英國皇家工程院院士、KWR水研究所全球數(shù)據(jù)科學(xué)顧問、埃克塞特大學(xué)教授
德拉根·薩維奇（Dragan Savic）
以下為本期演講內(nèi)容分享：
一、KWR水研究所
KWR水研究所是一家由荷蘭水務(wù)公司和弗蘭德公司聯(lián)合創(chuàng)立的研究機(jī)構(gòu)。我們擁有一支由200多名員工組成的團(tuán)隊(duì)，其中包括160名在水務(wù)領(lǐng)域各個分支工作的研究人員。其研究范圍廣泛，涵蓋了水務(wù)工程、水質(zhì)、地下水、微生物化學(xué)處理、廢水處理等多個關(guān)鍵領(lǐng)域。KWR水研究所的座右銘是“連接科學(xué)與實(shí)踐”，這反映了其致力于將理論研究與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的使命。
二、案例分析：以荷蘭城市為例
荷蘭是一個地勢低平、水系豐富的國家，以其運(yùn)河、風(fēng)車和沿海防御工事聞名于世。事實(shí)上，超過55%的國土面積面臨著洪水的威脅，這些地區(qū)的海拔僅略高于海平面。追溯到1300年，荷蘭的國土面積遠(yuǎn)小于現(xiàn)在，當(dāng)時有26%的地區(qū)低于海平面。如今，荷蘭的國土面積中有17%是通過圍墾海洋或湖泊獲得的。在1300年的地圖中，藍(lán)色區(qū)域較多；現(xiàn)在的地圖，許多原本的藍(lán)色區(qū)域已經(jīng)變成了陸地。
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在水資源管理與農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的挑戰(zhàn)
荷蘭是全球農(nóng)業(yè)出口大國，年出口額達(dá)650億歐元，占?xì)W洲蔬菜出口的25%。盡管面積不大，荷蘭在歐洲農(nóng)產(chǎn)品出口中扮演關(guān)鍵角色，農(nóng)業(yè)對國家至關(guān)重要。因此，灌溉技術(shù)對荷蘭至關(guān)重要，支撐著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。
2018至2019年，歐洲極端干旱導(dǎo)致灌溉用水需求激增，暴露了灌溉用水與日常用水的緊張關(guān)系，以及城市與農(nóng)業(yè)用水的潛在沖突。在一些情況下，水務(wù)公司可能不得不向農(nóng)民支付補(bǔ)償，因?yàn)樗麄儫o法繼續(xù)供應(yīng)灌溉用水，而必須首先保障城市用水需求，這是根據(jù)飲用水生產(chǎn)的總量進(jìn)行分配的。
荷蘭每年飲用水消耗量約為12億立方米，其中約三分之一源自地表水，其余則依賴地下水。該國的飲用水供應(yīng)由十家公共水務(wù)公司負(fù)責(zé)管理。居民平均每日用水量約為125升，每立方米水的成本大約是1.5歐元（稅前）。這些數(shù)據(jù)綜合反映了荷蘭飲用水行業(yè)的基本情況。
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高效維護(hù)與無氯處理的典范
盡管荷蘭國土面積相對較小，但其供水管網(wǎng)的總長度竟達(dá)到了驚人的12萬公里。為了保持這一關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的良好狀態(tài)，荷蘭每年對管網(wǎng)進(jìn)行約0.5%的更新，這體現(xiàn)了對供水管網(wǎng)持續(xù)投資和維護(hù)的高度重視。值得一提的是，荷蘭的非收益水損失率僅為6%，這一極低的比率直接證明了其管網(wǎng)維護(hù)的精細(xì)以及設(shè)計(jì)的卓越性。
荷蘭供水系統(tǒng)采用無氯處理，得益于KWR水研究所的技術(shù)與精細(xì)維護(hù)，確保了水質(zhì)。無需添加氯的過濾過程對保持水質(zhì)至關(guān)重要。
荷蘭水務(wù)公司通過合作投資研究，共享成果，如“Watervliet”項(xiàng)目，每年獲1000萬歐元投資，專注水質(zhì)。
KWR水研究所每年執(zhí)行超100個項(xiàng)目，旨在提升水質(zhì)和推動創(chuàng)新。其“連接科學(xué)與實(shí)踐”的座右銘強(qiáng)調(diào)了將科研應(yīng)用于實(shí)際，如無氯供水系統(tǒng)。微生物學(xué)研究是核心，關(guān)注水動力學(xué)、水力學(xué)、停留時間和氯濃度，以控制水質(zhì)，確保供水安全。
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水質(zhì)管理與創(chuàng)新設(shè)計(jì)的融合
我們的研究成果革新了荷蘭供水管網(wǎng)設(shè)計(jì)，由傳統(tǒng)小型循環(huán)轉(zhuǎn)向高效的分層結(jié)構(gòu)，提升了水質(zhì)和系統(tǒng)可靠性，降低了運(yùn)營成本。目前，8000公里的管網(wǎng)已采用此設(shè)計(jì)，采用單向流動模式，管道直徑遞減以適應(yīng)不同需求，并通過高速水流實(shí)現(xiàn)自清潔。使用耐用的PVC管道，確保長期穩(wěn)定性和水質(zhì)安全。
面對氣候變化和城市化挑戰(zhàn)，KWR水研究所致力于供水系統(tǒng)的可持續(xù)性，減少污染，提高公共健康。同時，關(guān)注城市與農(nóng)業(yè)用水的競爭，努力實(shí)現(xiàn)水資源的合理分配和可持續(xù)管理，支持社會發(fā)展和人民福祉。
三、迎接數(shù)字化轉(zhuǎn)型的機(jī)遇與挑戰(zhàn)
數(shù)字化轉(zhuǎn)型是當(dāng)前水務(wù)行業(yè)面臨的一個重要挑戰(zhàn)。隨著世界不斷變化，我們必須在水務(wù)體系和勞動市場中制定新的戰(zhàn)略、培養(yǎng)新的領(lǐng)導(dǎo)力、塑造新的文化，以適應(yīng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的趨勢。這要求我們不僅要更新技術(shù)，還要改變思維方式和工作方法。
人工智能技術(shù)如chatGPT為我們提供了新工具，幫助深入理解和管理水務(wù)系統(tǒng)，提升效率。數(shù)據(jù)管理已從收集轉(zhuǎn)向深度整合與應(yīng)用，遵循FAIR原則，打破數(shù)據(jù)孤島，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，最大化數(shù)據(jù)價值。
此外，我們還關(guān)要注數(shù)字孿生、嚴(yán)肅游戲和機(jī)器人技術(shù)，利用傳感器和智能設(shè)備收集的數(shù)據(jù)，以理解和管理水務(wù)系統(tǒng)。數(shù)字化轉(zhuǎn)型要求理解新興技術(shù)，提高服務(wù)效率和質(zhì)量，確保水務(wù)系統(tǒng)能滿足當(dāng)前和未來的需求。
四、數(shù)字化轉(zhuǎn)型正在深刻塑造現(xiàn)代生活的方方面面
過去，人們依賴出租車和公交車出行，而網(wǎng)約車服務(wù)如Uber的出現(xiàn)讓我們能夠直接通過手機(jī)叫車，減少了對傳統(tǒng)交通方式的依賴。銀行業(yè)也經(jīng)歷了變革，移動支付的普及使得人們可以不帶信用卡或借記卡完成交易。在線購物成為常態(tài)，無人機(jī)配送正在成為現(xiàn)實(shí)。旅游行業(yè)也發(fā)生了變化，人們可以直接在線預(yù)訂和支付，不再需要旅行社。微信等多功能應(yīng)用融入日常生活，提供支付和通信服務(wù)。Netflix等在線流媒體服務(wù)改變了人們的娛樂習(xí)慣，讓我們可以自由選擇觀看內(nèi)容。
這些變化顯示了生活方式和行業(yè)的深刻轉(zhuǎn)型。水務(wù)管理和配水系統(tǒng)也需要適應(yīng)這一新背景，這就是水文信息學(xué)的重要性所在，它利用信息技術(shù)優(yōu)化水資源管理，確保水務(wù)系統(tǒng)能夠滿足現(xiàn)代社會的需求。
五、水文信息學(xué)推動水資源管理邁向數(shù)字化轉(zhuǎn)型新時代
水文信息學(xué)通過信息學(xué)技術(shù)解決水文問題，KWR水研究所利用數(shù)字技術(shù)推動水資源的可持續(xù)發(fā)展，幫助水務(wù)部門應(yīng)對未來不確定性。通過數(shù)據(jù)收集、分析、處理、建模和可視化支持決策，制定了涵蓋組織變革、模型開發(fā)、數(shù)據(jù)管理、架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)安全的數(shù)字轉(zhuǎn)型路線圖。
這個路線圖要求全局規(guī)劃，包括模型開發(fā)、數(shù)據(jù)管理、架構(gòu)、安全和組織轉(zhuǎn)型。我們需要合適的團(tuán)隊(duì)執(zhí)行這些任務(wù)，確定數(shù)字化轉(zhuǎn)型的起點(diǎn)和領(lǐng)導(dǎo)人物，定義問題。
水文信息學(xué)工程師在水務(wù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型中至關(guān)重要，他們開發(fā)算法和分析，與軟件開發(fā)人員合作，提出定制的算法解決方案，優(yōu)化水務(wù)系統(tǒng)。
水文信息學(xué)的進(jìn)步通過集成遙感數(shù)據(jù)、GIS和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，開發(fā)復(fù)雜的水資源評估和水文建模工具。網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和大數(shù)據(jù)分析促進(jìn)了水文數(shù)據(jù)的處理和可視化，改善了決策和資源管理。
在KWR水研究所，專注于水質(zhì)問題，通過培訓(xùn)和反饋確保水務(wù)系統(tǒng)適應(yīng)當(dāng)前需求，靈活應(yīng)對未來挑戰(zhàn)。
六、AI技術(shù)在水務(wù)公司的泄漏檢測應(yīng)用
通過研究如何利用人工智能（AI）推動水務(wù)行業(yè)的轉(zhuǎn)型，特別是在水管泄漏檢測方面。與埃塞特大學(xué)的合作項(xiàng)目旨在通過AI技術(shù)快速識別水系統(tǒng)中的泄漏，實(shí)現(xiàn)零故障目標(biāo)，即在用戶察覺前解決問題，保持低誤報率，避免頻繁錯誤警報影響信任。
我們在水務(wù)公司部署了智能電表、流量計(jì)和壓力監(jiān)測器，收集關(guān)鍵數(shù)據(jù)以識別潛在問題。面對8000個水表的監(jiān)控挑戰(zhàn)，開發(fā)了機(jī)器學(xué)習(xí)模型預(yù)測信號值，并基于預(yù)測與實(shí)際值的差異觸發(fā)警報，有效識別真正的問題點(diǎn)。
七、智能系統(tǒng)在城市供水網(wǎng)絡(luò)的精確定位與效能優(yōu)化中的應(yīng)用
在KWR水研究所，我們開發(fā)了“Class to”系統(tǒng)，集成多種滲漏檢測技術(shù)，以識別和分析滲漏信號，并通過紅線提示信號變化。同時，還建立了網(wǎng)絡(luò)模型和本地化管理系統(tǒng)，優(yōu)化現(xiàn)場管理，減少工程師巡查區(qū)域，利用數(shù)據(jù)分析幫助工程師精確定位滲漏點(diǎn)，縮小檢查范圍。
例如，通過監(jiān)測流入壓力下降和流量突增，使用遺傳算法確定滲漏位置，以藍(lán)色星號標(biāo)識，將定位精度提高到800米內(nèi)，提升檢測效率，減輕工程師工作量。
同時，還設(shè)計(jì)了系統(tǒng)優(yōu)化海牙市供水系統(tǒng)分區(qū)，減少分區(qū)邊界閥數(shù)量，創(chuàng)建易于管理的區(qū)域，最小化成本和滲漏風(fēng)險。通過帕累托最優(yōu)解，我們?yōu)楹Ｑ朗刑岢隽藘H需16個閥門的分區(qū)方案，有效劃分了區(qū)域。
這些創(chuàng)新方法不僅提高了水務(wù)管理效率，也為城市洪水管理提供了新方案。
八、運(yùn)用人工智能技術(shù)優(yōu)化水資源管理
使用高精度技術(shù)測量城市降水量，以揭示不同區(qū)域的降雨差異。利用閉路電視系統(tǒng)捕捉降水圖像，并結(jié)合AI技術(shù)如模式識別和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，我們能準(zhǔn)確分析各區(qū)域的降水強(qiáng)度，快速得出與實(shí)際觀測值相近的預(yù)測。
在水質(zhì)檢測方面，我們特別關(guān)注微塑料污染，采用AI技術(shù)進(jìn)行檢測和分類。微塑料是海洋污染的主要來源，通過激光直射紅外光譜技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)模型來識別微塑料，實(shí)現(xiàn)了99.5%的高準(zhǔn)確率。這種方法自動化、快速、準(zhǔn)確，比人工檢測更穩(wěn)定，確保了檢測結(jié)果的一致性和準(zhǔn)確性。
九、運(yùn)用大語言模型提升水務(wù)公司客戶投訴處理的效率與精準(zhǔn)度
此外，我們開發(fā)了一款基于自然語言處理（NLP）的人工智能應(yīng)用，旨在幫助水務(wù)公司高效處理客戶投訴。這款應(yīng)用能夠分析投訴中的關(guān)鍵詞，識別問題，并提供解決方案和回復(fù)建議。它還能評估客戶情緒和滿意度，實(shí)現(xiàn)客戶互動的自動化，提高處理效率和服務(wù)質(zhì)量的一致性。通過這項(xiàng)技術(shù)，能減輕水務(wù)公司的工作負(fù)擔(dān)，并提升了客戶滿意度，推動了水務(wù)客戶服務(wù)向智能化和高效化發(fā)展。
十、 實(shí)時模型預(yù)測與沖洗流程優(yōu)化
在水處理行業(yè)，通過人工智能技術(shù)提高操作效率，特別是在開發(fā)早期預(yù)警系統(tǒng)方面，該系統(tǒng)能夠監(jiān)測并預(yù)測膜污染，優(yōu)化膜處理技術(shù)的操作條件，如清潔頻率和方法。
我們部署了基于數(shù)據(jù)的模型，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析水質(zhì)參數(shù)（如濁度、滲透流量和溫度），以確定最佳的清潔時機(jī)。模型在實(shí)際環(huán)境中經(jīng)過訓(xùn)練和測試，準(zhǔn)確度達(dá)到70%，圖表中藍(lán)色線條顯示實(shí)際數(shù)據(jù)，紅色線條顯示預(yù)測數(shù)據(jù)，反映了模型隨時間的準(zhǔn)確性提升。
人工智能使我們能夠更精確地控制水處理過程，提高效率，減少資源浪費(fèi)，并確保水質(zhì)滿足高標(biāo)準(zhǔn)。
十一、 優(yōu)化模型以精準(zhǔn)預(yù)測氮化物排放
在廢水處理研究中，專注于亞硝酸鹽排放，因?yàn)樗鼈冝D(zhuǎn)化為的一氧化二氮是一種比二氧化碳更強(qiáng)的溫室氣體，且在大氣中留存時間長。我們與荷蘭阿姆斯特丹的自來水公司合作，開發(fā)動力學(xué)和生物動力學(xué)模型來模擬氮化物的影響。
我們的模型顯示了濃度隨時間的變化，藍(lán)色線代表實(shí)際數(shù)據(jù)，橙色線代表預(yù)測數(shù)據(jù)。盡管模型能捕捉趨勢，但預(yù)測準(zhǔn)確性有待提高，尤其在春季氮化物排放量激增時。紅色線表示AI模型預(yù)測，黑色線表示舊模型，AI模型雖有改進(jìn)，但在峰值預(yù)測上仍有不足。
同時，KWR水研究所還開發(fā)了AI和水文信息學(xué)工具，以增強(qiáng)對水處理過程的理解，目標(biāo)是更有效地管理水資源，減少環(huán)境影響，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。
十二、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和游戲化技術(shù)在基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)中的創(chuàng)新應(yīng)用
此外，我們正在積極探索增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和嚴(yán)肅游戲在水務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用。AR技術(shù)通過平板電腦等設(shè)備幫助工作人員現(xiàn)場識別管道、泄漏點(diǎn)和壓力差異，優(yōu)化問題診斷并作為培訓(xùn)工具，提升員工對基礎(chǔ)設(shè)施的理解。我們已發(fā)布指南和白皮書以推廣這些技術(shù)。
嚴(yán)肅游戲作為培訓(xùn)工具同樣展現(xiàn)出其價值。盡管游戲常與娛樂掛鉤，但它們在專業(yè)培訓(xùn)中的應(yīng)用同樣有效。我們通過嚴(yán)肅游戲訓(xùn)練操作人員，讓他們在無需進(jìn)行實(shí)際操作的情況下，通過模擬環(huán)境更好地理解和處理現(xiàn)場情況。這種模擬游戲能夠?qū)φ麄�水務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行建模，提供了一個安全且可控的培訓(xùn)平臺。
此外，我們通過智能水表和電表收集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)需求預(yù)測和用水量顯示，并通過儀表盤數(shù)據(jù)可視化，讓用戶在客戶端上查看和比較用水量，增強(qiáng)水資源使用意識。這些技術(shù)提高了操作效率，促進(jìn)了用戶對水資源管理的參與和意識。
十三、數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用正在革新城市管理的方式
借助遙感技術(shù)如衛(wèi)星和無人機(jī)，以及云計(jì)算工具，推動水務(wù)行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。平臺如Google Earth提供關(guān)鍵地理空間數(shù)據(jù)，而Dialing、亞馬遜云服務(wù)和微軟Azure等平臺在數(shù)據(jù)處理和展示方面提供技術(shù)支持。
數(shù)字孿生技術(shù)通過創(chuàng)建物理系統(tǒng)的數(shù)字副本，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可視化和模擬。例如，我們?yōu)槟吵鞘泄┧到y(tǒng)建立了數(shù)字孿生模型，該模型能實(shí)時整合傳感器數(shù)據(jù)，提供水系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時了解和響應(yīng)。
在荷蘭，我們實(shí)施了數(shù)字孿生項(xiàng)目，如愛因霍溫的供水分配系統(tǒng)，預(yù)測水務(wù)需求并考慮降水的時空分布，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)測。
這些技術(shù)幫助我們更有效管理水資源，提升應(yīng)對氣候變化和城市化的能力，確保水資源的可持續(xù)性。
十四、運(yùn)用手機(jī)數(shù)據(jù)預(yù)測水務(wù)需求并結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用
通過分析手機(jī)信號密度來估算區(qū)域人口，從而預(yù)測城市水資源需求。這種方法比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建模更精準(zhǔn)，能捕捉到季節(jié)性波動，如某區(qū)域流量在不同月份的變化。
數(shù)字孿生技術(shù)可以實(shí)時監(jiān)測城市蓄水量變化。我們的KTM模型是一個在線SaaS平臺，用戶可以直接使用，無需安裝軟件。它支持多種用例，包括評估管網(wǎng)關(guān)停影響、管理需求、消防用水流量、設(shè)計(jì)沖洗序列等，幫助監(jiān)控水箱運(yùn)行和水壓管理。KTM的界面設(shè)計(jì)便于多方協(xié)同工作，所有功能都可直接在平臺上操作。這些工具使我們能更精確地預(yù)測和管理水資源，確保供水系統(tǒng)的高效和可靠性。
十五、從確定性思維模式向概率性思維模式的轉(zhuǎn)變
在水務(wù)管理中，必須從確定性思維轉(zhuǎn)向概率性思維。以水箱和管道為例，雖然我們有流量和速度等基本數(shù)據(jù)，但管道直徑、位置和狀態(tài)等不確定因素增加了模型的復(fù)雜性。隨著時間的推移，管道可能因腐蝕而變細(xì)，閥門位置可能變得不明確，這些都增加了不確定性。因此，我們需要通過概率性分析來處理這些不確定性，考慮隨機(jī)性以準(zhǔn)確把握流量變化的真實(shí)區(qū)間，并基于概率風(fēng)險做出決策。
并且我們研究所在水務(wù)檢測領(lǐng)域的機(jī)器人技術(shù)取得了顯著進(jìn)展。自2016年開發(fā)出首款能自主導(dǎo)航、靈活轉(zhuǎn)彎的管道檢查機(jī)器人原型以來，不斷為其增添新功能，包括夾持、電子控制、執(zhí)行器、照明和多種傳感器。2021年，我們的機(jī)器人設(shè)計(jì)獲得了aqua整體創(chuàng)新獎。現(xiàn)在，正計(jì)劃將這些小型機(jī)器人永久部署于供水系統(tǒng)中，它們將能夠遠(yuǎn)程充電、傳輸信息，并持續(xù)移動以收集關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
十六、 結(jié)語
以上，概述了數(shù)字水務(wù)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵領(lǐng)域，并展示了從早期探索到成熟應(yīng)用的案例，證明了KWR水研究所在推動水務(wù)管理現(xiàn)代化方面所做的廣泛工作和取得的顯著成就。這些創(chuàng)新不僅極大提升了水務(wù)管理的效率，還為解決城市化進(jìn)程中的水務(wù)挑戰(zhàn)提供了新思路。隨著技術(shù)的不斷應(yīng)用，正引領(lǐng)水務(wù)行業(yè)向智能化、高效化和可持續(xù)性轉(zhuǎn)型，確保水資源得到合理利用和管理，為應(yīng)對未來挑戰(zhàn)做好準(zhǔn)備。
展望未來，KWR水研究所將繼續(xù)投資于技術(shù)研發(fā)，特別是在數(shù)據(jù)分析、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和機(jī)器人技術(shù)等領(lǐng)域，以進(jìn)一步提升水務(wù)系統(tǒng)的智能化水平。并將探索新的材料和技術(shù)，以減少漏損、提高能源效率，并優(yōu)化水處理過程。此外，還將加強(qiáng)與政府、企業(yè)和學(xué)術(shù)界的合作，共同開發(fā)和實(shí)施創(chuàng)新解決方案，以實(shí)現(xiàn)全球水資源的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。通過這些努力，致力于構(gòu)建一個更加安全、高效和環(huán)境友好的水務(wù)未來。
