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可查明漏水点的模拟系统

在我们的日常生活中，饮用水是无可替代的东西。然而这种资源的浪费十分严重。不过这种情况有望得到改观，因为研究人员找到了利用超声技术和数学法则模拟供水管网正常状况并查明漏水点的方法。

古代的希腊、罗马和亚述人利用管道从遥远地方运来泉水，供给大城市。用经过精确切割的石材砌成的运河为这些城市人口的繁衍生息提供了保障。这些运河有封盖，可以避免因水蒸发而发生的损失，罗马人还利用水泥来防止漏水。但是古代的工程师们并不能排查隐蔽的漏水，时至今日，这种问题仍然存在。即便在伦敦这样的现代化城市，每天也有数百万升水由于漏水而流失掉。“这是由于维多利亚时期建造的供水总管已经陈旧不堪。”世界自然基金会淡水项目干事Martin Geiger介绍道。

根据*数据，在伦敦的3万公里供水管网中，每个接头处每天流失的饮用水量达217升。若这种流失能减少1%，挽救的饮用水量也能满足22.4万人的用水之需。每一处漏水看似微不足道，而且不易察觉，但如果将它们加在一起，漏水总量将令人瞠目。根据一本教材，在压力为5巴的条件下，一个只有1毫米宽的漏水点每小时就会滴掉58升水。而这样的漏水很可能在潜伏相当长的时间后才会被人们发现。取决于自来水公司的组织结构，这个问题可能要三到六个月才能发现。

“管网漏水是一个亟待解决的问题，尤其是在发展中国家和供水管道陈旧的地区。”Geiger表示。在水资源丰富的国家，漏水造成的损失“不过是”成本和能源，这种损失是因为压力泵的运转需要耗费大量能源。但是在干旱地区，漏水将带来性命攸关的威胁。的数据显示，在第三世界，超过10亿人无法获得足够的饮用水。另据世界卫生组织报告，全世界有半数人口居住在面临干旱危险的地区。同时，饮用水流失只是问题的一个方面。由于诸如微生物等杂质可能会通过漏洞渗进水管，漏水问题还会导致水质下降。

“印度的某些供水管网中，多达60%的饮用水在输送给用户的途中漏掉了。”Geiger表示。令人棘手的是，漏水点排查是一个极其耗时费钱的过程。原因之一就在于目前往往只有总管中装有流量测量仪（有的供水管网中甚至根本没有安装）。那么对于分支管道中的状况，只能靠排查人员利用听力设备来检测漏水与正常分流之间的声音差异而侥幸发现。另一原因是很少对测量值进行全网评估。

上面介绍的情形不久便有望得到改观，带来这一福音的是一款全新系统，它可以监听水流声音并自动检测到异常状况，从而帮助用户最大限度降低成本不菲的漏水量。通过与慕尼黑西门子中央研究院的同仁密切合作，纽伦堡西门子工业自动化集团的研究人员针对上述问题，开发出一种解决方案。“我们向客户提供一个电工套件，它可以帮助客户全面管理饮用水供应，从水资源的开发到输水、供水管网管理，乃至废水处理，面面俱到。”西门子水处理业务部的产品组合管理负责人Andreas Pirsing介绍说，“在引进我们全新开发的SIWA LeakControl系统后，现在还可以排查出露水点。”

为检测漏水情况，工程师们将一个网段划分为若干个区段，然后只要使用区区几个基于声纳的超声流量计来测量输入流量和输出流量，便可以一种经济合算的方式分析这些区段的用水量。该流量测量解决方案已被包括炼油厂和废水处理机构在内的众多客户采用，其价值得到一次又一次的验证。这种系统易于安装，可应用于任何直径、任何材料的管道。此外还有一大优势是它可以安装在管道外部。维修技术员只需将流量计安装在管道上，然后将其与测量设备相连，由测量设备通过无线方式将测量结果传输到工艺控制中心。接下来系统会利用这些数据生成某时间段的流量概览。

在排查泄漏过程中，夜间的测量数据非常重要，因为凌晨2点到4点之间的用水量通常应该最低。这期间只有管道中的漏水点会继续出水。如果夜间的某个测量值大大高出下一个测量值，则表明出现了新漏水点。

西门子的测量算法需要一到两周的时间来记录某个管网的正常用水情况。此后这些算法便可以自动检测出新的泄漏。此过程中最难的一步是开发出足够智能的算法。

“供水网络不是一种入水流量和出水流量都能明确界定的管道系统。”西门子建模、模拟与优化（MSO）技术负责人Roland Rosen说道，“我们对进入网络的水资源一清二楚，但是对于这些水的去向就没那么明确了。所以我们要找出尚未知晓的有悖于标准值的偏差。”

统计学定律为此问题提供了解决办法。如果网络在正常运转，则测量值应该呈典型分布特征。这就像是骰子游戏。“漏水点会产生和灌铅骰子一样的效果。”在MSO就职的数学家Jan Christoph Wehrstedt解释道。计算机程序监视每天晚上的异常测量值。当它们发现测量值分布不正常时，会发出警报。为了尽量减少误警，这些软件会对多个区段的数据结果进行比较。“如果在夜间所有管道的水流量突然全都异常升高，那就不是漏水，而可能是因为在进行球赛。”Wehrstedt说，这是他的经验之谈。之所以出现这种情况，是因为在中场休息时观众会纷纷如厕。系统不会将此类高峰用量考虑在内。

无需学习阶段。“除水流量和压力分布外，我们最近还采用了蒙特卡洛模拟方法。”Wehrstedt透露。这些模拟是十分复杂的统计过程，可以极其迅速地检测出泄漏。“为实现这一目的，我们设计了供水管网的模拟程序。然后我们的计算机利用测得的入水流量和出水流量计算网络内的水流压力环境。这样，我们就可以模拟分支管道和汇合点的水流量。”他介绍道。最终可以得出一个工程师们用以进行试验的模型。

系统将测量值与传感器数据进行比对，用巧合因素模板替代未知的消费者行为。然后蒙特卡洛模拟算法生成模拟值波动报告。这种对测量值和模拟值进行比对的方案，使得解决方案可以跳过两周的学习阶段。

为进一步了解网络的可疑漏水区段，研发团队还安装了额外的传感器。这样做避免了动用锹镐大费周章排查问题区段的麻烦。“蒙特卡洛算法还可以显示原有泄漏，也就是说，在学习阶段便已存在的泄漏，而若单凭简单的统计过程，是无法查明这些泄漏的。”Wehrstedt补充道。工程师们建议自来水公司每个季度对其整个管网进行一次排查。若要分析一个长约500千米并有数百个节点的网络，传统计算机大约需要十分钟。“从数学的角度看，要确保某个城区的饮用水供应在很大程度上就如同分析选举结果。”Wehrstedt说道，“在这两件事中，研究人员都要对测量值进行统计分析，然后估计未来走势。只不过我们现在要预测的不是某个群体会投谁一票，而是网络某个区段的用水量。”

在该系统开发完成后不久，西门子的工程师便在一座大城市对其进行实测。泄漏排查人员旋即从中获益匪浅。“即便我们是在欧洲一个维护良好的供水管网对系统进行测试，该软件在首次运行时，便在城市的每个角落排查出或多或少的漏水点。自来水公司事先根本没有察觉到这些漏水情况。”Pirsing回忆道。与传统的排查方法相比， 在试验期间，SIWA LeakControl系统取得了显著的节水效果——每个已修复的漏水点每年可节约数百升饮用水。不过，这次实测却让该市的一位市民叫苦不迭。这位市民多年来一直从供水管网非法盗水，为自己的游泳池换水。进行水网分析后，自来水公司派出一支技术小组对此进行调查。这位节俭的泳池主人最终收到了巨额水费单。如果没有开展这个分析，今后几十年内，他很可能一直会在偷来的水中游泳。

为通往麦加的新地铁线路架设供电系统可远非一帆风顺。但也绝不能因此而延误工期——因为前往麦加的神圣朝觐必须按期抵达，不容有误。

每年，全世界都有数以百万计的穆斯林奔赴麦加——伊斯兰世界中最为神圣的所在，去参加一年一度的“朝觐”。去麦加朝觐一直以来都是一件规模巨大的盛事。然而近年来，这一规模在持续快速扩张。从外国来麦加的朝拜者人数已经从1996年的110万左右增至2011年的180多万。很难准确计算每年来这里朝拜的总人数，但是多方估算认为这一数字接近400万。

要在为期5天的时间里往返运输数百万人次，这对物流提出了严峻的挑战，尤其在效率和安全方面。其实在朝觐的悠远历史中，这些方面确实并不尽如人意。目前的运力设计还要考虑到将来朝觐人数的增长，这一点的重要性不亚于前者。随着空运成本日趋合理，可以预想到，未来几年内，全球15亿穆斯林里将有更多人加入朝觐的队伍中。

几个世纪以来，朝觐的最后一个阶段都是徒步进行的。但是随着人数规模持续扩大，跋涉途中年迈以及残疾人群增加，沙特政府决定，让这段旅程的一部分实现现代化的时候已经到了。2009年5月，西门子获得了为麦加以南从阿拉法特山至穆斯塔里发和米纳的铁路提供供电系统的合同。20世纪30年代以来，西门子一直都在为沙特的交通基础设施建设贡献自己的力量。

极为紧张的工期——仅有17个月，是这项铁路工程提出的*挑战。必须指出，建设它是为了应对朝觐时骤然增加的交通压力。剩余时间里——全年11个多月——列车和铁路基本闲置。

中国广州曾有一项类似的快速通道项目，耗时33个月完工。多米尼加共和国圣多明各的一个项目用时仅27个月，打破了之前的纪录。

50度——日晒雨淋。除了施工期限的压力，气候条件也是很大的挑战。麦加位于群山之间干燥炎热的走廊中。项目经理Ralf Börnicke对当地极端的天气情况依然记忆犹新。他回忆道：“气温通常高达50摄氏度。那时还经常伴随着倾盆大雨。建设工作非常非常艰难。”

麦加作为伊斯兰世界圣城的地位也带来了一些特别的要求。签证要求复杂，关键人员有时不能亲赴现场。

最后，朝觐的性质还在技术和设计方面带来了特殊的挑战。由于构成朝觐的一系列活动的性质，朝圣者任何时候都在相同的道路上行进。客流无一例外都沿着一个方向移动，先朝着麦加移动，然后再从那里返回。因此，部分沿线的两条轨道必须设计成单向的，而不是标准地铁系统中的“环形”。

该项目是整包工程，包括九个车站，每小时每个方向的总运力可达7.2万人次。除了两条轨道线路——一条18公里的南线和一条含停车场延长线的20公里线路——该项目还要求有独立的供电系统。西门子负责为整个线路供应变电站、开关设备、线缆系统、柴油发电机以及高架接触网。

列车车厢的供应商是中国的合作伙伴——中国铁建股份有限公司。

由于项目紧张的工期，设计和工厂测试的多数环节必须同步进行。随着项目推进而变清晰的是，与项目相关的很多当地政府建筑和其他设施不能按期完工。在2010年初秋的关键阶段，出现了对能否遵守工期严重怀疑。

为了更加清晰地勾勒出当时的总体情况，西门子进行了一项内部分析，检查究竟是哪些方面停滞不前，可能会影响11月的完工期限。如果不能按期履约将会带来严重的后果，不仅要赔付合同中明文规定的罚款，还会危及西门子以后在该国的业务。这个内部研究预示，基本不可能按期完工。经过对各方面情况和剩余时间的详细分析，简直无法实现目标。Börnicke说：“我们也很震惊。但是我们决定忽略掉我们的内部分析，继续卯足干劲更快地施工。”

紧张完工。从9月到10月，工程全面依靠轮班和夜间作业。铁路工程一般是按照合乎逻辑的、预先确定的顺序来进行的。但是随着完工期限日益逼近，必须昼夜不停地干活，不同的工作经常并行开展。例如，铁轨尚在铺设或调整时就已经在架设高架接触网了——这是一项极为艰难的任务。即便对Börnicke所带领的西门子团队中这些经验丰富的专业人士来说，这也已经*突破了以前的工作方式了。

经过最后几周的加班加点，朝觐之旅即将开始。而且，所有的站点均如期开放，这不得不令人称奇。300米长的列车行驶整段路程花费的时间还不到30分钟——其中大多数满载4000名旅客。事实上，由于运送的乘客数量之众，中国列车车厢制造商已经申请将这一成绩载入《吉尼斯世界纪录》中。