一种可节约水资源和人力资源的先进预警系统。

气候变化和技术人员短缺是当今主要的社会议题,也是供水商始终面临的挑战,水很珍贵,在连续高温天气下尤为如此。因此,迅速检测泄漏并遏制水资源流失刻不容缓。但网络监测、泄漏检测和修复都需要大量的人力资源。自动泄漏检测系统由此应运而生。

去年夏天的干旱,导致目前许多地区的饮用水供应面临巨大压力。市政当局和供水商呼吁节约用水,并发布各类取水禁令和使用限制。许多研究表明,气候变化对当前地下水资源的蠕变效应已经日趋明显。根据德国联邦环境署(Umweltbundesamt)的数据表明,德国70%以上的饮用水来自地下水。

因此最小化供水网络的泄漏时间至关重要。但传统方法在发生泄漏和定位泄漏之间需要很长的时间,并且非常耗费人力。且供水行业比其他行业更需要解决技术人员短缺的问题。这一点可通过以下两个数字说明:在巴伐利亚自由州,每3300个供水商仅有60名受训人员,他们将在2018年完成供水技术人员的培训。德国燃气和水资源专家协会巴伐利亚分会常务理事Jörn-Helge Möller在春季接受巴伐利亚广播电台采访时表示:“供水技术人员远不能满足需求”。

Enigma3m-Einsatz
关联噪音记录器Enigma3m具有一跟天线和一个eSIM芯片,可通过移动网络进行远程数据传输。始终选择若干可用网络中质量最好的网络。

Esders GmbH通过Enigma3m提供一个程序,可在很大程度上自动进行泄漏检测。基于合格的记录器和地理信息系统(GIS)数据,夜间出现的泄漏噪音可以通过云端运算进行关联。因此,供水商每天早上都能收到调查网络部分采集的可靠情况,并立即采取行动。如果主动将关联噪音记录器Enigma3m放置在危险网络部分进行监测,通常在24h内即可定位泄漏并修复。因此,这种方法节约了物力、水资源和人力。此外,它也经过多次实践的考验,例如,瑞士巴塞尔市的公共电力供应公司IWB利用33个Enigma3m记录器进行了初步科学测试。

Primeweb Startseite Leitungsnetz
关联结果自动显示在示意图中,泄漏指示标记为浅红色。门户网站是一种软件即服务解决方案,无需进一步的硬件和软件投资。

定位泄漏的标准程序通常有五个步骤:首先使用接触式传声器进行预定位,然后使用噪音记录器进行第二次预定位,进一步划定受损区域。第三步,用地面相关器精确定位损坏位置。管道系统几个点记录的泄漏噪音相互关联。根据声音到达各个接触点的时间差来精确计算泄漏位置。第四步,地面传声器确认泄漏后,对损坏进行修复。更小的泄漏可能发生在由隆起、沉降或施工活动引起的爆裂管道附近,其泄漏噪音会通过已修复的损坏区叠加到该点。第五步是进行全面的后续检查。大多数供水商的工作都是临时进行的:噪音记录器会在有泄漏嫌疑的情况下暂停工作并进行收集,并在记录后传达结果。经验表明,从首次疑似泄漏到定位泄漏点,供水商预计需要花费15~20个工时。但越来越多的供水商开始通过安装永久性记录器对风险区域进行定期和长期的监测。然后通过远程读数的方式定期收集记录器数据。为此,员工必须定期驾车在监测区域内四处行驶(“驾车监测解决方案”)。

巴塞尔IWB水流失管理的监测与上述描述类似。他们的供水网络在地理上分为5个压力区:在区域2到5约80km的管网中,每年会使用一次噪音记录器进行录音,通过人工收集数据并传达结果。在网络距离约420km的区域1安装了永久性记录器,通过“驾车监测解决方案”按季度传达结果。目前在IWB水流失管理部门担任工厂工程师的Michael Gauer表示:“在最坏的情况下,即在定期读数完后不久就发生损坏,这意味着区域1在发生泄漏后,要经过3个月才能被供水公司发现,而区域2到区域4则需要1年”。为完成在瑞士西北应用科学大学FHNW Muttenz的硕士论文“水流失评估和泄漏监测”,Gauer在2018年夏天通过远程传输噪音数据评估了四种不同泄漏检测系统的灵敏度。为此,在地下消防栓上使用了部分真实泄漏或模拟了不同噪音水平的泄漏。此外,为系统的标准化评估开发了一个包含16个技术和经济分类的标准目录。

Michale Gauer
Michael Gauer是巴塞尔IWB公共事业公司的水流失管理经理。在他的硕士论文中,Gauer通过远程传输噪音数据评估了四种不同泄漏检测系统的灵敏度。

所有经评估的设备都通过移动服务发送夜间记录的噪音数据。但在两个系统中,记录器和数据传输单元之间必须建立和维护一个独立的网络,以供专用的短程无线电使用。因此便需要地面装置,例如在房屋和路灯的正面,这些装置成本昂贵,还经常被蓄意破坏。此外,如果将记录器移动到另一个监测区域,则必须重新安装整个通信基础设施。包括Enigma3m在内的另外两个系统可以自动接入本地移动网络,并将测量结果从地板下面直接发送到服务器。内置在Enigma3m的漫游SIM卡可以自动拨号进入记录器位置覆盖最佳的移动网络,从而进一步提高了监测的可靠性和有效性。例如,IWB的网络监测提供了五种不同的移动网络供选择。自给自足的移动网络使整个系统非常灵活。因此,可以快速地将其转移到另一个网络部分,并且易于管理。

Enigma3m-Kommunikation-Web
通过结合移动和云服务,关联结果可以通过任何标准网络浏览器进行访问。

当超过临界噪音水平时,两个测试系统会发出警报。但它们完全是水平驱动:超过充分/规定的噪音水平触发警报,随后用户通过手动触发过程来关联噪音数据。缺点:在静音泄漏的情况下,由于泄漏的大小或与记录器的距离都没有达到临界噪音水平,泄漏会始终“处在暗处不被发现”。包括来自Esders的Enigma3m在内的其他两个系统都是关联驱动的:它们自动将网络服务器上录制的声音关联起来。Esders服务器不仅会合并声音和关联数据。还会在测量之前从公用事业公司的地理信息系统(GIS)导入管道数据。于是服务器便可以使用存储的管道平面图以及有关管道材料属性、公称宽度和直径的信息。后续的结构变化可以使用“绘制管道”功能以数字方式轻松添加,或者通过更新GIS来完成。GIS越精确和详细,Enigma3m的关联就越精确。Enigma3m将七个晚上与三个测量间隔关联起来,每个测量间隔都是为了消除干扰噪音或测量过程中大量的随机取水。

自动关联系统在研究中显示出最好的结果。它们通过将噪音数据关联到一米以内来定位泄漏。就真正的泄漏而言,Enigma3m点相关性的平均精度为0.39cm,远远低于半米。此外,Enigma3m可以在不依靠音量的情况下将记录的噪音数据关联起来。因此,即使是噪音水平相对较低的小型模拟泄漏也被安置在巴塞尔。

Michael Gauer的研究设计以不同的权重区分了主要标准和次要标准。主要标准是关联的准确性、相关函数、关联结果的可解释性和相应系统的泄漏检测率,即系统发现了多少真实的和模拟的泄漏。在总体评估中,Esders公司的关联声音记录器Englis3m显示出最好的结果。这主要是由于Esders设备的泄漏检测率明显更高,并且点相关的高精度平均为0.39m。用于监测供水网络压力、流量和泄漏的Enigma3m门户网站的用户界面设计直观,这是其另外一个附加价值。Michael Gauer表示,“网络应用程序简化了系统的基本功能,从而加快了学习曲线”。

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在谷歌街景覆盖的区域,只需点击鼠标就可以看到即将施工的现场环境。

移动相关器和地面传声器经过一段时间的固定后,则可以在巴塞尔的现场开始修复泄漏的挖掘工作。因此,Enigma3m将上述五步程序简化为自动关联和现场的点定位两个步骤,并通过长期监测保证泄漏环境的后续管理。与前述提到的16~20个工时相比,泄漏信息可以在工作日开始的短时间内进行数字化定位和锁定。移动相关器和地面传声器的现场确认在90min内完成,因此根据距离的不同,点定位所需的时间最多为3h。