Dans le nord des États-Unis et du Canada, les propriétaires vérifient leurs souffleuses à neige, stockent du bois de chauffage et drainent les tuyaux extérieurs en prévision du temps froid. Cependant, pour les municipalités, les conduites d’eau ne sont pas si faciles en hiver: les conduites traversent de longues distances enterrées et, à cette époque de l’année, les différences de température entre le sol et le sol gelé entraînent la formation de fissures fines, générant souvent des conséquences catastrophiques.
Vous voyez de temps en temps des articles de presse sur des dolines et des ruptures d’alimentation en eau, mais le problème est en réalité beaucoup plus répandu, insidieux et percutant que l’étrange abîme d’une rue de la ville.
L'American Society of Civil Engineers estime, dans son rapport 2017 sur l'infrastructure, que 240 000 ruptures de conduites principales se produisent chaque année aux États-Unis et que 2 000 milliards de gallons d'eau potable traitée s'échappent. Cela signifie que 14 à 18% de l'eau traitée par jour est perdue, ce qui est suffisant pour desservir 15 millions de foyers. Et ça empire; Une étude réalisée en 2018 par l'Utah State University a révélé que les ruptures de conduites aux États-Unis et au Canada ont augmenté de 27% au cours des six dernières années. De plus, les factures d’eau payées par les clients ne suffisent pas à financer l’infrastructure d’eau, et l’American Water Works Association estime qu’un prix de 1 000 milliards de dollars est nécessaire pour la réparer. Dans de nombreux pays en développement, le problème est pire. Selon les estimations prudentes de la Banque mondiale, 35% de l'eau injectée dans les systèmes de distribution pourrait être perdue dans les 44 pays examinés. Environ 14 milliards de dollars sont perdus chaque année dans le monde.
Contre-intuitivement, les petites fuites (moins de 10 gallons par minute) ne sont même pas qualifiées de fuites et ne comptent pas pour le nombre de 240 000 de l'ASCE. Ces fissures plus petites et difficiles à trouver sont appelées «fuites potentielles». Pour être qualifiée de fuite, la fissure doit libérer suffisamment d'eau pour qu'elle jaillisse visiblement du sol. Mais les fuites potentielles deviennent des fuites, et les fuites se transforment en fissures et des millions de gallons (et de dollars) s'infiltrent ou se déversent dans le sol.
Qu'est-ce qu'une ville à faire?
Selon l’American Water Works Association, les meilleures pratiques commencent par un audit de l’eau, calculant la quantité d’eau pouvant transiter par un système parfaitement efficace, et la comparant à la quantité réellement utilisée par les consommateurs, appelée «eau de consommation».
«L’utilisation rationnelle de l’eau est un segment assez développé de l’industrie, où vous essayez de surveiller les performances de votre système en ce qui concerne l’eau avec ou sans revenus», a déclaré Dennis Mutti, président de C3 Water, qui travaille avec les municipalités du sud-ouest de l’Ontario pour planifier et optimiser les systèmes d’approvisionnement en eau, y compris l’eau potable et les eaux usées.
Le résultat de cet audit donne aux villes une idée de la quantité d'eau perdue. Pour atténuer cela, ils font souvent appel à des entrepreneurs pour rechercher les fuites. Conventionnellement, la détection des fuites implique d'attendre ces preuves visibles ou de vérifier systématiquement des systèmes entiers, d'ouvrir des bornes-fontaines ou de creuser des tuyaux pour y placer des capteurs auditifs dans l'espoir d'entendre une fuite.
À des centaines de kilomètres de distance, deux inventeurs différents se concentrent sur des fuites de plus en plus petites de deux manières très différentes. On écoute attentivement, avec l'aide de l'intelligence artificielle, de subtils changements dans le son de l'eau courante; l’autre utilise un robot logiciel pour sentir avec soin le léger remorqueur créé par le différentiel de pression d’une fuite minuscule. Chacune d'elles s'est associée à différentes municipalités et chacune a l'intention d'éviter qu'une partie de ces millions de gallons ne s'échappe dans la terre.
Lorsque You Wu grandissait à Shanghai, une fois par semaine le jeudi, son quartier coupait l’eau aux citoyens, afin de préserver et de prévenir les pénuries d’eau. «Ils ont coupé l'eau dans ma communauté, ce qui affecte peut-être un quart de million de personnes sur un demi-million de personnes», a déclaré Wu, qui a déménagé aux États-Unis en 2008 et s'est rendu au MIT. «Je me sentais comme de bons citoyens, nous aidions la ville à conserver l’eau. Au moment où je suis arrivé au MIT, je me suis rendu compte, attendez une seconde, nous économisons de l'eau, mais dans le même temps, 20 à 30% de l'eau propre a été perdue à cause de fuites dans le même système. "
Il a commencé à jouer avec des capteurs, se demandant s'il existait un meilleur moyen de détecter les fuites avant qu'elles ne deviennent suffisamment difficiles à entendre - ou comme certaines villes le font, en attendant que les tuyaux se brisent complètement. Pendant six ans, il travailla sur le projet et fonda une entreprise, Watchtower Robotics, après avoir obtenu son diplôme. Cette société vient tout juste de commencer des programmes pilotes pour déployer le troisième prototype de Wu, un robot doux en forme de oiseau appelé badminton appelé Lighthouse, qui glisse dans les tuyaux avec le flux de l'eau. Au cours de leur déplacement, les capteurs de flexion surveillent un ensemble de nageoires situées à la base du robot afin de détecter les minuscules remorqueurs qui surviennent lors du passage des différentiels de pression formés par des fuites. Finalement, il sort d'une bouche d'incendie en aval et les opérateurs utilisent les données pour calculer l'emplacement de la fuite. Pour ce processus, Wu a obtenu 10 brevets et sa société les concède sous licence au MIT. L'appareil peut détecter une fuite aussi petite que 1 gallon par minute
À mesure que le phare se déplace, des capteurs de flexion surveillent un ensemble de nageoires situées à la base du robot afin de détecter les minuscules remorqueurs qui surviennent lorsqu'il dépasse les différences de pression formées par des fuites. (Gracieuseté des chercheurs) Dans le nord gelé - Waterloo, en Ontario - un groupe de chercheurs modifie la méthode plus traditionnelle en recherchant les fuites à l'aide de l'intelligence artificielle. À l'instar de Watchtower Robotics, l'objectif est d'identifier les fuites de plus en plus petites. Celles-ci sont trop petites pour être détectées via les changements de pression et difficiles à distinguer des bruits de fond, qui sont nombreux lorsque vous pompez beaucoup d'eau à travers des tuyaux. En fait, ce n'est pas tout à fait exact de dire qu'ils écoutent du tout. Leur dispositif, décrit dans un article récent de Urban Water Journal, est enfoncé dans l'eau sous une bouche d'incendie et utilise des capteurs hydrophoniques pour surveiller les vibrations dans l'eau et détecter tout ce qui sort de l'ordinaire. Via un processus appelé analyse du spectre du signal, l'IA déconstruit mathématiquement le signal en composants et les compare à des vibrations sans fuites.
«Si vous examinez un signal brut ou complet, vous ne pouvez pas différencier très facilement les sons [qui coulent ou qui ne coulent pas]», explique Roya Cody, étudiante au doctorat à l’Université de Waterloo, qui a rédigé l’article Urban Water Journal . "Mais si vous regardez les sous-composants, la fuite et les cas ambiants sont très différents."
Pour former cette IA, c'est-à-dire pour lui donner une base de comparaison des scénarios fuyants et non fuyants, les chercheurs ont construit dans leur laboratoire un réseau de tuyaux en PVC de 6 pouces de diamètre, ainsi que des jonctions en T, une bouche d'incendie. et des fuites simulées situées à différentes distances de l'hydrophone. Ils l'ont raccordé directement au système d'eau de la municipalité de Waterloo, qui pèse 50 livres par pouce carré.
Le résultat est un système qui peut être implémenté de manière permanente, pour s'exécuter en arrière-plan et proposer des alertes en cas de compromission d'un tuyau. les hydrophones des bouches restent là et fonctionnent en permanence, plutôt que de devoir être placés et exploités pour rechercher des fuites.
Comparant son robot à l'IA de Waterloo, Wu souligne d'importants cas d'utilisation des technologies. Dans un système urbain, la densité des tuyaux et le réseau complexe se prêtent bien aux appareils d’écoute, en particulier grâce à l’intelligence informatique, qui peut aider à analyser les données au lieu de s’appuyer uniquement sur des techniciens qualifiés. Mais déménager dans les banlieues ou les zones rurales et les longs tronçons de canalisations - parfois quelques maisons seulement sur des kilomètres de canalisations - nécessiteraient trop d'hydrophones pour être pratiques. Son robot brille ici; déposez-le simplement dans une bouche d'incendie et ramassez-le à nouveau, à des kilomètres.
Le prix James Dyson a désigné le phare comme lauréat national des États-Unis en 2018. (Dyson Awards) Les inventeurs participent maintenant à des essais et à des partenariats pour proposer leurs produits et les préparer au marché. La société Mutti est un partenaire industriel de l'Université de Waterloo et a aidé ce laboratoire à obtenir une subvention stratégique du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada pour développer davantage la technologie et la tester à Guelph, en Ontario. Watchtower Robotics, quant à elle, a récemment terminé son premier projet pilote à Corydon, dans l'Indiana, et en prévoit deux autres à Boston et à San Antonio. Le succès de l'une ou l'autre entreprise signifiera moins de pauses catastrophiques et moins de personnes qui creuseront des tuyaux.
«À la fin de la journée, chacune de ces pauses nécessite de vraies personnes, souvent dans des conditions très désagréables, pour sortir, fouiller, faire une réparation, généralement dans des délais très brefs», explique Mutti. «Plus nous pouvons faire pour rendre cela plus facile et leur fournir de meilleurs outils, est un grand avantage pour non seulement les personnes qui paient une facture d’eau, mais pour la société en général.»
