Сензори и AR очила правят водопроводите "умни"

Сензорите постепенно превземат всички сфери на живота ни – телефоните „знаят“ дали са държани вертикално или хоризонтално, ховърбордовете на децата разбират кога ги накланят леко, за да тръгнат напред, авангардни клиники следят жизнените показатели на пациентите си чрез умни дрехи с вградени в тъканта сензори за пулса и кислорода в кръвта. В мащабните градски инфраструктури също е време за вграждане на сензори.

Текст: списание Инфрабилд

Снимка: Мария Малцева

Умни измервателни уреди мерят потреблението на ток в някои страни и автоматично отчитат консумацията, но също така и дават препоръки на домакинствата за пестене на електроенергия. По аналогичен начин и тръбопроводите за доставка на вода започват да стават „умни“. Сензорите с ниска консумация на енергия, безжичните мрежи от ново поколение, „интернетът на нещата“ и технологиите за смесена реалност формират изцяло нов, интелигентен начин на управление на водопреносните инфраструктури.
Световната здравна организация заяви през 2019 г., че 71% от населението на света има достъп до чиста вода. Това има значение за качеството на живот, оказвайки пряко въздействие върху всеки потребител. От гледна точка на бизнес-организациите обаче цифрата е предизвикателство: близо третина от населението все още няма достъп до чиста вода, а разширяването на водопроводните инфраструктури изисква инвестиции – вложения, които стават все по-трудни на фона на старите ВиК мрежи, белязани от неподозирани течове, което в крайна сметка означава загуби. От друга страна налице са все по-стриктни изисквания и регулации на държавно ниво относно качеството на водата. 

Въпреки това, за разлика от петролната промишленост например, водната индустрия изостава с възприемането на цифровите технологии. Нужният мониторинг на мрежите в много страни по света липсва или е крайно недостатъчен. Налице е реална нужда от по-добро наблюдение на използването, водоснабдяването, както и пречистването на водите и третирането на отпадъчните води. За да постигне това, водната индустрия трябва да се цифровизира и да използва сензори и интелигентни технологии във всички области на своите водни мрежи.

Понастоящем се използват бавни „аналогови“ системи за управление на ВиК мрежите. Например, за анализ на състава на водата пробите се събират на ръка и се носят лаборатории. Това значи продължителен анализ и закъсняло предоставяне на данните, което в някои случаи може да има тежки последици. За течовете нерядко се научава случайно, от недоволни потребители, или по „подозрение“ - след като вече са загубени огромни количества чиста вода. 

Въвеждането на сензори в индустрията може да доведе до повишаване на ефективността, намаляване на замърсяванията, намаляване на непредвидените разходи и дори понижаване на крайните цени.

Защо сега?

Интелигентните измервателни уреди за газ и електроенергия вече са доказали своите ползи. Те позволяват измерването на по-точни показания, като в същото време спестяват човешки труд и време.

Днес сме свидетели на възхода на „облачните“ технологии – клас високотехнологични системи, които позволяват агрегирането на огромни количества данни, техния анализ и достъп до резултатите от анализа по всяко време и от всяка точка на света. Сега голям брой сензори могат да бъдат вградени в една и съща инфраструктура. Посредством изчислителния „облак“ те позволяват пълноценен, ефективен мониторинг в реално време. 

Изменението на климата също е фактор, който налага ВиК дружествата да побързат да дигитализират своите мрежи, за да упражняват по-прецизен контрол върху управлението на водите. Екстремните метеорологични условия са това, което най-силно характеризира изменящия се климат – екстремни валежи, извънредни засушавания и топлинни вълни, опустошителни бури и др. Измененият климат поставя натиск върху жизнените градски инфраструктури – особено водопреносните мрежи. 

Появата на Covid-19 е допълнителен стимул за разгръщането на мрежи за мониторинг и управление на водопроводните системи. Нуждата от по-добра хигиена, автоматизацията на много от сградните инсталации налагат безкомпромисно управление на всяка капка вода, за да се гарантира, че възможностите за заразяване са сведени до минимум. 

Технологиите

Няколко технологични тенденции днес позволяват ВиК мрежите да станат „умни“. 

„Интернетът на нещата“ е общо понятие, с което се обозначава мрежа от физически обекти („нещата“) с вградени в тях сензори и датчици, мрежи и софтуер, така че всичките „неща“ да са постоянно свързани и да обменят данни – както помежду си, така и с други системи - през интернет. 

LoRaWAN е мрежова технология за бежичен пренос на данни, която се отличава с извънредно ниска консумация на енергия и забележителна дълготрайност на сензорите. Всеки от тях може да работи с една батерия в продължение на 5 до 10 години. Данните могат да се пренасят на разстояния до 10 км. Крайните устройства – сензорите – имат функции за прецизна геолокация, благодарение на което докладваните от тях данни са обвързани с точна информация за местонахождение. 

„Облачните изчисления“, за които много се говори напоследък, са концепция за използване на компютърните ресурси отдалечено от централизиран доставчик – по същия начин, по който електричеството се използва от крайните потребители без значение в коя електроцентрала се произвежда. Първите примери за „облачни“ технологии са уеб-базираните системи за електронна поща, но днес същата технология се прилага за сериозни корпоративни приложения за управление на бизнеса. В света на инфраструктурните системи облачната технология е особено ценна: позволява централизирана обработка на събираните данни, както и визуализирането на обработената информация – и всичко това може да се достъпва през интернет от всяка точка от света. 

Изкуственият интелект е друга нова технология, която – макар да звучи футуристично – вече се прилага на практика. Който има относително съвременен смартфон, може да я види в действие (например „съветникът“, който при пускане на камерата „казва“, че светлината е твърде слаба и е по-добре да се използва светкавица, е пример за изкуствен разум в ежедневните ни технологии). В индустрията изкуственият разум намира приложение на ниво централизирани системи: събраните чрез „облачните“ технологии данни могат да се анализират от машинния интелект, за да предоставят анализи и изводи от събраните данни, дори и да изготвят препоръки или да предприемат действия в критична ситуация. 

Във ВиК сферата изкуственият интелект намира изява във вид на централизиран софтуер за събиране на показанията на сензорите от ВиК мрежата и тяхното анализиране. Това позволява софтуерът да „разбере“ кога има индикации за нерегламентирано изтичане на вода. В подобна ситуация той може да алармира и дори да даде насока дали става дума за пробив по тръбопроводите или пък за потенциална кражба. 

Добавената реалност има голямо и ценно приложение в света на индустриалните системи, особено тръбопроводи от всякакъв вид. Тя не бива да се бърка с т. нар. виртуална реалност. При технологиите за добавена реалност чрез специални очила (т. нар. „augmented reality” - накратко AR) се съчетават реална картина с наслоени върху нея дигитални данни. Така отговорните лица – например инженерите в полеви условия – използват специалните AR очила, с които виждат едновременно физическата инфраструктура – да речем дадена тръба – с цифрови данни, които биват „наслоени“ върху физическия образ в очилата - например температура и посока на флуида в тръбата, налягане и др. 

Средствата на добавена реалност вече се използват активно в поддръжката на ветрогенератори, например, тъй като позволяват на полевия инженер да сподели – през онлайн връзка – това, което вижда на обекта, с колегите си в контролния център, да получи от тях инструкции, чертежи и схеми, които да вижда „пред очите си“ без намеса на ръцете. 

Къде, кога и как

„Умните“ ВиК мрежи са водопроводите, които са оборудвани със сензори и мрежови технологии, така че всичките им параметри биват постоянно наблюдавани в реално или почти реално време. Благодарение на датчиците и мрежовата свързаност един нововъзникнал теч може да бъде регистриран буквално веднага – още в момента, в който налягането в мрежата рязко се промени. Технологията на изкуствения разум позволява автоматично разпознаване кога дадена промяна или колебание е нетипично за обичайния ритъм на потребление. Прецизната геолокация на сензорите пък позволява бързо и лесно да се открие точното място на пробива. С други думи, вграждането на сензори и мрежова свързаност означава по-бързо откриване на проблеми, моменталното им отстраняване и – в крайна сметка – спестяване на непредвидени разходи. 
Благодарение на централизираната обработка на данните ВиК дружествата могат да имат постоянен цялостен поглед над събитията в управляваните от тях мрежи. 

На база прецизните измервания и наблюдения организациите за управление на водните ресурси могат да изготвят анализи за потребителското поведение. Те дори могат да препоръчват на потребителите си определени промени в навиците и да насърчават разумното потребление посредством промени в тарифирането. 

Подобен подход е печеливш и за двете страни. И ВиК дружествата намаляват разходите си, и потребителите намаляват сметките си. Освобождават се финансови ресурси за нови инвестиции. 

Умната водна мрежа позволява на водоснабдителните предприятия да: наблюдават отдалечено и да идентифицират проблеми, за да могат да дадат приоритет на спешните проблеми и да организират поддръжката най-ефективно; предоставят на своите клиенти информация и инструменти, за да могат да направят информиран избор относно своите модели на поведение; спазват стриктно разпоредбите и политиките за качеството на водите и опазването на околната среда.

Налични са много различни решения за водоснабдяването и общинските райони, които да се използват за дигитализиране на ВиК мрежите. Най-общо може да се каже, че те могат да се групират в няколко области: измервания на налягането, дебит, акустични емисии, температура, химични параметри. 

В областта на съхранението (напр. при язовири) сензорните системи и централизираните машини позволяват следене на ниво на водата, налягане, температура и химичен състав. В тръбите се проследяват налягане, скорост на потока, резки промени (течове). В областта на отпадъчните води могат да се следят всички базови параметри, свързани с третирането: рН, хлор, химичен състав. 

Интересен аспект от дигитализацията на ВиК инфраструктурите е възможността за проследяване на застоя на водните ресурси. Когато потребителите не черпят вода, известно количество водата стои в тръбите. При по-продължителен застой може да се очаква, че нейната температура ще се промени. Това може да създаде дискомфорт за потребителите впоследствие. По-проблемно е, че при по-дълго застояване на водата, особено в стари водопроводи, е възможно развитието на бактерии, потенциално опасни за човешкото здраве (т. нар. легионерска болест). Именно в това отношение прецизният мониторинг на движението на водата може да бъде много уместен и ценен. 

Към всички ползи от сензорите следва да се добави и комуникацията с модули за подобрена реалност за прецизна работа в полеви условия. AR очилата могат да покажат на инженерите, работещи на „обект“, от какъв материал е изработена тръбата, пред която са изправени, каква е температурата на водата вътре, какво е налягането й, в каква посока отива. Чрез вградените си мини-екрани AR очилата могат да покажат и цялостна схема на инсталацията. В случай на нужда изгледът пред очите на специалиста може да се заснеме или дори да се излъчи на живо като видео - чрез безжична връзка до централен контролен център. Това най-често става през клетъчната връзка на мобилния телефон, докато комуникацията между AR модула и телефона минава през Bluetooth. Все пак има и AR очила, които могат да са със самостоятелна SIM карта за директна връзка. 

Синергия

Има редица индустрии, които в момента се нуждаят от устройства за измерване и наблюдение на отпадъчните води. Например производителите на полупроводници трябва да гарантират, че отпадъчните им води нямат следи от метали. Химическите или фармацевтичните предприятия не трябва да оставят следи от каквито и да е химикали. 

Всеки производствен процес, който използва вода за охлаждане, е задължен да извежда отпадъчните в околната среда, гарантирайки, че инсталацията не замърсява и не нанася щети на околната среда. 

Всички тези индустрии се нуждаят от сензори за наблюдение на състава на водите. Същите тези сензори могат да се използват в общинските инсталации за водоснабдяване и отвеждане на отпадъчни води - за наблюдение на замърсителите във водните и канализационните мрежи. Партньорството с индустриите, които имат отношение към водните ресурси, може да помогне на операторите на водопреносни мрежи да намалят разходите си. 

Паралелно с това ВиК дружествата могат да „поканят“ мрежовите оператори и технологичните компании да използват съвместно наличните подземни инфраструктурни трасета за комбинирано изграждане и управление на мрежите си. Така например е възможно „опъване“ на кабелна комуникационна инфраструктура паралелно с тръбопроводите: по този начин сензорите ще са близо до комуникационните мрежи, а операторите на мрежите за данни ще могат да осигурят по-лесна поддръжка. Получава се отлична бизнес-симбиоза.