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可查明漏水點的模擬系統

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十分嚴重。不過這種情況有望得到改觀，因為研究人員找到了利用超聲技術和數學法則模擬供水管網正常狀況并查明漏水點的方法。

古代的希臘、羅馬和亞述人利用管道從遙遠地方運來泉水，供給大城市。用經過精確切割的石材砌成的運河為這些城市人口的繁衍生息提供了保障。這些運河有封蓋，可以避免因水蒸發而發生的損失，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，時至今日，這種問題仍然存在。即便在倫敦這樣的現代化城市，每天也有數百萬升水由于漏水而流失掉。“這是由于維多利亞時期建造的供水總管已經陳舊不堪。”世界自然基金會淡水項目干事Martin Geiger介紹道。

根據*數據，在倫敦的3萬公里供水管網中，每個接頭處每天流失的飲用水量達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。根據一本教材，在壓力為5巴的條件下，一個只有1毫米寬的漏水點每小時就會滴掉58升水。而這樣的漏水很可能在潛伏相當長的時間后才會被人們發現。取決于自來水公司的組織結構，這個問題可能要三到六個月才能發現。

“管網漏水是一個亟待解決的問題，尤其是在發展中國家和供水管道陳舊的地區。”Geiger表示。在水資源豐富的國家，漏水造成的損失“不過是”成本和能源，這種損失是因為壓力泵的運轉需要耗費大量能源。但是在干旱地區，漏水將帶來性命攸關的威脅。的數據顯示，在第三世界，超過10億人無法獲得足夠的飲用水。另據世界衛生組織報告，全世界有半數人口居住在面臨干旱危險的地區。同時，飲用水流失只是問題的一個方面。由于諸如微生物等雜質可能會通過漏洞滲進水管，漏水問題還會導致水質下降。

“印度的某些供水管網中，多達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，漏水點排查是一個極其耗時費錢的過程。原因之一就在于目前往往只有總管中裝有流量測量儀（有的供水管網中甚至根本沒有安裝）。那么對于分支管道中的狀況，只能靠排查人員利用聽力設備來檢測漏水與正常分流之間的聲音差異而僥幸發現。另一原因是很少對測量值進行全網評估。

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，它可以監聽水流聲音并自動檢測到異常狀況，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，紐倫堡西門子工業自動化集團的研究人員針對上述問題，開發出一種解決方案。“我們向客戶提供一個電工套件，它可以幫助客戶全面管理飲用水供應，從水資源的開發到輸水、供水管網管理，乃至廢水處理，面面俱到。”西門子水處理業務部的產品組合管理負責人Andreas Pirsing介紹說，“在引進我們全新開發的SIWA LeakControl系統后，現在還可以排查出露水點。”

為檢測漏水情況，工程師們將一個網段劃分為若干個區段，然后只要使用區區幾個基于聲納的超聲流量計來測量輸入流量和輸出流量，便可以一種經濟合算的方式分析這些區段的用水量。該流量測量解決方案已被包括煉油廠和廢水處理機構在內的眾多客戶采用，其價值得到一次又一次的驗證。這種系統易于安裝，可應用于任何直徑、任何材料的管道。此外還有一大優勢是它可以安裝在管道外部。維修技術員只需將流量計安裝在管道上，然后將其與測量設備相連，由測量設備通過無線方式將測量結果傳輸到工藝控制中心。接下來系統會利用這些數據生成某時間段的流量概覽。

在排查泄漏過程中，夜間的測量數據非常重要，因為凌晨2點到4點之間的用水量通常應該最低。這期間只有管道中的漏水點會繼續出水。如果夜間的某個測量值大大高出下一個測量值，則表明出現了新漏水點。

西門子的測量算法需要一到兩周的時間來記錄某個管網的正常用水情況。此后這些算法便可以自動檢測出新的泄漏。此過程中最難的一步是開發出足夠智能的算法。

“供水網絡不是一種入水流量和出水流量都能明確界定的管道系統。”西門子建模、模擬與優化（MSO）技術負責人Roland Rosen說道，“我們對進入網絡的水資源一清二楚，但是對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準值的偏差。”

統計學定律為此問題提供了解決辦法。如果網絡在正常運轉，則測量值應該呈典型分布特征。這就像是骰子游戲。“漏水點會產生和灌鉛骰子一樣的效果。”在MSO就職的數學家Jan Christoph Wehrstedt解釋道。計算機程序監視每天晚上的異常測量值。當它們發現測量值分布不正常時，會發出警報。為了盡量減少誤警，這些軟件會對多個區段的數據結果進行比較。“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，而可能是因為在進行球賽。”Wehrstedt說，這是他的經驗之談。之所以出現這種情況，是因為在中場休息時觀眾會紛紛如廁。系統不會將此類高峰用量考慮在內。

無需學習階段。“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。這些模擬是十分復雜的統計過程，可以極其迅速地檢測出泄漏。“為實現這一目的，我們設計了供水管網的模擬程序。然后我們的計算機利用測得的入水流量和出水流量計算網絡內的水流壓力環境。這樣，我們就可以模擬分支管道和匯合點的水流量。”他介紹道。最終可以得出一個工程師們用以進行試驗的模型。

系統將測量值與傳感器數據進行比對，用巧合因素模板替代未知的消費者行為。然后蒙特卡洛模擬算法生成模擬值波動報告。這種對測量值和模擬值進行比對的方案，使得解決方案可以跳過兩周的學習階段。

為進一步了解網絡的可疑漏水區段，研發團隊還安裝了額外的傳感器。這樣做避免了動用鍬鎬大費周章排查問題區段的麻煩。“蒙特卡洛算法還可以顯示原有泄漏，也就是說，在學習階段便已存在的泄漏，而若單憑簡單的統計過程，是無法查明這些泄漏的。”Wehrstedt補充道。工程師們建議自來水公司每個季度對其整個管網進行一次排查。若要分析一個長約500千米并有數百個節點的網絡，傳統計算機大約需要十分鐘。“從數學的角度看，要確保某個城區的飲用水供應在很大程度上就如同分析選舉結果。”Wehrstedt說道，“在這兩件事中，研究人員都要對測量值進行統計分析，然后估計未來走勢。只不過我們現在要預測的不是某個群體會投誰一票，而是網絡某個區段的用水量。”

在該系統開發完成后不久，西門子的工程師便在一座大城市對其進行實測。泄漏排查人員旋即從中獲益匪淺。“即便我們是在歐洲一個維護良好的供水管網對系統進行測試，該軟件在首次運行時，便在城市的每個角落排查出或多或少的漏水點。自來水公司事先根本沒有察覺到這些漏水情況。”Pirsing回憶道。與傳統的排查方法相比， 在試驗期間，SIWA LeakControl系統取得了顯著的節水效果——每個已修復的漏水點每年可節約數百升飲用水。不過，這次實測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非法盜水，為自己的游泳池換水。進行水網分析后，自來水公司派出一支技術小組對此進行調查。這位節儉的泳池主人最終收到了巨額水費單。如果沒有開展這個分析，今后幾十年內，他很可能一直會在偷來的水中游泳。

為通往麥加的新地鐵線路架設供電系統可遠非一帆風順。但也絕不能因此而延誤工期——因為前往麥加的神圣朝覲必須按期抵達，不容有誤。

每年，全世界都有數以百萬計的穆斯林奔赴麥加——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模巨大的盛事。然而近年來，這一規模在持續快速擴張。從外國來麥加的朝拜者人數已經從1996年的110萬左右增至2011年的180多萬。很難準確計算每年來這里朝拜的總人數，但是多方估算認為這一數字接近400萬。

要在為期5天的時間里往返運輸數百萬人次，這對物流提出了嚴峻的挑戰，尤其在效率和安全方面。其實在朝覲的悠遠歷史中，這些方面確實并不盡如人意。目前的運力設計還要考慮到將來朝覲人數的增長，這一點的重要性不亞于前者。隨著空運成本日趨合理，可以預想到，未來幾年內，全球15億穆斯林里將有更多人加入朝覲的隊伍中。

幾個世紀以來，朝覲的最后一個階段都是徒步進行的。但是隨著人數規模持續擴大，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現現代化的時候已經到了。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和米納的鐵路提供供電系統的合同。20世紀30年代以來，西門子一直都在為沙特的交通基礎設施建設貢獻自己的力量。

極為緊張的工期——僅有17個月，是這項鐵路工程提出的*挑戰。必須指出，建設它是為了應對朝覲時驟然增加的交通壓力。剩余時間里——全年11個多月——列車和鐵路基本閑置。

中國廣州曾有一項類似的快速通道項目，耗時33個月完工。多米尼加共和國圣多明各的一個項目用時僅27個月，打破了之前的紀錄。

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。麥加位于群山之間干燥炎熱的走廊中。項目經理Ralf Börnicke對當地極端的天氣情況依然記憶猶新。他回憶道：“氣溫通常高達50攝氏度。那時還經常伴隨著傾盆大雨。建設工作非常非常艱難。”

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。簽證要求復雜，關鍵人員有時不能親赴現場。

最后，朝覲的性質還在技術和設計方面帶來了特殊的挑戰。由于構成朝覲的一系列活動的性質，朝圣者任何時候都在相同的道路上行進。客流無一例外都沿著一個方向移動，先朝著麥加移動，然后再從那里返回。因此，部分沿線的兩條軌道必須設計成單向的，而不是標準地鐵系統中的“環形”。

該項目是整包工程，包括九個車站，每小時每個方向的總運力可達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延長線的20公里線路——該項目還要求有獨立的供電系統。西門子負責為整個線路供應變電站、開關設備、線纜系統、柴油發電機以及高架接觸網。

列車車廂的供應商是中國的合作伙伴——中國鐵建股份有限公司。

由于項目緊張的工期，設計和工廠測試的多數環節必須同步進行。隨著項目推進而變清晰的是，與項目相關的很多當地政府建筑和其他設施不能按期完工。在2010年初秋的關鍵階段，出現了對能否遵守工期嚴重懷疑。

為了更加清晰地勾勒出當時的總體情況，西門子進行了一項內部分析，檢查究竟是哪些方面停滯不前，可能會影響11月的完工期限。如果不能按期履約將會帶來嚴重的后果，不僅要賠付合同中明文規定的罰款，還會危及西門子以后在該國的業務。這個內部研究預示，基本不可能按期完工。經過對各方面情況和剩余時間的詳細分析，簡直無法實現目標。Börnicke說：“我們也很震驚。但是我們決定忽略掉我們的內部分析，繼續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。鐵路工程一般是按照合乎邏輯的、預先確定的順序來進行的。但是隨著完工期限日益逼近，必須晝夜不停地干活，不同的工作經常并行開展。例如，鐵軌尚在鋪設或調整時就已經在架設高架接觸網了——這是一項極為艱難的任務。即便對Börnicke所帶領的西門子團隊中這些經驗豐富的專業人士來說，這也已經*突破了以前的工作方式了。

經過最后幾周的加班加點，朝覲之旅即將開始。而且，所有的站點均如期開放，這不得不令人稱奇。300米長的列車行駛整段路程花費的時間還不到30分鐘——其中大多數滿載4000名旅客。事實上，由于運送的乘客數量之眾，中國列車車廂制造商已經申請將這一成績載入《吉尼斯世界紀錄》中。