【欄目導(dao)讀(du)】水對地球上的(de)生命至關重要。然(ran)而，近年來(lai)由于世(shi)界上缺水(shui)和其(qi)他水(shui)資(zi)源問題不(bu)斷增(zeng)加，水(shui)行業工作者正在(zai)尋(xun)找更(geng)好、更(geng)有力的方法來(lai)實現水(shui)資(zi)源管(guan)理。人(ren)工智(zhi)能(neng)（AI）是由(you)機(ji)器，特別是計算機(ji)系統，模擬(ni)人(ren)類的智(zhi)能(neng)過程(cheng)。通過在水(shui)行業中應用AI，可為世界各(ge)地的人們建(jian)立新的可持(chi)續水(shui)供(gong)應和管理系統。
人工智能(neng)（artificial intelligence，AI）是研究、開發用于模擬、延伸和擴展人類智能(neng)的理論(lun)、方法、技術(shu)及應(ying)用系統的一門新的技術(shu)科學。其起源于第二次世界(jie)大戰(zhan)，英國(guo)為破解(jie)德國(guo)軍隊用來安全發(fa)送(song)信息的“恩(en)尼格瑪”密碼而(er)發(fa)明的計算機(ji)系統(tong)。1956年，美(mei)國(guo)計算機(ji)科學家(jia)約翰·麥(mai)卡錫在達特茅斯(si) (Dartmouth)會(hui)議上首(shou)次(ci)提出了(le) “人工(gong)智(zhi)能” 一詞。20世紀90年代(dai)末以來，AI發展突飛猛(meng)進。
AI是由機器，特別(bie)是計算機系統，模擬人類的智能(neng)過程。這些過程(cheng)包括學習、推理和自我糾正。作為(wei)一種智慧的問題解決方法，AI在工(gong)業、醫學、通信等很多領域被廣泛應(ying)用。目(mu)前，世界各國都在關注AI 技(ji)術，并應用推廣(guang)。對于水行業(ye)而(er)言， AI 在水行業(ye)中的應用主要體現在建設高(gao)效(xiao)的供水系統、優化現有水資源、水質分析演化預測、水利(li)設施規劃(hua)等方面。本(ben)文通過(guo)水(shui)量(liang)（供(gong)水(shui)）、水(shui)質（水(shui)質模擬）兩方面闡述AI 技術在全球水(shui)資源(yuan)管理中的應用。
1 AI 引起全球供水行業的技術(shu)新變革
以AI在(zai)世(shi)界各(ge)國(guo)特別是發達國(guo)家供(gong)水行(xing)業(ye)中典型(xing)案例為例，概述AI在(zai)供(gong)水行(xing)業(ye)中的應用。
1.1 AI 在澳洲供(gong)水行業中的典型應用
墨爾本(ben)水務(wu)部門應用(yong)AI減少水處理過程的用(yong)電量(liang)。Winneke水(shui)廠作為墨爾本飲用水(shui)的主要(yao)水(shui)廠之一。每天平均約350 000 m3的(de)水流入此廠，通過水處(chu)理工序，分配給城市周圍的(de)數百萬(wan)家庭和企業。
該水(shui)廠每天(tian)設定目標水(shui)流量，以確保墨爾本始終有適量的(de)飲用水(shui)。根(gen)據(ju)不(bu)同(tong)的(de)目標流(liu)量，需要不(bu)同(tong)的(de)泵(beng)（圖1）以不(bu)同(tong)的(de)速(su)度(du)運行(xing)。為了確(que)保這些泵在(zai)最高效率下運行，同(tong)時仍(reng)能達到(dao)所需的(de)流量，墨爾本水務公(gong)司(si)使用(yong)定制(zhi)開(kai)發的(de)人工(gong)智能（AI）程(cheng)序。
該(gai)程序通過挖掘水(shui)泵(beng)(beng)歷史(shi)運行數(shu)據，計(ji)算(suan)任何給(gei)定(ding)泵(beng)(beng)的最(zui)有(you)效的配置時間。Python平臺(tai)內部(bu)開發的AI系統(tong)利用歷史數據確定最(zui)節能(neng)的泵組合，以及相(xiang)關的運行速度，達(da)到必要的流量。
此系(xi)統能(neng)夠通過(guo)歷史數(shu)據分析出一些(xie)獨特的系(xi)列(lie)因素，如(ru)油(you)藏水平、可用(yong)泵和(he)過(guo)去的性能(neng)等。在運行模式(shi)下(xia)，此系統確定最佳泵組合設置參數，并將其直接發送到水泵系統，實時(shi)應用無需(xu)任何人為干預。
圖1 水(shui)處(chu)理廠(chang) 水(shui)泵
作為重要(yao)的考慮因(yin)素——網(wang)絡(luo)安(an)(an)全，此AI數據存儲未連接(jie)到更廣泛的墨(mo)爾本供水網(wang)絡(luo)或互聯(lian)網(wang)的計算(suan)機上，這最大限(xian)度(du)地降低了網(wang)絡(luo)安(an)(an)全風(feng)險。同時，墨爾本水務部(bu)門在其AI系(xi)統代碼中內置規則，以確(que)保AI系(xi)統只能在設定參數范圍(wei)內優化水泵操(cao)作，并確(que)保在AI系(xi)統出現故障時繼續生產。該AI系統使Winneke水廠的泵站能源成本每年減少約(yue)20％，且目前正(zheng)在(zai)其他地區水廠進行推廣調試。
澳洲其他城市的(de)水(shui)務機構也在積(ji)極推進AI技術的(de)研究和應用。如悉(xi)尼水(shui)務公司開發了“下水(shui)道偵(zhen)察(cha)兵”AI系(xi)統，以減少下水(shui)道穿越(yue)檢(jian)查所涉(she)及的(de)風險(xian)，現在(zai)此AI 系(xi)統能(neng)達到98％的(de)準確定位率，可識別下水(shui)道故(gu)障(zhang)。
與此同時，昆(kun)士(shi)蘭州的(de)Unity Water自來水公司(si)與GHD公司(si)合作開(kai)發了(le)濕(shi)天氣(qi)溢(yi)流預(yu)測模型，結合天氣(qi)雷達圖像，預(yu)測水管失效可能(neng)性(xing)的(de)模型，可預(yu)測未來15年(nian)供排水網絡中每個水管出現故障(zhang)的(de)可能(neng)性(xing)（圖2）。
圖2 水管漏水
1.2 AI 在美國(guo)供水(shui)行業(ye)中的(de)典型應(ying)用
美國使(shi)用(yong)(yong)AI，發明智能機器人用(yong)(yong)來(lai)檢查下水(shui)(shui)道系統泄漏(lou)和使(shi)用(yong)(yong)年限老化等問題。另外，針對大型或高層建筑物水(shui)(shui)管漏(lou)水(shui)(shui)不僅浪費(fei)水(shui)(shui)資源(yuan)且會造成(cheng)較大經濟損失的問題（圖2），位于美國內華達州里諾(nuo)市的亞特蘭蒂斯賭場度假(jia)村使(shi)用(yong)(yong)WINT公司開發的AI 解決方案，應用(yong)(yong)人工智能檢測并阻(zu)止泄漏(lou)源(yuan)。
當漏(lou)水(shui)時(shi)，它會發(fa)出警報(bao)，并自(zi)動關閉。智能實(shi)時(shi)監控系(xi)統可以識(shi)別漏(lou)水(shui)和浪(lang)費的來源，減少用(yong)水(shui)量，防止(zhi)損壞(huai)。圖(tu)3為此方(fang)案流程示意圖(tu)。
圖3 大型建(jian)筑(zhu)物漏水AI 解(jie)決方案流程
該度假村每月約使用2.46×104 m3的(de)水。通過(guo)實(shi)施AI 解決方案，半年(nian)來(lai)度假村(cun)已(yi)經節(jie)省36 000美元的漏水。其負責人表示(shi)，此AI系統(tong)非常準(zhun)確，可檢測到(dao)工作(zuo)人員無(wu)法找(zhao)到(dao)的隱藏泄漏。同時，此AI 自(zi)動檢(jian)測(ce)系(xi)統還可用于異地監控。圖4為人工智能(neng)水檢測設備(bei)向員工的智能(neng)手機發送實時泄漏警報。
圖4 AI水檢測設備實時(shi)泄漏警報(bao)
1.3 AI 技術(shu)在加拿大供水行業中的典型應用
水管滲(shen)漏、爆裂是每個城市(shi)供(gong)排(pai)水管道的常見問題。壓力變(bian)化、體積波(bo)動(dong)或水面冒泡都會導致管道爆裂(lie)，但小的泄漏往(wang)往(wang)多年不被發現(xian)。
加(jia)拿大市政(zheng)供(gong)水(shui)系統在供(gong)水(shui)時(shi)由于(yu)水(shui)管的滲漏(lou)爆裂每年平均損(sun)失13%的凈(jing)水(shui)。基礎設(she)施較老(lao)的國家(jia)在這(zhe)方面(mian)損失率更高。加(jia)拿(na)大滑鐵盧大學研究人員(yuan)與行業伙伴合作開發，通過(guo)使(shi)用新型水(shui)聽傳感器和AI技(ji)術(shu)，顯(xian)著(zhu)降(jiang)低了城市供水(shui)管道中嚴重(zhong)的水(shui)損失。
該傳感器利(li)用先(xian)(xian)進(jin)的(de)信號處(chu)理技術對聲學數據(ju)進(jin)行(xing)預處(chu)理，記錄水聲信號，通過將漏(lou)水信號與供水系(xi)統中(zhong)的(de)其他噪(zao)聲源區分，來識別(bie)漏(lou)水信號，可檢測到管道中(zhong)哪怕是很小的(de)泄漏(lou)，并(bing)突出與泄漏(lou)相關的(de)部件，由此確(que)定(ding)位置(zhi)，并(bing)確(que)定(ding)優先(xian)(xian)次序(xu)進(jin)行(xing)維修。及早(zao)地發現(xian)小的泄漏可以防(fang)止之(zhi)后(hou)發生(sheng)代(dai)價高昂(ang)的破壞性水管爆裂。此(ci)裝(zhuang)置(zhi)可安(an)裝(zhuang)在現有消防栓內，既方便又便宜，無需(xu)開挖或停用(yong)管道。這項(xiang)技術可以使城(cheng)市更(geng)加(jia)主(zhu)動有效地對資源(yuan)設施進行維護和維修。
另外，Adamowski等提出了基于(yu)耦(ou)合(he)離散小波變換(WA)和人工神經網絡(luo)(ANNs)方法預測城(cheng)市需水量(liang)，并以加(jia)拿(na)大蒙特(te)利爾(er)為(wei)例進(jin)行(xing)了驗證。結果(guo)表明，小波-神經(jing)網絡耦合模型是一種有(you)潛力的城(cheng)市需水量預(yu)測(ce)方(fang)法。
1.4 AI 在(zai)西班牙供(gong)水行業(ye)中的(de)典(dian)型應(ying)用
西(xi)班牙巴塞羅那(nei)正在使用大數(shu)據(ju)，通(tong)過機(ji)(ji)器學習和AI來幫助預防供水危機(ji)(ji)。負責城市供水(shui)的水(shui)務機構(gou)正在與巴(ba)塞(sai)羅那超(chao)級計算中心（BSC）合作，共同改善飲用(yong)水(shui)供應并幫助水(shui)廠(chang)更(geng)好地發(fa)揮作用(yong)。2018年，BSC利用(yong)大數據改善了(le)巴塞羅那附(fu)近水廠(chang)的(de)運作。以前，該水(shui)廠使用反(fan)滲透法去除原(yuan)水(shui)中的鹽分。
在此過(guo)程中(zhong)，泵將水推過(guo)膜以過(guo)濾(lv)鹽；當(dang)膜變(bian)臟時，需要更多(duo)的動力(li)；膜需要經(jing)常清潔，費用昂貴且(qie)會減少(shao)可處理的水(shui)量(liang)。該項(xiang)目通過查看該水(shui)廠數十個傳感(gan)器的9年數據來尋(xun)找臨界值(zhi)，預測膜的狀態，以便提前計劃清潔(jie)。這有助于確保水廠更加(jia)平穩的運行，同時降低(di)了(le)成本(ben)。BSC還與(yu)巴塞(sai)羅那水(shui)務(wu)機(ji)構(gou)合作，建立(li)了供水(shui)系統模型，研究(jiu)如何處(chu)理(li)水(shui)網中的突發事件，從而(er)使水(shui)務(wu)控制中心管理(li)人員更正(zheng)確、更輕松地做出(chu)決策。
1.5 AI 技術在英國供(gong)水(shui)行業中的典型應用
United Utilities是英國最大(da)的自來(lai)(lai)水公(gong)司，也是英國第一家將AI 技術大(da)規模引入其運營系統的自來(lai)(lai)水公(gong)司。
2018年10月，它與加拿大技術公司EMAGIN簽(qian)署(shu)了(le)一項(xiang)框架協議，將(jiang)AI推(tui)廣到英(ying)格(ge)蘭西北部(bu)的整個(ge)供水網(wang)絡。United Utilities在供水網絡(luo)中應用(yong)AI主要是通過EMAGIN的(de)人工(gong)智(zhi)能(neng)平臺HARVI實現(xian)的(de)。
此平臺結合(he)天氣、水(shui)需求、泵能、電價等，通(tong)過大量數據的評估幫助United Utilities以(yi)最(zui)具(ju)成(cheng)本效益和最(zui)有效的方式(shi)設(she)定水(shui)泵的運行參(can)數，同時監測管道爆裂，并最(zui)大限(xian)度(du)地降低(di)水(shui)變色的風險。在大曼徹斯特奧爾德姆舉行的為期12周的試驗中(zhong)，HARVI節能22％。United Utilities現在(zai)計(ji)劃(hua)到2019年底在(zai)整個西北地區(qu)分階段(duan)部署AI平(ping)臺，之后水泵運行和資(zi)源(yuan)控制將在(zai)整個供水網絡中完全(quan)自動化。
1.6 AI 技術在芬(fen)蘭供水行(xing)業中(zhong)的典(dian)型應用(yong)
Sunela等為供水系統建(jian)立了一個實時監測供水的水量和水質在線模擬框架, 并以芬蘭(lan)坦(tan)佩(pei)雷市自(zi)來水公司為例進行研(yan)究。該模(mo)型是一個全(quan)尺寸(cun)模(mo)型，包括除用戶連接外的每(mei)(mei)個管道，以及系統中的每(mei)(mei)個用水用戶，原(yuan)水提取、輸送和水處(chu)理過程(cheng)也在(zai)模(mo)型中。
模(mo)型模(mo)擬的(de)參(can)數包括水溫、pH、硬度和游離(li)氯等。使用(yong)EPANET構建(jian)校準水力模(mo)型(xing)時(shi)，允許存儲和(he)恢復鏈路中的塞(sai)流狀態(tai)。模擬(ni)器根(gen)據公用事業公司(si)的(de)監控和數據采集（SCADA）系統(tong)前(qian)一(yi)小時更新的(de)液壓(ya)和水質狀(zhuang)態數據進(jin)行模擬(ni)，每小時一(yi)次(ci)。模(mo)擬結(jie)果以(yi)GIS中的(de)GeoJSON格式(shi)存儲于(yu)關聯數據庫中，供以(yi)后使(shi)用；部分結果通過Web用戶界面以地(di)理位(wei)置上聚(ju)合的形式呈現(xian)給公(gong)眾(zhong)。
1.7 小(xiao)結
城市供水機構有(you)兩個主要任務(wu)：一(yi)是由于資源(yuan)的(de)不穩定性而(er)尋(xun)求新的(de)水源(yuan)；二是(shi)可持(chi)續地管理(li)現有的水資源儲備和(he)系統(tong)。
由以上案例可(ke)知，將AI技術應(ying)用到供水(shui)(shui)機構，不僅可(ke)以提供當(dang)前(qian)水(shui)(shui)資源的最新統(tong)計(ji)數據(ju)，還可(ke)以幫(bang)助(zhu)構建未來(lai)用水(shui)(shui)預測模(mo)型，從而智能地制定供水(shui)(shui)運行策略。AI的應用為水行(xing)業(ye)經濟的配(pei)水和節水開辟了道路。
另外，AI的(de)決策可以實現現有(you)水資(zi)源利用的(de)優化和(he)自(zi)動化。AI數(shu)據平臺使政府機(ji)構和水務部(bu)門能(neng)夠實(shi)時了解水資(zi)源(yuan)的(de)損失和誤用，從(cong)而實(shi)現(xian)財(cai)務上(shang)的(de)最(zui)大收益。
2 AI 為水質模擬注入新(xin)的活力
水(shui)質是(shi)水(shui)資源環境的一(yi)個重(zhong)要方面(mian)，水(shui)質問題也是(shi)人類一(yi)直關(guan)心的重(zhong)點。水質模擬是水質污染治理規劃(hua)決策的有效工具。
常(chang)用的(de)水質模型(xing)如MIKE、Delft-FEWS是基于物(wu)質守恒(heng)原理的(de)數學(xue)模型(xing)，但是有(you)時數學(xue)模型(xing)并不能完全弄清楚污(wu)染物(wu)在介質中的(de)轉化遷移過程(cheng)，模型(xing)較復雜時很多參數難以(yi)準(zhun)確度(du)量(liang)和(he)估值。目前，越來越多的專家學者(zhe)將AI 應用于水質(zhi)模擬。
Sengorur等(deng)使用AI對(dui)土(tu)耳其梅倫河進行(xing)水質評價，證(zheng)實了(le)AI可以(yi)有效評估(gu)河流和(he)水質評估(gu)標識(shi)中的復雜數據以(yi)及污(wu)染(ran)源(yuan) 。Barzegar等以伊(yi)朗Aji-Chay河為例，研究了小波(bo)-人工智能(neng)混合模型(xing)在水質預測中的應用。研究表明，在(zai)鹽度預測中采用高相關輸入時，基于人工神經網絡（ANN）的(de)模型總體上具有較好的(de)水質預測性能(neng)。Hameed等以馬來西亞(ya)熱帶地區為(wei)例，研究了AI在水質指數預測中的應(ying)用。結果表明，人(ren)工神經網絡能有效地預測(ce)馬來(lai)西(xi)亞Langat和Klang流域熱帶環境中的水質指數，簡化了之前水質模(mo)擬的計(ji)算。
Sharaf等(deng)利用一種新型的(de)遙感和AI框架繪(hui)制地表水(shui)(shui)水(shui)(shui)質參數的(de)濃(nong)(nong)度，其生(sheng)成的(de)濃(nong)(nong)度圖可(ke)用來研(yan)究局部水(shui)(shui)域的(de)水(shui)(shui)質變化。此項研究非常適用(yong)于(yu)水(shui)(shui)務人員根據水(shui)(shui)質(zhi)演(yan)化做(zuo)出決定并采(cai)取嚴格(ge)措施，以保證(zheng)飲用(yong)水(shui)(shui)水(shui)(shui)質(zhi)。Liu用AI分析了水庫多(duo)個閘門開啟的集成方式，并與水質(zhi)模型相結(jie)合，預測閘門開啟數(shu)量和時(shi)間對水庫水質(zhi)的影響。Salimi等[利用AI對河流供水系統(tong)進行建(jian)模(mo)。Yaseen等(deng)以馬來西(xi)亞雪蘭莪河為例(li)，將(jiang)自適應(ying)神經模糊推理系(xi)統（ANFIS）的不同混合(he)(he)智(zhi)能模型與模糊c-均值(zhi)數據聚(ju)類(lei)（FCM）、網格劃(hua)分（GP）和減法聚(ju)類(lei)（SC）模型相結合(he)(he)，建(jian)立了河流水(shui)質模型，對水(shui)質做(zuo)出(chu)了預測。
針(zhen)對多種水質參數之(zhi)間[如游離氯濃度(du)(du)、pH值、堿度(du)(du)和(he)污(wu)染(ran)物混合產生(sheng)的總有機(ji)碳（TOC）等]的相互關聯變化，法(fa)國里(li)爾(er)大(da)學Tinelli教授(shou)使用先(xian)進(jin)的模式識(shi)別器-支持向量機(ji)（SVM）和(he)創新(xin)的傳(chuan)感(gan)技術開發了AI的智能監測水質系(xi)統，并證實(shi)了其(qi)可行性。該系統能(neng)有(you)效地對水中化學品(pin)和/或生物進(jin)行實(shi)時質量控制，可確保污染檢測和搶先(xian)風險管理。
Elkiran等采用AI技術(shu)對河流(liu)水質參數(shu)進行多步(bu)預(yu)測。Gunda等開(kai)發(fa)了基(ji)于AI的手機應用(yong)平臺來監測水中(zhong)的細菌污染(ran)，其中(zhong)傳感器圖(tu)像可根據(ju)視覺外觀區分有無(wu)細菌，檢測精度為 99.99%。此外，AI也可應用于(yu)海(hai)水淡化(hua)和水處理中水質變化(hua)預測。
3 結語
AI可創建強大的(de)供(gong)水(shui)系統(tong)，使供(gong)水(shui)價格更便(bian)宜，有助于確保(bao)飲用水(shui)和廢水(shui)處理的(de)合規(gui)性；創建能夠抵(di)御極端(duan)事件(jian)影響的彈(dan)性(xing)水系統，幫助(zhu)災后迅(xun)速重組和恢復；在各(ge)種水體水質模擬(ni)和預(yu)測(ce)方面，AI解決方案(an)可(ke)以監測(ce)水質演變(bian)，分析預(yu)測(ce)水質，明確污染物遷移轉化過程，從(cong)而將重點從(cong)解決問題(ti)轉移到提前識(shi)別(bie)風(feng)險、預(yu)測(ce)風(feng)險評估和設施的(de)動(dong)態優(you)化上(shang)。
AI可不知疲(pi)倦地持續處(chu)理(li)大量數據集。同時，該系統(tong)也在不斷的學(xue)習，可通過處(chu)理每一組數據改進自身。這種適應性使AI成為應對日常變化(hua)實(shi)體(如(ru)水(shui)的水(shui)量、水(shui)質(zhi))的最佳選擇。因此，AI有望帶來未來“數字(zi)水”的(de)趨勢(shi)，這(zhe)將使世界各地水務管(guan)理人(ren)員(yuan)和政府機構建立可持續有效的(de)水系統，改變人(ren)類(lei)的(de)供水和用水方式(shi)。
供(gong)排水智能調度管理系統(tong)（DMS）
深(shen)圳市水務(wu)科技有限公司研發的供(gong)排水調度管理(li)系(xi)統(tong)(tong)以GIS服(fu)務(wu)為基(ji)礎(chu)，整合所有廠、泵站(zhan)和管網(wang)監控(kong)各類數(shu)(shu)據，將生(sheng)產監控(kong)SCADA、GIS、調度業務(wu)統(tong)(tong)一為一個(ge)有機的整體，集成(cheng)管網(wang)模型應用，綜合實現(xian)生(sheng)產數(shu)(shu)據采集、監測可(ke)視化展示(shi)、數(shu)(shu)據報(bao)警及預(yu)警、能耗分析、移(yi)動展示(shi)和智能報(bao)表功能。系統實(shi)現了調(diao)度指令管(guan)(guan)理(li)及應急(ji)調(diao)度智(zhi)能化管(guan)(guan)理(li)，提供高級分(fen)析服務，輔助決策，實(shi)現全(quan)面提升管(guan)(guan)網管(guan)(guan)理(li)和生產調(diao)度水(shui)(shui)平，確保供排水(shui)(shui)系統安全(quan)、經濟合理(li)運行的目(mu)標。
