasjer før de blir dårlige nok til å høre - eller som noen byer gjør, og venter til rørene går helt åpne. I løpet av seks år arbeidet han med prosjektet og grunnla et selskap, Watchtower Robotics, etter endt utdanning. Det selskapet er akkurat nå i gang med pilotprogrammer for å distribuere Wus tredje prototype, en badmintonfuglformet myk robot kalt Fyret som glir gjennom rørene med vannstrømmen. Mens den beveger seg, overvåker fleksorsensorer et sett med flippers i bunnen av roboten for de bittesmå slepebadene som skjer når det passerer trykkforskjeller dannet av lekkasjer. Etter hvert spretter den ut av en nedstrøms brannpost, og operatører bruker dataene for å beregne hvor lekkasjen kan være. For denne prosessen har Wu fått 10 patenter, og selskapet lisenser dem fra MIT. Enheten kan oppdage en lekkasje så liten som 1 gallon per minutt
Når Lighthouse reiser, overvåker fleksorsensorer et sett med flippers i bunnen av roboten for de ørsmå slepebåtene som skjer når det passerer trykkdifferensialer dannet av lekkasjer. (Med tillatelse fra forskerne) I det frosne nord - Waterloo, Ontario - endrer en gruppe forskere den mer tradisjonelle metoden og lytter etter lekkasjer ved hjelp av kunstig intelligens. I likhet med Watchtower Robotics er målet å identifisere stadig mindre lekkasjer. Disse er for små til å oppdage via endringer i trykk, og vanskelig å skille fra bakgrunnsstøy, som det er mye av når du pumper en haug med vann gjennom rør. Det er faktisk ikke helt nøyaktig å si at de lytter i det hele tatt. Enheten deres, beskrevet i en fersk artikkel i Urban Water Journal, blir senket i vannet under en brannpistol og bruker hydrofoniske sensorer for å overvåke vibrasjoner i vannet for alt som er utenom det vanlige. Via en prosess som kalles signalspekteranalyse, dekonstruerer AI matematisk signalet til komponenter, og sammenligner dem med ikke-lekker vibrasjoner.
"Hvis du ser på rått eller hele signal, kan du ikke skille mellom [utette og ikke-utette lyder] veldig lett, " sier Roya Cody, University of Waterloo doktorgradsstudent som forfatter artikkelen Urban Water Journal . "Men hvis du ser på underkomponentene, ser lekkasjen og omgivelsessakene veldig annerledes ut."
For å trene denne AI - det vil si for å gi den en grunnleggende måte for lekkende og ikke-lekkende scenarier å sammenligne med - bygde forskerne et nettverk av 6-tommers PVC-rør i laboratoriet, komplett med T-veikryss, en brannpost og simulerte lekkasjer lokalisert i forskjellige avstander fra hydrofonen. De koblet den direkte til Waterloo kommunale vannsystem, som går på 50 pund per kvadrat tomme.
Resultatet er et system som kan implementeres permanent, for å kjøre i bakgrunnen og gi varsler når et rør er kompromittert; hydrofonene i hydrantene forblir der og fungerer konstant, i stedet for å måtte plasseres og betjenes for å søke etter lekkasjer.
Sammenligner han roboten med Waterloos AI, påpeker Wu viktige forskjellige brukssaker for teknologiene. I et urbant system egner tettheten av rør og det komplekse nettverket seg til lytteenheter, spesielt ved hjelp av dataintelligens, som kan bidra til å analysere dataene i stedet for å stole bare på trente teknikere. Men flytt til forstedene eller landsbygda, og de lange rørstrekningene - noen ganger bare noen få hus over kilometer med rørledning - vil kreve for mange hydrofoner for å være praktiske. Roboten hans lyser her; bare slipp den i en hydrant, og plukk den opp igjen, miles nedover linjen.
James Dyson-prisen kåret Lighthouse til sin amerikanske nasjonale vinner i 2018. (Dyson Awards) Oppfinnerne deltar nå i forsøk og partnerskap for å ringe inn produktene sine og gjøre dem klare for markedet. Muttis selskap er en industriell partner til University of Waterloo, og hjalp laboratoriet med å skaffe et strategisk tilskudd fra Natural Sciences and Engineering Research Council, Canada for å videreutvikle teknologien og teste den i Guelph, Ontario. Watchtower Robotics har i det siste nylig fullført sitt første pilotprosjekt i Corydon, Indiana, og planlegger to til i Boston og San Antonio. Suksess for begge selskaper vil bety færre katastrofale pauser og færre mennesker som graver opp rør.
"På slutten av dagen tar hvert av disse pausene som oppstår virkelige mennesker, ofte under veldig ubehagelige forhold, for å komme seg ut, grave ut, utføre en reparasjon, vanligvis i veldig veldig kort rekkefølge, " sier Mutti. "Jo flere ting vi kan gjøre for å gjøre det lettere og gi dem bedre verktøy for å gjøre det med, er en stor fordel for ikke bare folk som betaler en vannregning, men for samfunnet generelt."
