Overal in de noordelijke Verenigde Staten en Canada controleren huiseigenaren hun sneeuwblazers, slaan ze brandhout op en tappen ze buitenleidingen af als voorbereiding op koud weer. Voor gemeenten is winterbestendige waterleidingen echter niet zo eenvoudig - de leidingen reizen lang ondergronds, en deze tijd van het jaar zorgen bevroren grond- en temperatuurverschillen ervoor dat fijne scheuren zich ontwikkelen tot volledige lekken, vaak met catastrofale resultaten.
Je ziet af en toe nieuwsartikelen over zinkgaten en waterstops, maar het probleem is eigenlijk veel groter, sluipend en impactvol dan de vreemde kloof in een stadsstraat.
De American Society of Civil Engineers schat in haar Infrastructure Report Card dat jaarlijks 240.000 wateronderbrekingen plaatsvinden in de VS, waarbij 2 biljoen liter behandeld drinkwater ontsnapt. Dit betekent dat 14 tot 18 procent van het water dat elke dag wordt behandeld verloren gaat, genoeg om 15 miljoen huizen te bedienen. En het verslechtert; een onderzoek uit 2018 van de Utah State University wees uit dat leidingbreuken in de VS en Canada de afgelopen zes jaar met 27 procent zijn gestegen. Bovendien zijn de waterrekeningen die door klanten worden betaald niet genoeg om de waterinfrastructuur te financieren, en de American Water Works Association schat een prijskaartje van $ 1 biljoen om het te repareren. In veel ontwikkelingslanden is het probleem nog erger; de conservatieve schatting van de Wereldbank suggereert dat 35 procent van het water dat in distributiesystemen wordt gestopt, verloren kan gaan in de 44 onderzochte landen. Wereldwijd gaat ongeveer $ 14 miljard verloren.
In tegendeel, kleine lekken (minder dan 10 gallons per minuut) worden niet eens lekken genoemd en tellen niet mee voor het aantal van 240.000 van de ASCE. Deze kleinere, moeilijk te vinden scheuren worden "potentiële lekken" genoemd - om een lek te kunnen worden genoemd, moet de scheur voldoende water vrijmaken om zichtbaar uit de grond te komen. Maar potentiële lekken worden lekken, en lekken worden onderbrekingen en miljoenen liters (en dollars) sijpelen of stromen in de grond.
Wat is een stad om te doen?
Best practices volgens de American Water Works Association beginnen met een wateraudit, waarbij de hoeveelheid water wordt berekend die door een ideaal efficiënt systeem zou reizen, en wordt vergeleken met de hoeveelheid die daadwerkelijk wordt gebruikt door consumenten, bekend als 'inkomstenwater'.
"Waterefficiëntie is een redelijk goed ontwikkeld segment van de industrie, waar u probeert de prestaties van uw systeem met betrekking tot inkomsten en niet-inkomsten water te controleren, " zegt Dennis Mutti, president van C3 Water, die werkt met gemeenten in het zuidwesten van Ontario voor het plannen en optimaliseren van watersystemen, inclusief drinkwater en afvalwater.
Het resultaat van die audit geeft steden een idee hoeveel water er verloren gaat. Om dat te verminderen, huren ze vaak aannemers in om naar lekken te zoeken. Gewoonlijk houdt lekdetectie in dat je op dat zichtbare bewijs wacht, of systematisch hele systemen controleert, hydranten opent of leidingen opgraaft om er auditieve sensoren op te plaatsen in de hoop een lek te horen.
Honderden mijlen uit elkaar, komen twee verschillende uitvinders op steeds kleinere lekken op twee heel verschillende manieren aan bod. Men luistert, zorgvuldig en met behulp van kunstmatige intelligentie, naar subtiele veranderingen in het geluid van stromend water; de andere gebruikt een zachte robot om voorzichtig te voelen voor de zachte ruk door het drukverschil van een klein lek. Elk heeft samengewerkt met verschillende gemeenten, en elk is van plan om een deel van die miljoenen gallons te redden van ontsnappen in de grond.
Toen You Wu opgroeide in Shanghai, een keer per week op donderdag, zou zijn buurt water afzetten voor zijn burgers, als een manier om watertekorten te behouden en te voorkomen. "Ze sloten het water voor mijn gemeenschap, wat misschien een kwart miljoen mensen tot een half miljoen mensen treft", zegt Wu, die in 2008 naar de VS verhuisde en naar MIT ging. “Ik voelde me alsof we geweldige burgers waren, we hielpen de stad water te besparen. Tegen de tijd dat ik bij MIT kwam, realiseerde ik me, wacht eens even, we besparen water, maar tegelijkertijd ging 20 tot 30 procent van het schone water verloren door lekken in hetzelfde systeem. ”
Hij begon met sensoren te rotzooien en vroeg zich af of er een betere manier is om lekken te vinden voordat ze erg genoeg worden om te horen - of zoals sommige steden doen, wachten tot de leidingen volledig openbreken. Meer dan zes jaar werkte hij aan het project en richtte na zijn afstuderen een bedrijf op, Watchtower Robotics. Dat bedrijf start nu net pilotprogramma's om het derde prototype van Wu in te zetten, een badminton birdie-vormige zachte robot genaamd Lighthouse die door de pijpen glijdt met de stroom van het water. Tijdens het reizen bewaken flexsensoren een set flippers aan de basis van de robot voor de kleine sleepboten die gebeuren terwijl het drukverschillen passeert die worden gevormd door lekken. Uiteindelijk komt het uit een stroomafwaartse brandkraan en exploitanten gebruiken de gegevens om te berekenen waar het lek kan zijn. Voor dit proces heeft Wu 10 patenten verkregen en zijn bedrijf verleent deze een licentie van MIT. Het apparaat kan een lek detecteren zo klein als 1 gallon per minuut
Terwijl Lighthouse reist, bewaken flexsensoren een set flippers aan de basis van de robot voor de kleine sleepboten die gebeuren terwijl het drukverschillen passeert die worden gevormd door lekken. (Met dank aan de onderzoekers) In het bevroren noorden - Waterloo, Ontario - past een groep onderzoekers de meer traditionele methode aan, luisterend naar lekken met behulp van kunstmatige intelligentie. Net als Watchtower Robotics is het doel om steeds kleinere lekken te identificeren. Deze zijn te klein om te detecteren via drukveranderingen en moeilijk te onderscheiden van achtergrondgeluid, waarvan er veel is wanneer je een bos water door leidingen pompt. Het is zelfs niet helemaal juist om te zeggen dat ze luisteren. Hun apparaat, beschreven in een recent artikel in Urban Water Journal, is verzonken in het water onder een brandkraan en maakt gebruik van hydrofonische sensoren om trillingen in het water te controleren op alles wat ongewoon is. Via een proces genaamd signaalspectrumanalyse deconstrueert de AI het signaal wiskundig in componenten en vergelijkt deze met niet-lekkende trillingen.
"Als je naar een onbewerkt of volledig signaal kijkt, kun je niet gemakkelijk een onderscheid maken tussen [lekkende en niet-lekkende geluiden]", zegt Roya Cody, de promovendus van de Universiteit van Waterloo, die het artikel van Urban Water Journal heeft geschreven . "Maar als je naar de subcomponenten kijkt, zien het lek en de omgevingsgevallen er heel anders uit."
Om deze AI te trainen - dat wil zeggen, het een basislijn te geven voor lekkende en niet-lekkende scenario's waarmee ze kunnen worden vergeleken - bouwden de onderzoekers een netwerk van PVC-buizen met een diameter van 6 inch in hun laboratorium, compleet met T-junctions, een brandkraan en gesimuleerde lekken op verschillende afstanden van de hydrofoon. Ze hebben het rechtstreeks aangesloten op het gemeentelijke watersysteem van Waterloo, dat 50 pond per vierkante inch gebruikt.
Het resultaat is een systeem dat permanent kan worden geïmplementeerd, op de achtergrond kan worden uitgevoerd en waarschuwingen kan bieden wanneer een pijp is aangetast; de hydrofoons in de hydranten blijven daar en werken constant, in plaats van ze te moeten plaatsen en bedienen om op lekken te zoeken.
Wu vergelijkt zijn robot met de AI van Waterlo en wijst op belangrijke verschillende gebruikstoepassingen voor de technologieën. In een stedelijk systeem leent de dichtheid van leidingen en het complexe netwerk zich voor luisterapparaten, vooral met behulp van computerintelligentie, die kunnen helpen de gegevens te analyseren in plaats van alleen te vertrouwen op getrainde technici. Maar verhuis naar de buitenwijken of het platteland, en de lange stukken pijpen - soms slechts een paar huizen over kilometers leidingen - vereisen te veel hydrofoons om praktisch te zijn. Zijn robot schijnt hier; laat het gewoon in een hydrant vallen en pak het opnieuw op, kilometers verderop.
De James Dyson Award heeft Lighthouse uitgeroepen tot US National Winner in 2018. (Dyson Awards) De uitvinders nemen nu deel aan proeven en samenwerkingsverbanden om hun producten in te bellen en klaar te maken voor de markt. Het bedrijf van Mutti is een industriële partner van de Universiteit van Waterloo en heeft dat laboratorium geholpen bij het verkrijgen van een strategische subsidie van de Natural Sciences and Engineering Research Council van Canada om de technologie verder te ontwikkelen en te testen in Guelph, Ontario. Watchtower Robotics heeft ondertussen zijn eerste pilotproject in Corydon, Indiana voltooid en plant er nog twee in Boston en San Antonio. Succes voor beide bedrijven betekent minder catastrofale pauzes en minder mensen die pijpen aan het graven zijn.
"Aan het einde van de dag neemt elk van deze pauzes die zich voordoen echte mensen, vaak in zeer onaangename omstandigheden, om eruit te komen, op te graven, een reparatie uit te voeren, meestal in een zeer korte volgorde, " zegt Mutti. "Hoe meer dingen we kunnen doen om dat gemakkelijker te maken en hen betere tools te geven om dat te doen, is een groot voordeel voor niet alleen mensen die een waterrekening betalen, maar voor de samenleving in het algemeen."
