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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(zhǎng)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(guó)家和供水管道陳舊的地區(qū)。”Geiger表示。在水資源豐富的國(guó)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?yè)?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(cè)量?jī)x（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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量設(shè)備相連，由測(cè)量設(shè)備通過無線方式將測(cè)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(cè)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(cè)量值大大高出下一個(gè)測(cè)量值，則表明出現(xiàn)了新漏水點(diǎn)。

西門子的測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量值。當(dāng)它們發(fā)現(xiàn)測(cè)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?chǎng)休息時(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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(jiǎn)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(zhǎng)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(cè)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(cè)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(cè)。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(cè)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(cè)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(guó)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(zhǎng)，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(guó)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(guó)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(chǎng)。

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)。客流無一例外都沿著一個(gè)方向移動(dòng)，先朝著麥加移動(dòng)，然后再?gòu)哪抢锓祷?。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(chǎng)延長(zhǎng)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(guó)的合作伙伴——中國(guó)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(cè)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(guó)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(jiǎn)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(zhǎng)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(guó)列車車廂制造商已經(jīng)申請(qǐng)將這一成績(jī)載入《吉尼斯世界紀(jì)錄》中。