Überall im Norden der USA und Kanadas überprüfen Hausbesitzer ihre Schneefräsen, lagern Brennholz ein und leiten Rohre ab, um sich auf kaltes Wetter vorzubereiten. Für die Kommunen ist es jedoch nicht so einfach, die Wasserleitungen winterfest zu machen - die Rohre verlaufen über weite Strecken im Untergrund, und zu dieser Jahreszeit führen gefrorene Boden- und Temperaturunterschiede dazu, dass sich feine Risse zu Leckstellen entwickeln, die häufig katastrophale Folgen haben.
Sie sehen von Zeit zu Zeit Nachrichtenartikel über Dolinen und Wasserpausen, aber das Problem ist weitaus weiter verbreitet, heimtückischer und schlagkräftiger als die seltsame Kluft in einer Stadtstraße.
Die American Society of Civil Engineers schätzt in ihrer Infrastructure Report Card 2017, dass in den USA jährlich 240.000 Wasserhauptbrüche auftreten und 2 Billionen Gallonen aufbereitetes Trinkwasser austreten. Dies bedeutet, dass 14 bis 18 Prozent des täglich aufbereiteten Wassers verloren gehen, genug, um 15 Millionen Haushalte zu versorgen. Und es verschlechtert sich; Eine Studie der Utah State University aus dem Jahr 2018 ergab, dass die Rohrbrüche in den USA und Kanada in den letzten sechs Jahren um 27 Prozent gestiegen sind. Darüber hinaus reichen die von den Kunden bezahlten Wasserrechnungen nicht aus, um die Wasserinfrastruktur zu finanzieren, und die American Water Works Association schätzt, dass ein Preis von 1 Billion US-Dollar für die Reparatur erforderlich ist. In vielen Entwicklungsländern ist das Problem noch schlimmer. Die vorsichtige Schätzung der Weltbank geht davon aus, dass 35 Prozent des in die Verteilungssysteme eingespeisten Wassers in den 44 untersuchten Ländern verloren gehen könnten. Jährlich gehen weltweit rund 14 Milliarden US-Dollar verloren.
Kleine Lecks (weniger als 10 Gallonen pro Minute) werden nicht einmal als Lecks bezeichnet und zählen nicht zur ASCE-Zahl von 240.000. Diese kleineren, schwer zu findenden Risse werden als „potenzielle Lecks“ bezeichnet. Um als Leck bezeichnet zu werden, muss der Riss so viel Wasser abgeben, dass es sichtbar vom Boden aufsteigt. Aber potenzielle Lecks werden zu Lecks, und Lecks werden zu Brüchen, und Millionen von Gallonen (und Dollar) sickern oder strömen in den Boden.
Was ist eine Stadt zu tun?
Best Practices nach Angaben der American Water Works Association beginnen mit einem Wasseraudit, bei dem die Menge an Wasser, die durch ein ideal effizientes System fließen würde, berechnet und mit der Menge verglichen wird, die die Verbraucher tatsächlich verbrauchen, das sogenannte „Revenue Water“.
"Wassereffizienz ist ein ziemlich gut entwickeltes Segment der Branche, in dem Sie versuchen, die Leistung Ihres Systems in Bezug auf Einnahmen und Nichteinnahmen von Wasser zu überwachen", sagt Dennis Mutti, Präsident von C3 Water, der arbeitet mit Gemeinden im Südwesten von Ontario zur Planung und Optimierung von Wassersystemen, einschließlich Trink- und Abwasser.
Das Ergebnis dieser Prüfung gibt den Städten eine Vorstellung davon, wie viel Wasser verloren geht. Um dem entgegenzuwirken, stellen sie häufig Vertragspartner ein, um nach Lecks zu suchen. Herkömmlicherweise müssen Sie bei der Lecksuche auf diese sichtbaren Beweise warten oder ganze Systeme systematisch überprüfen, Hydranten öffnen oder Rohre ausheben, um akustische Sensoren darauf zu platzieren, in der Hoffnung, ein Leck zu hören.
Hunderte von Kilometern voneinander entfernt suchen zwei verschiedene Erfinder auf zwei sehr unterschiedliche Arten nach immer kleineren Lecks. Man hört sorgfältig und mit Hilfe der künstlichen Intelligenz auf subtile Veränderungen des Geräusches von fließendem Wasser; Der andere benutzt einen weichen Roboter, um den sanften Ruck zu spüren, der durch den Druckunterschied eines winzigen Lecks erzeugt wird. Beide haben Partnerschaften mit verschiedenen Kommunen geschlossen und wollen einen Teil dieser Millionen Gallonen davon abhalten, in den Boden zu entkommen.
Als You Wu donnerstags einmal pro Woche in Shanghai aufwuchs, stellte seine Nachbarschaft den Bürgern Wasser ab, um Wassermangel zu vermeiden. "Sie haben das Wasser für meine Gemeinde gesperrt, was vielleicht eine Viertelmillion bis eine halbe Million Menschen betrifft", sagt Wu, der 2008 in die USA zog und am MIT teilnahm. „Ich fühlte mich als großartige Bürger, wir halfen der Stadt, Wasser zu sparen. Als ich zum MIT kam, wurde mir klar, dass wir Wasser sparen, aber gleichzeitig gingen 20 bis 30 Prozent des sauberen Wassers durch Undichtigkeiten im selben System verloren. “
Er fing an, an Sensoren herumzuspielen, und fragte sich, ob es einen besseren Weg gibt, Lecks zu finden, bevor sie hörbar werden - oder wie in einigen Städten, solange, bis die Rohre vollständig aufgebrochen waren. Über sechs Jahre arbeitete er an dem Projekt und gründete nach seinem Abschluss eine Firma, Watchtower Robotics. Das Unternehmen startet gerade Pilotprogramme für den Einsatz des dritten Prototyps von Wu, eines weichen Roboters in Form eines Federballvogels namens Lighthouse, der mit dem Wasserfluss durch die Rohre rutscht. Während der Fahrt überwachen Flex-Sensoren eine Reihe von Flossen an der Basis des Roboters auf die winzigen Schlepper, die beim Passieren von Druckunterschieden auftreten, die durch Undichtigkeiten entstehen. Schließlich springt es aus einem nachgeschalteten Hydranten heraus, und die Bediener verwenden die Daten, um zu berechnen, wo sich das Leck möglicherweise befindet. Für dieses Verfahren hat Wu 10 Patente erhalten und seine Firma lizenziert sie vom MIT. Das Gerät kann ein Leck von nur 1 Gallone pro Minute erkennen
Während der Fahrt des Leuchtturms überwachen Flex-Sensoren einen Satz von Flossen an der Basis des Roboters auf winzige Schlepper, die beim Passieren von durch Lecks gebildeten Druckunterschieden auftreten. (Mit freundlicher Genehmigung der Forscher) Im gefrorenen Norden - Waterloo, Ontario - modifizieren eine Gruppe von Forschern die traditionellere Methode und suchen mithilfe künstlicher Intelligenz nach Lecks. Genau wie bei Watchtower Robotics geht es darum, immer kleinere Lecks zu identifizieren. Diese sind zu klein, um über Druckänderungen erkannt zu werden, und kaum von Hintergrundgeräuschen zu unterscheiden, von denen es eine Menge gibt, wenn Sie eine Menge Wasser durch Rohre pumpen. Tatsächlich ist es nicht ganz richtig zu sagen, dass sie überhaupt zuhören. Ihr Gerät, das in einem kürzlich im Urban Water Journal veröffentlichten Artikel beschrieben wurde, ist unter einem Hydranten im Wasser versenkt und überwacht mithilfe von Hydrophonsensoren die Vibrationen im Wasser auf ungewöhnliche Ereignisse. Durch einen Prozess, der als Signalspektrumanalyse bezeichnet wird, zerlegt die KI das Signal mathematisch in Komponenten und vergleicht sie mit nichtleckenden Schwingungen.
„Wenn Sie ein rohes oder ganzes Signal betrachten, können Sie nicht leicht zwischen [undichten und nicht undichten] Geräuschen unterscheiden“, sagt Roya Cody, die Doktorandin der Universität von Waterloo, die den Artikel im Urban Water Journal verfasst hat . "Aber wenn Sie sich die Unterkomponenten ansehen, sehen das Leck und die Umgebungsfälle sehr unterschiedlich aus."
Um diese KI zu trainieren - das heißt, um einen Vergleich zwischen undichten und nicht undichten Szenarien zu ermöglichen - bauten die Forscher in ihrem Labor ein Netzwerk aus PVC-Rohren mit einem Durchmesser von 6 Zoll und T-Abzweigungen, einem Hydranten und simulierte Lecks, die sich in verschiedenen Abständen vom Hydrophon befinden. Sie schlossen es direkt an das städtische Wassersystem von Waterloo an, das mit 50 Pfund pro Quadratzoll betrieben wird.
Das Ergebnis ist ein System, das permanent implementiert werden kann, um im Hintergrund ausgeführt zu werden und Warnungen anzuzeigen, wenn eine Pipe kompromittiert wird. Die Hydrophone in den Hydranten bleiben dort und arbeiten ständig, anstatt platziert und betrieben zu werden, um nach Lecks zu suchen.
Wu vergleicht seinen Roboter mit der KI von Waterloo und zeigt wichtige Anwendungsfälle für die Technologien auf. In einem städtischen System eignet sich die Dichte der Leitungen und des komplexen Netzwerks für Abhörgeräte, insbesondere mit Hilfe von Computerintelligenz, mit deren Hilfe die Daten analysiert werden können, anstatt sich nur auf geschulte Techniker zu verlassen. Ein Umzug in die Vororte oder in ländliche Gebiete, und die langen Rohrstrecken - manchmal nur ein paar Häuser über kilometerlange Rohrleitungen - würden zu viele Hydrophone erfordern, um praktisch zu sein. Sein Roboter scheint hier; Lassen Sie es einfach in einen Hydranten fallen und heben Sie es kilometerweit wieder auf.
Der James Dyson Award ernannte Lighthouse 2018 zum US-amerikanischen Nationalsieger. (Dyson Awards) Die Erfinder beteiligen sich jetzt an Versuchen und Partnerschaften, um ihre Produkte einzuwählen und sie für den Markt vorzubereiten. Muttis Unternehmen ist industrieller Partner der University of Waterloo und half dem Labor dabei, einen strategischen Zuschuss vom kanadischen Forschungsrat für Naturwissenschaften und Ingenieurwesen zu erhalten, um die Technologie weiterzuentwickeln und in Guelph, Ontario, zu testen. Watchtower Robotics hat kürzlich sein erstes Pilotprojekt in Corydon, Indiana, abgeschlossen und plant zwei weitere in Boston und San Antonio. Erfolg für beide Unternehmen bedeutet weniger katastrophale Brüche und weniger Menschen, die Rohre ausgraben.
„Am Ende jedes Tages müssen bei jeder dieser Pausen echte Menschen, oft unter sehr unangenehmen Bedingungen, aussteigen, ausgraben und reparieren, in der Regel in sehr kurzer Zeit“, sagt Mutti. "Je mehr wir tun können, um dies zu vereinfachen und ihnen bessere Werkzeuge zu bieten, um dies zu erreichen, desto mehr profitieren nicht nur die Menschen, die eine Wasserrechnung bezahlen, sondern die Gesellschaft im Allgemeinen."
