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智能堤壩保平安

從絕妙的創(chuàng)意到即將成型的產(chǎn)品：Bernhard Lang是西門子堤壩監(jiān)測系統(tǒng)的。

借助采用智能數(shù)據(jù)評估技術(shù)的學(xué)習(xí)系統(tǒng)，人們可以對至關(guān)重要的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。一個(gè)深知哪些要素可確保堤壩堅(jiān)不可摧的新型早期預(yù)警系統(tǒng)，能夠挽救寶貴的生命。

堤壩開始移動(dòng)。護(hù)坡草皮從壩體外墻剝落、下滑。然后，壩底粘土層開始升高。有幾秒鐘時(shí)間，壩體仿佛從內(nèi)向外膨脹，像氣球一樣鼓了起來。緊接著，壓力急遽升高，粘土層斷裂，棕色的洪流從由此形成的深邃裂縫中噴涌而出，沖向堤壩前方的草原。下方地面塌陷之后，放置在堤壩頂部的水箱即歪歪扭扭地沉入裂縫。決堤現(xiàn)象，發(fā)生了。

在決堤真正發(fā)生之前，這一幕將首先出現(xiàn)在平板電腦上

2014年自然災(zāi)害

Bernhard Lang的臉上露出了滿意的笑容。決堤實(shí)驗(yàn)成功地證明，Lang開發(fā)的防洪早期預(yù)警系統(tǒng)是奏效的。Lang是西門子的一名工程師，4年前，他開始與來自俄羅斯的研究人員合作，開發(fā)這套系統(tǒng)。Lang的想法是“開發(fā)某種能夠防洪的東西。”他研制的堤壩監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)已準(zhǔn)備投放市場。

實(shí)驗(yàn)中，這個(gè)*的系統(tǒng)可提前計(jì)算出壩體潰決的確切部位，精確度可達(dá)到最后一米。此外，這個(gè)系統(tǒng)甚至能展示潰決的過程。在“決堤”發(fā)生前幾天，Lang在其平板電腦調(diào)出的堤壩虛擬橫截面上，顯示了一塊鮮紅色的區(qū)域。紅色意味著標(biāo)記區(qū)域內(nèi)的材料將滑落。在系統(tǒng)預(yù)測的時(shí)間，所發(fā)生的正是這種情況。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，研究人員平靜地觀察著微小的裂縫逐漸擴(kuò)大，直至達(dá)到事先確定的決堤點(diǎn)。研究人員甚至可通過同時(shí)從多個(gè)側(cè)面利用水對受測堤壩施加壓力，引發(fā)決堤。實(shí)際上，他們可以提前數(shù)星期甚或數(shù)月，確切探知哪里的情況會(huì)變得十分危急，必須加固或重建堤壩的哪些部位。

極端天氣形勢要求復(fù)雜的保護(hù)措施

全球自然災(zāi)害分布圖

自從建起*座堤壩以來，人們就一直想要預(yù)測這種保護(hù)其人身和基礎(chǔ)設(shè)施安全的堡壘，什么時(shí)候會(huì)破裂。如今，人們越來越迫切地需要具備這種能力。在歐洲，三分之二以上的城市已經(jīng)不得不定期采取措施來保護(hù)居民和工業(yè)設(shè)施免受洪災(zāi)侵襲——不僅是沿海城市，那些依河而建、飽受泛濫之災(zāi)的城市，也都面臨著這種處境。日益頻發(fā)的氣候變化導(dǎo)致了極端天氣，有關(guān)當(dāng)局更緊迫地需要借助可靠的系統(tǒng)來保護(hù)居民和基礎(chǔ)設(shè)施。

全球自然災(zāi)害

2013年，全球自然災(zāi)害造成的全部損失中，有37%左右與洪災(zāi)有關(guān)，比1980年以來數(shù)十年間的平均值22%高得多。過去，荷蘭遭遇的洪災(zāi)格外頻繁。荷蘭全國四分之一以上的陸地低于海平面，其領(lǐng)土的60%可能受洪災(zāi)影響。這些區(qū)域生活著許多人，占荷蘭經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值的80%。

“有時(shí)候我禁不住納悶，為什么我們荷蘭人過去要將所有重要建筑物修建在海平面以下的地方？”Peter Jansen開玩笑道，他是Waternet Amsterdam公司——阿姆斯特丹的自來水公司——的一名部門負(fù)責(zé)人。Waternet公司負(fù)責(zé)大阿姆斯特丹地區(qū)長達(dá)1000多公里的堤壩。這些堤壩所守護(hù)的700平方公里的土地上生活著100多萬人。除保障飲用水供應(yīng)及處理污水外，Waternet公司還代表地方水文局Amstel, Gooi en Vecht開展防洪防汛工作。盡管監(jiān)測堤壩是Waternet公司的常規(guī)任務(wù)之一，但它從未能像現(xiàn)在這樣精確地執(zhí)行這項(xiàng)任務(wù)。

Waternet Amsterdam公司利用西門子技術(shù)，對阿姆斯特丹的一座綿延5公里的堤壩進(jìn)行監(jiān)測。（圖片來源：Google/Waternet）

Jansen解釋道，“到目前為止，取決于其建筑材料，我們每隔5到30年，會(huì)對堤壩進(jìn)行一次維護(hù)。”平面圖揭示了每座堤壩的構(gòu)造，哪些部位是由沙、粘土、泥炭或土壤構(gòu)成的。過去，檢查員不得不定期對堤壩進(jìn)行測量，以核查其穩(wěn)定性。Jansen表示，“那時(shí)候，每隔幾年，就會(huì)有幾位專家驅(qū)車前往堤壩進(jìn)行實(shí)地勘查，并將測量儀器安裝到地下。”操作人員必須向地方當(dāng)局報(bào)告檢查結(jié)果。Jansen說：“我們負(fù)責(zé)維護(hù)堤壩的穩(wěn)固。”

每隔一分鐘傳送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

如今，Jansen每隔一小時(shí)就能在他的手機(jī)上收到這些信息。如果數(shù)據(jù)中有值得注意的地方，Jansen甚至可以將消息發(fā)送頻次提高至每分鐘一次。這是否意味著所有堤壩的檢查間隔都從30年縮短到了60秒？那倒未必。因?yàn)?，迄今為止，僅在阿姆斯特丹5公里長的Ringdijks堤壩上，安裝了這個(gè)由Lang及其在西門子中央研究院的同事共同開發(fā)的早期預(yù)警和監(jiān)測系統(tǒng)。Waternet公司是這個(gè)系統(tǒng)的試點(diǎn)客戶。Jansen還可以要求這個(gè)系統(tǒng)在曲線圖上顯示關(guān)于堤壩特定區(qū)段、特定地點(diǎn)的實(shí)時(shí)信息，或者自動(dòng)將歷史數(shù)據(jù)合并到一個(gè)圖表中。這個(gè)系統(tǒng)的發(fā)明者Bernhard Lang解釋道，“所有數(shù)據(jù)都在這個(gè)系統(tǒng)里，可以按我們想要的任何方式加以合并。”

這些數(shù)據(jù)是由按100米間距部署在堤壩內(nèi)的傳感器采集的。這些傳感器散布于水面上方和下方，它們負(fù)責(zé)測量堤壩內(nèi)部的溫度、壓力和濕度，以及泄洪道的水深和水溫。傳感器和通信裝置連接——一些配備了SIM卡的小盒子。通信裝置則利用GPRS移動(dòng)無線通信服務(wù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至位于德國Karlsruhe的中央控制室。中央控制室將這些不起眼的初步測量結(jié)果從原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為智慧數(shù)據(jù)，以便發(fā)送至任何移動(dòng)終端。

如果系統(tǒng)測得堤壩內(nèi)部溫度達(dá)到14攝氏度，那么，這可能意味著什么地方出了差錯(cuò)，因?yàn)榈叵滤疁囟燃s為8攝氏度，堤壩內(nèi)部也應(yīng)當(dāng)是這個(gè)溫度。溫度偏高可能意味著有溫度較高的水從外部滲入。但在系統(tǒng)發(fā)出告警之前，它首先會(huì)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，與諸如地下水深度、每年這個(gè)時(shí)候受影響區(qū)域內(nèi)的正常降水量，以及該區(qū)域最近是否發(fā)生旱情從而導(dǎo)致堤壩蓄水量增加等預(yù)訓(xùn)知識(shí)進(jìn)行比對。

西門子工程師Bernhard Lang（左）與Waternet公司的Haroen Lemmers（右）正在操制水下傳感器的連接。

Lang解釋道，“堤壩如同具有生命的有機(jī)體。它會(huì)膨脹和收縮。水滲入堤壩這一事實(shí)，并不一定意味著存在任何危險(xiǎn)。”正因如此，研究人員也需要了解受影響區(qū)域內(nèi)的堤壩的建筑材料，因?yàn)檫@樣他們才能確定坡面的穩(wěn)定系數(shù)。這其中涉及多個(gè)因素。但得益于采用新傳感器數(shù)據(jù)、學(xué)習(xí)系統(tǒng)持續(xù)不斷采集的長期數(shù)據(jù)，以及數(shù)學(xué)模型，這些因素將被合并成一個(gè)奇妙的統(tǒng)一整體。

做到這一點(diǎn)，全靠能分辨出一般偏差和異常狀況的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。20世紀(jì)90年代末期，當(dāng)時(shí)的西門子神經(jīng)計(jì)算部門開發(fā)了有關(guān)軟件。從那以后，這款軟件的穩(wěn)定性得到了不斷提高。如今，這款軟件可以抽取并推算在沿堤壩的關(guān)鍵點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)。假若條件相同的話，這個(gè)系統(tǒng)可以根據(jù)其知識(shí)，推斷出關(guān)于并未安裝傳感器的堤段的精確結(jié)論。

彩色區(qū)域表示危險(xiǎn)地帶

依水而建的城市：阿姆斯特丹市中心

經(jīng)過處理，監(jiān)測數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為圖表和直觀的二維彩圖，以便客戶能看清堤壩的哪些區(qū)段存在洪災(zāi)隱患。西門子解決方案還能進(jìn)行場景演示，以表明如果水位升高或壓力增大，在特定時(shí)刻會(huì)發(fā)生什么情況。此外，它還能顯示如果堤壩是一段有重型卡車行駛的道路，情況會(huì)變得多么糟糕。

Jansen說：“當(dāng)然，我們總是不得不應(yīng)對這樣的問題。然而，我們過去所掌握的信息是理論上的、不精確的?，F(xiàn)在，這些信息則是具體而又精確的。”Jansen認(rèn)為，由于不確定堤壩內(nèi)部究竟發(fā)生了什么，人們有時(shí)不必要地采取了大規(guī)模的安防措施。他說：“這樣的措施成本高昂——建造一段一公里長的新堤壩，至少需要100萬歐元的成本。但這些堤壩甚至也不安全，因?yàn)槿藗冋莆盏臄?shù)據(jù)實(shí)在太少了。”

成本最多降低20%

Jansen預(yù)計(jì)，在使用了西門子技術(shù)的區(qū)域，Waternet公司將能每年節(jié)約至少20%的維護(hù)成本。盡管削減了成本，Waternet公司卻能收到更多、更好的信息。從長遠(yuǎn)來看，Jansen希望在更多堤壩區(qū)段安裝傳感器。“當(dāng)然，我們不能在每個(gè)地方都安裝傳感器，因?yàn)檫@樣做的成本太高。但我們可以選擇某些典型區(qū)域，并從在這些區(qū)域獲得的數(shù)據(jù)中提煉信息?？煽康闹腔蹟?shù)據(jù)是我們保護(hù)生命的工具。”

電氣化高速路：*段公共道路

圖中所示為德國Groß Dölln的電氣化高速路延長測試段上的行駛場景

很快，得益于西門子正在加利福尼亞州Carson架設(shè)的適用于電動(dòng)和混合動(dòng)力卡車的高架線纜，卡車將在集電器的驅(qū)動(dòng)下，首次在公共道路上行駛。這次測試將為最多4輛測試卡車雙向供電，以使之沿著兩英里長的電氣化高速路系統(tǒng)行駛，而不排放任何廢氣。對這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)地測試，將于2016年年中進(jìn)行。這個(gè)項(xiàng)目是由西門子與沃爾沃集團(tuán)子公司Mack Trucks及電能轉(zhuǎn)換技術(shù)專家Transpower合作開展的。

專家稱，到2050年，貨運(yùn)量將增加兩倍。因此，盡管鐵路系統(tǒng)不斷擴(kuò)建，未來道路上行駛的卡車數(shù)量仍將比現(xiàn)在多得多。每天，都有成千上萬輛卡車前往洛杉磯和長灘的港口，一段每天來來往往約3.5萬輛卡車的30公里路段，顯得格外擁堵。預(yù)計(jì)到2035年，沿這條路線行駛的卡車數(shù)量，還將增加近兩倍，為此，港務(wù)局正在尋求*交通解決方案。正因如此，目前南海岸空氣質(zhì)量管理區(qū)（SCAQMD）很想確定電氣化高速路系統(tǒng)是否適合在Interstate I-710路段上投入商業(yè)使用。測試卡車也可在實(shí)際條件下被整合到運(yùn)輸公司的車隊(duì)中。

HGV始終由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在電氣化路線上，電機(jī)從高架電車線獲得電能。受電弓將電能從高架電車線輸送至HGV的電力動(dòng)力總成系統(tǒng)。

效率是柴油卡車的兩倍

電氣化高速路系統(tǒng)是西門子專為繁忙的貨運(yùn)路線而開發(fā)的高能效、低排放解決方案。這個(gè)系統(tǒng)由道路高架線纜，以及配備了智能集電器的電動(dòng)或混合動(dòng)力的卡車構(gòu)成。車頂上的傳感器可以識(shí)別出是否有高架線纜，并且可以自動(dòng)將卡車連接至高架線纜，或從其上斷開。有了它們，卡車還可以更換車道，以便以最高90公里的時(shí)速超車。當(dāng)有高架線纜可用時(shí)，卡車不會(huì)排放任何廢氣。在常規(guī)路段上，取決于所配備的動(dòng)力總成系統(tǒng)，卡車將切換為柴油、天然氣或電池運(yùn)行模式。歸功于更高效的電力動(dòng)力總成系統(tǒng)，電氣化高速路系統(tǒng)的能效約為80%，這大約是柴油卡車的兩倍。此外，高架線纜的輸電效率高達(dá)99%。事實(shí)上，卡車可將回收的制動(dòng)能量輸送回電網(wǎng)，這進(jìn)一步提高了電氣化高速路系統(tǒng)的能效。

自2011年起，西門子便開始在ENUBA研究項(xiàng)目項(xiàng)下開發(fā)電氣化高速路系統(tǒng)。2011年，西門子使用柴油-電動(dòng)卡車，在測試路線上展示了這個(gè)概念的可行性。目前，ENUBA 2的項(xiàng)目伙伴正在考察這項(xiàng)技術(shù)是否適合日常使用。它們開展了許多研究，包括執(zhí)行曲線測試，以及將這項(xiàng)技術(shù)集成到牽引裝置中，以拖動(dòng)常規(guī)半掛車的解決方案檢測。在加利福尼亞州，目前正首次在公共道路上架設(shè)電氣化高速路系統(tǒng)。對這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測試，將采用配備電池-電動(dòng)、柴油-電動(dòng)和天然氣-電動(dòng)等多種不同動(dòng)力總成系統(tǒng)的卡車。