Di seluruh Amerika Syarikat dan Kanada utara, pemilik rumah memeriksa penghancur salji mereka, menanam kayu bakar dan mengalirkan paip luar sebagai persediaan untuk cuaca sejuk. Bagi majlis perbandaran, walaupun air paip kalis api tidak begitu mudah-paip-paip itu bergerak panjang di bawah tanah, dan kali ini, tanah beku dan pembezaan suhu menyebabkan retakan halus menjadi kebocoran penuh, sering dengan hasil bencana.
Anda melihat artikel berita dari semasa ke semasa mengenai sinkhole dan rehat utama air, tetapi masalahnya sebenarnya jauh lebih meluas, berbahaya dan berkesan daripada jurang yang ganjil di jalan bandar.
Persatuan Jurutera Awam Amerika menganggarkan dalam Laporan Laporan Infrastruktur 2017 bahawa 240, 000 pecahan utama air berlaku setiap tahun di Amerika Syarikat, dengan 2 trilion gelen air minum yang dirawat. Ini bermakna 14 hingga 18 peratus air yang dirawat setiap hari hilang, cukup untuk melayani 15 juta rumah. Dan ia semakin teruk; kajian 2018 dari Utah State University mendapati bahawa pecah paip di Amerika Syarikat dan Kanada meningkat 27 peratus dalam tempoh enam tahun yang lalu. Selain itu, bil air yang dibayar oleh pelanggan tidak mencukupi untuk membiayai infrastruktur air, dan Persatuan Kerja Air Amerika menganggarkan tag harga $ 1 trilion untuk membetulkannya. Di banyak negara sedang membangun, masalahnya lebih buruk; Anggaran konservatif Bank Dunia mencadangkan 35 peratus air yang dimasukkan ke dalam sistem pengedaran mungkin hilang di 44 negara yang mereka periksa. Sekitar $ 14 bilion bernilai hilang setiap tahun di seluruh dunia.
Sebaliknya, kebocoran kecil (kurang daripada 10 gelen seminit) tidak dipanggil kebocoran, dan tidak dikira dengan jumlah ASCE sebanyak 240, 000. Ini lebih kecil, keretakan yang sukar dicari-cari dipanggil "kebocoran potensi" - untuk dipanggil kebocoran, retak mesti melepaskan air yang mencukupi sehingga ia kelihatan jelas dari tanah. Tetapi kebocoran berpotensi menjadi kebocoran, dan kebocoran menjadi pecah, dan berjuta-juta gelen (dan dolar) meresap atau mencurahkan ke tanah.
Apa yang hendak dilakukan oleh bandar?
Amalan terbaik mengikut Persatuan Kerja Air Amerika bermula dengan audit air, mengira jumlah air yang akan melalui sistem ideal yang ideal dan membandingkannya dengan jumlah yang sebenarnya digunakan oleh pengguna, yang dikenali sebagai "air hasil."
"Kecekapan air adalah segmen industri yang sangat maju, di mana anda sedang mencari untuk memantau prestasi sistem anda berkenaan dengan pendapatan dan air bukan hasil, " kata Dennis Mutti, presiden C3 Water, yang berfungsi dengan majlis perbandaran di Ontario barat daya untuk merancang dan mengoptimumkan sistem air, termasuk air minum dan air sisa.
Hasil audit itu memberikan beberapa idea tentang berapa banyak air yang hilang. Untuk mengurangkan itu, mereka sering menyewa kontraktor untuk mencari kebocoran. Secara konvensional, pengesanan kebocoran melibatkan menunggu bukti yang dapat dilihat, atau secara sistematik memeriksa seluruh sistem, membuka hidran atau menggali paip untuk menempatkan penderia pendengaran pada mereka dengan harapan mendengar kebocoran.
Beratus batu jauhnya, dua pencipta yang berlainan tidak menyala dalam kebocoran yang lebih kecil dalam dua cara yang sangat berbeza. Satu adalah mendengar, dengan teliti dan dengan bantuan kecerdasan buatan, untuk perubahan halus dalam bunyi air yang mengalir; yang lain menggunakan robot lembut untuk merasakan dengan teliti untuk tunda lembut yang dibuat oleh perbezaan tekanan kebocoran kecil. Setiap telah bekerjasama dengan majlis perbandaran yang berlainan, dan masing-masing bercadang untuk menyelamatkan sebahagian daripada berjuta-juta gelen daripada melarikan diri ke tanah.
Apabila Anda telah dewasa di Shanghai, sekali seminggu pada hari Khamis, kejiranannya akan mematikan air kepada warganya, sebagai cara untuk memulihara dan mencegah kekurangan air. "Mereka menutup air kepada komuniti saya, yang menjejaskan kira-kira satu juta penduduk kepada setengah juta orang, " kata Wu, yang berpindah ke AS pada 2008 dan menghadiri MIT. "Saya rasa kami warga negara yang hebat, kami membantu bandar untuk memulihara air. Ketika saya sampai ke MIT, saya menyadari, tunggu sebentar, kita menyelamatkan air, tetapi pada masa yang sama, 20 hingga 30 peratus air bersih hilang kebocoran dalam sistem yang sama. "
Dia mula mengacaukan dengan sensor, tertanya-tanya apakah ada cara yang lebih baik untuk mencari kebocoran sebelum mereka mendapat cukup buruk untuk mendengar atau seperti yang dilakukan oleh sesetengah bandaraya, sehingga menunggu paip terbuka sepenuhnya. Lebih enam tahun dia bekerja di projek itu, menjalin sebuah syarikat, Robot Menara Pengawal, selepas tamat pengajian. Syarikat itu baru-baru ini memulakan program perintis untuk menggunakan prototaip ketiga Wu, robot softwing berbentuk badminton bernama Lighthouse yang tergelincir melalui paip dengan aliran air. Semasa ia bergerak, sensor flex memantau satu set sirip di pangkal robot untuk tug kecil yang berlaku kerana ia mengalami perbezaan tekanan yang terbentuk oleh kebocoran. Akhirnya ia keluar daripada hidran api hiliran, dan pengendali menggunakan data untuk mengira kebocoran itu. Untuk proses ini, Wu telah memperoleh 10 paten, dan syarikatnya melesenkan mereka dari MIT. Peranti boleh mengesan kebocoran sekecil 1 galon seminit
Apabila perjalanan Lighthouse, sensor flex memantau set flippers di pangkal robot untuk tug kecil yang berlaku kerana ia berlalu perbezaan tekanan yang terbentuk oleh kebocoran. (Dari kalangan penyelidik) Di beku utara-Waterloo, Ontario-sekumpulan penyelidik sedang mengubah kaedah yang lebih tradisional, mendengar kebocoran dengan bantuan kecerdasan buatan. Seperti Robot Menara Pengawal, matlamatnya adalah untuk mengenal pasti kebocoran yang lebih kecil. Ini terlalu kecil untuk mengesan melalui perubahan tekanan, dan sukar untuk dilihat dari bunyi latar belakang, yang mana terdapat banyak apabila anda mengepam sekumpulan air melalui paip. Sebenarnya, ia tidak betul-betul tepat untuk mengatakan mereka mendengar sama sekali. Peranti mereka, yang diterangkan dalam artikel baru-baru ini dalam Urban Water Journal, tenggelam ke dalam air di bawah pili api dan menggunakan sensor hidroponik untuk memantau getaran di dalam air untuk apa-apa yang tidak biasa. Melalui proses yang dikenali sebagai analisis spektrum isyarat, AI secara matematik mendekonstruksi isyarat ke dalam komponen, dan membandingkannya dengan getaran bukan bocor.
"Jika anda melihat isyarat mentah atau keseluruhan, anda tidak boleh membezakan antara [bunyi bocor dan tidak bocor] dengan mudah, " kata Roya Cody, pelajar Universiti Waterloo PhD yang menulis artikel Urban Water Journal . "Tetapi jika anda melihat subkomponen, kebocoran dan kes ambien kelihatan sangat berbeza."
Untuk melatih AI ini - untuk memberikannya satu garis dasar bagi skandal bocor dan tidak bocor yang boleh dibandingkan - para penyelidik membina rangkaian paip PVC berdiameter 6 inci di makmal mereka, lengkap dengan T-jambatan, pili bomba dan kebocoran simulasi yang terletak di pelbagai jarak dari hidrofon. Mereka menghubungkannya terus ke sistem air perbandaran Waterloo, yang berjalan pada 50 paun setiap inci persegi.
Hasilnya adalah sistem yang boleh dilaksanakan secara kekal, untuk berjalan di latar belakang dan menawarkan makluman apabila paip dikompromikan; hidrofon di dalam hydrants kekal di sana dan beroperasi secara berterusan, dan bukan harus diletakkan dan dikendalikan untuk mencari kebocoran.
Membandingkan robotnya ke AI Waterloo, Wu menunjukkan kes-kes penggunaan yang penting bagi teknologi. Dalam sistem bandar, ketumpatan paip dan rangkaian kompleks meminjamkan kepada alat-alat mendengar, terutamanya dengan bantuan kecerdasan komputer, yang dapat membantu menganalisis data dan bukan hanya bergantung kepada juruteknik terlatih. Tetapi berpindah ke pinggir bandar atau kawasan luar bandar, dan panjang pipa yang panjang - kadang-kadang hanya beberapa buah rumah lebih dari batu pipa-memerlukan terlalu banyak hidrofon untuk praktikal. Robotnya bersinar di sini; hanya jatuhkannya ke dalam hydrant, dan ambil lagi, batu ke bawah.
Anugerah James Dyson bernama Lighthouse Pemenang Kebangsaan AS pada tahun 2018. (Anugerah Dyson) Para pencipta kini terlibat dalam percubaan dan perkongsian untuk mendail produk mereka dan mempersiapkan mereka untuk pasaran. Syarikat Mutti adalah rakan industri kepada University of Waterloo, dan membantu makmal itu memperoleh geran strategik dari Sains Semula jadi dan Majlis Penyelidikan Kejuruteraan Kanada untuk mengembangkan lagi teknologi dan mengujinya di Guelph, Ontario. Sementara itu, Robot Watchtower, baru-baru ini telah menyelesaikan projek perintisnya yang pertama di Corydon, Indiana, dan merencanakan dua lagi di Boston dan San Antonio. Kejayaan untuk sama ada syarikat akan bererti lebih sedikit bencana dan lebih kurang orang keluar menggali paip.
"Pada penghujung hari, setiap pecahan yang berlaku itu mengambil orang sebenar, sering kali dalam keadaan yang tidak menyenangkan, untuk keluar, menggali, melakukan pembaikan, biasanya dalam perintah yang sangat singkat, " kata Mutti. "Semakin banyak perkara yang boleh kita lakukan untuk menjadikannya lebih mudah dan memberi mereka alat yang lebih baik untuk melakukan itu dengan memberi manfaat yang besar kepada bukan sahaja orang yang membayar bil air, tetapi kepada masyarakat umum."
