Kan artificiell intelligens rädda L.A.s vattenförsörjning från en stor jordbävning?

USC-forskare har inlett ett innovativt projekt för att bevisa att det kan. Med hjälp av federala medel, experter vid USC Center for Artificial Intelligence in Society (CAIS) arbetar med Los Angeles stadstjänstemän för att hitta lösningar för sårbara VVS. Målet är att göra kirurgiska förbättringar av strategiska rörledningar för att hålla vattnet flytande efter skakningsstopp.

"L.A."s vattenledningar är mycket känsliga för jordbävningar, sa Bistra Dilkina, biträdande professor i datavetenskap vid USC Viterbi School of Engineering och biträdande direktör för CAIS. "Infrastrukturen åldras, och när skakningen börjar, rören går sönder och skador sprider sig i hela systemet. Det är ett problem vi försöker lösa."

Projektet är en del av en större nationell forskningssatsning som använder AI för samhällsnytta som involverar forskare vid USC. Det är ett svar på de senaste konstgjorda och naturkatastrofer, som orkanen Katrina 2005, oljeutsläppet Deepwater Horizon 2010 och jordbävningen i Haiti 2010.

Snabba framsteg inom datavetenskapliga områden som AI och maskininlärning används allt mer för praktisk problemlösning i den privata sektorn. Alltmer, statliga myndigheter ser dessa tekniker som ett sätt att skydda liv och minska kostnaderna.

Gå in i staden L.A. och dess avdelning för vatten och kraft (DWP). Som en del av stadens Resilience by Design-program, de planerar att spendera 2,85 miljarder dollar under de kommande 10 åren för att uppgradera och ersätta kritisk infrastruktur, varav ungefär hälften går till att ersätta prioriterade vattenledningar.

Förbereder L.A.s vattenförsörjning för katastrofer

Arbetet sammanfaller med ansträngningar att anpassa stadens vattenförsörjning för torka och klimatförändringsrisker samtidigt som lokala vattenkällor förbättras. L.A. importerar cirka 85 % av sitt vatten via akvedukter som är sårbara för skalv över södra Kalifornien. Projektet "seismiskt motståndskraftigt rörnät" med USC skulle stödja dessa ansträngningar med ett mål att minimera avbrott i vatten för kritiska funktioner.

Stadens tjänstemän är särskilt oroade över vatten tillgängligt för brandbekämpning i efterdyningarna av en stor skalv. Enligt en riskbedömning utarbetad av DWP, hundratals bränder kan utbryta i L.A.-bassängen om förkastningar under metropolen brister. Brandbekämpningskapaciteten äventyrades på grund av vattenledningsbrott efter jordbävningen i Northridge, och bränder förstörde stora delar av San Francisco i efterdyningarna av det stora skalvet 1906.

"Med denna forskning, vi hoppas få en bättre förståelse för stadens layout ur ett kritiskt infrastruktur- och strategiskt brandbekämpningsperspektiv, sade Aaron Gross, chief resilience officer för staden L.A. "Genom att kartlägga var kritisk infrastruktur finns och använda artificiell intelligens för att kartlägga andra kritiska funktioner i staden, vi kan bättre planera för var vi ska härda vår vatteninfrastruktur; mer specifikt, var man kan rikta utplaceringen av jordbävningsbeständiga rör."

DWP har cirka 7, 000 miles av vattenrör, som tjänar ungefär 4 miljoner människor över ett 465 kvadratkilometer stort område. Cirka 30 % av stadens ursprungliga vattenrör i gjutjärn är mer än 80 år gamla och närmar sig slutet på användbarheten. Cirka 14 miles av rör är planerade för utbyte nästa år, en hastighet som betonar det kritiska behovet av att bestämma hur och var man ska uppgradera.

Målet är att identifiera kritiska anläggningar för allmän säkerhet – såsom sjukhus, brandstationer, polisstationer och evakueringscenter koncentrerade till utvalda platser – där uppgraderingar av rörledningar kan göra stor skillnad i en katastrof. Dessutom, Gross sa att staden hoppas kunna tillhandahålla ett felsäkert nätverk av skalvbeständiga rör så att brandmän alltid kan vara inom en mil från en vattenkälla för att bekämpa stadsbränder.

Hur AI kan hjälpa till att förbereda sig för en jordbävning

Det är den sortens optimeringsutmaning som AI är perfekt för, sa Dilkina.

AI har förmågan att simulera många beräkningar och scenarier över lager av data och kartor för att skapa datormodeller för att söka efter de bästa alternativen som står för hela bilden, snarare än bitvisa beslut för enskilda rör. Med dessa resultat, ingenjörer kan koncentrera uppgraderingar av rörledningar strategiskt vid viktiga tillfällen och de mest sårbara sektionerna utan att behöva uppgradera varje rörstycke. AI får jobbet gjort snabbare eftersom det använder algoritmer för att sortera komplexitet.

"Vi vill ersätta åldrande, gamla rör med skalvbeständiga rör. Men var ska man investera i nya VVS? Om vi ​​identifierar var det finns risker och kritiska kunder, då kan vi bygga ett undernät som kan bestå och överleva en jordbävning, sa Dilkina.

De senaste skalven i Kalifornien tyder på att det är bra att göra rörledningar klara för skalv.

I efterdyningarna av jordbävningarna i Ridgecrest med magnituden 6,4 och 7,1 i juli, ingenjörer identifierade flera rörledningsbrott. Under skalvet i Northridge med magnituden 6,7 trasiga vattenledningar översvämmade vissa stadsgator.

Experter vid U.S. Geological Survey (USGS) och Southern California Earthquake Center (SCEC) vid USC uppskattar en en-av-fem chans på ett skalv på 7,0 magnitud eller större på södra San Andreas-förkastningen inom 30 år. Den delen av förkastningen går från Saltonhavet genom Cajon Pass till Palmdale; det har identifierats som den troliga källan till The Big One, ett stort skalv som skulle slå mot den vidsträckta L.A.-regionen. Också, oddsen för ytterligare ett skalv i Northridge-storlek i tunnelbanan L.A.-bassängen är cirka 60 % under de kommande tre decennierna, säger rapporten.

Ett hypotetiskt scenario av USGS, assisterad av SCEC, visar att ett stort skalv på södra San Andreas-förkastningen skulle orsaka omfattande skador på vattensystem och akvedukter som stöder L.A.

Det seismiskt fjädrande rörnätsprojektet för DWP finansieras av en $280, 000 anslag från Critical Infrastructure Resilience Institute, ett U.S.A. Department of Homeland Security Center vid University of Illinois i Urbana-Champaign. Dilkina, huvudutredaren, sa att forskningen kommer att ta ett år att slutföra, varefter resultaten kommer att lämnas till stadens tjänstemän och senare lämnas in för publicering i en vetenskaplig tidskrift.