Kan kunstmatige intelligentie de watervoorziening van L.A. redden van een grote aardbeving?

USC-onderzoekers zijn een innovatief project gestart om te bewijzen dat het kan. Met behulp van federale fondsen, experts van het USC Center for Artificial Intelligence in Society (CAIS) werken samen met stadsfunctionarissen van Los Angeles om oplossingen te vinden voor kwetsbaar sanitair. Het doel is om chirurgische verbeteringen aan te brengen aan strategische pijpleidingen om het water te laten stromen nadat het schudden is gestopt.

De waterleidingen van "L.A." zijn zeer gevoelig voor aardbevingen, " zei Bistra Dilkina, assistent-professor informatica aan de USC Viterbi School of Engineering en associate director van de CAIS. "De infrastructuur veroudert, en wanneer het schudden begint, leidingen breken en schade verspreidt zich door het hele systeem. Het is een probleem dat we proberen op te lossen."

Het project maakt deel uit van een grotere nationale onderzoeksinspanning waarbij AI wordt gebruikt voor maatschappelijk welzijn waarbij wetenschappers van het USC betrokken zijn. Het is een reactie op recente door de mens veroorzaakte en natuurrampen, zoals orkaan Katrina in 2005, de olieramp in de Deepwater Horizon in 2010 en de aardbeving in Haïti in 2010.

Snelle winsten op computerwetenschappelijke gebieden zoals AI en machine learning worden steeds vaker gebruikt voor praktische probleemoplossing in de particuliere sector. Meer en meer, overheidsinstanties zien deze technologieën als een manier om levens te beschermen en kosten te verlagen.

Betreed de stad L.A. en het Department of Water and Power (DWP). Als onderdeel van het programma Resilience by Design van de stad, het is van plan om de komende 10 jaar 2,85 miljard dollar uit te geven om kritieke infrastructuur te upgraden en te vervangen, ongeveer de helft daarvan gaat naar het vervangen van prioritaire waterleidingen.

De watervoorziening van LA voorbereiden op rampen

Het werk sluit aan bij inspanningen om de watervoorziening van de stad aan te passen aan de risico's van droogte en klimaatverandering en tegelijkertijd de lokale waterbronnen te verbeteren. L.A. importeert ongeveer 85% van zijn water via aquaducten die kwetsbaar zijn voor aardbevingen in Zuid-Californië. Het project "seismisch veerkrachtig leidingnetwerk" met USC zou deze inspanningen ondersteunen met als doel de onderbreking van water voor kritieke functies tot een minimum te beperken.

Stadsambtenaren maken zich vooral zorgen over het beschikbare water voor brandbestrijding in de nasleep van een grote aardbeving. Volgens een risicobeoordeling opgesteld door de DWP, honderden branden kunnen uitbarsten in het LA-bassin als fouten onder de metropool scheuren. De brandbestrijdingscapaciteiten werden aangetast door breuken in de waterleiding na de aardbeving in Northridge. en branden verwoestten een groot deel van San Francisco in de nasleep van de grote aardbeving van 1906.

“Met dit onderzoek we hopen een beter begrip te krijgen van de lay-out van de stad vanuit een kritieke infrastructuur en strategisch brandbestrijdingsperspectief, " zei Aaron Gross, Chief Resilience Officer voor de stad L.A. "Door in kaart te brengen waar kritieke infrastructuur zich bevindt en kunstmatige intelligentie te gebruiken om andere kritieke functies van de stad in kaart te brengen, we kunnen beter plannen waar we onze waterinfrastructuur moeten verharden; specifieker, waar de inzet van aardbevingsbestendige leidingen moet worden ingezet."

De DWP houdt ongeveer 7, 000 mijl waterleiding, die ongeveer 4 miljoen mensen bedienen over een gebied van 465 vierkante mijl. Ongeveer 30% van de originele gietijzeren waterleidingen van de stad zijn meer dan 80 jaar oud en naderen het einde van hun bruikbaarheid. Ongeveer 14 mijl pijp is gepland voor vervanging volgend jaar, een tarief dat de kritieke noodzaak benadrukt om te bepalen hoe en waar te upgraden.

Het doel is om kritieke openbare veiligheidsvoorzieningen te identificeren, zoals ziekenhuizen, brandweerkazernes, politiebureaus en evacuatiecentra geconcentreerd op geselecteerde locaties, waar upgrades van pijpleidingen een groot verschil kunnen maken bij een ramp. In aanvulling, Gross zei dat de stad hoopt een feilloos netwerk van aardbevingsbestendige leidingen aan te leggen, zodat brandweerlieden altijd binnen een mijl van een waterbron kunnen zijn om stadsbranden te bestrijden.

Hoe AI kan helpen bij de voorbereiding op een aardbeving

Het is het soort optimalisatie-uitdaging waarvoor AI perfect geschikt is, zei Dilkina.

AI heeft de mogelijkheid om veel berekeningen en scenario's te simuleren over lagen van gegevens en kaarten om computermodellen te maken om te zoeken naar de beste opties die het hele plaatje vertegenwoordigen, in plaats van stapsgewijze beslissingen voor individuele leidingen. Met die resultaten, ingenieurs kunnen pijplijnupgrades strategisch concentreren op belangrijke kruispunten en de meest kwetsbare secties zonder elk stuk pijp te hoeven upgraden. AI klaart de klus sneller omdat het algoritmen gebruikt om complexiteit te sorteren.

"We willen veroudering vervangen, oude leidingen met schokbestendige leidingen. Maar waar te investeren in nieuw sanitair? Als we vaststellen waar er risico's en kritieke klanten zijn, dan kunnen we een subnetwerk bouwen dat kan blijven bestaan ​​en een aardbeving kan overleven, ' zei Dilkina.

Recente aardbevingen in Californië suggereren dat het verstandig is om pijpleidingen aardbevingsklaar te maken.

In de nasleep van de Ridgecrest-aardbevingen met een kracht van 6,4 en 7,1 op de schaal van Richter in juli, ingenieurs identificeerden meerdere leidingbreuken. Tijdens de beving in Northridge met een kracht van 6,7 op de schaal van Richter, kapotte waterleidingen overstroomden enkele straten in de stad.

Experts van de U.S. Geological Survey (USGS) en het Southern California Earthquake Center (SCEC) bij USC schatten een kans van één op vijf op een beving met een kracht van 7,0 of meer op de zuidelijke San Andreas-breuk binnen 30 jaar. Dat deel van de breukboog loopt van de Salton Sea via Cajon Pass naar Palmdale; het is geïdentificeerd als de waarschijnlijke bron van The Big One, een grote aardbeving die de uitgestrekte L.A.-regio zou treffen. Ook, de kans op een nieuwe aardbeving ter grootte van Northridge in het L.A.-bassin is ongeveer 60% in de komende drie decennia, zegt het rapport.

Een hypothetisch scenario van de USGS, bijgestaan ​​door SCEC, toont aan dat een grote aardbeving op de zuidelijke San Andreas-breuk grote schade zou veroorzaken aan de watersystemen en aquaducten die L.A. ondersteunen.

Het seismisch veerkrachtige pijpnetwerkproject voor DWP wordt gefinancierd door een $ 280,- 000 subsidie ​​van het Critical Infrastructure Resilience Institute, een US Department of Homeland Security-centrum aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign. Dilkina, de hoofdonderzoeker, zei dat het onderzoek een jaar in beslag zal nemen, waarna bevindingen worden voorgelegd aan stadsambtenaren en later worden ingediend voor publicatie in een wetenschappelijk tijdschrift.