英国皇家工程院院士、KWR水研究所全球数据科学顾问、埃克塞特大学教授
德拉根·萨维奇（Dragan Savic）
以下为本期演讲内容分享：
一、KWR水研究所
KWR水研究所是一家由荷兰水务公司和弗兰德公司联合创立的研究机构。我们拥有一支由200多名员工组成的团队，其中包括160名在水务领域各个分支工作的研究人员。其研究范围广泛，涵盖了水务工程、水质、地下水、微生物化学处理、废水处理等多个关键领域。KWR水研究所的座右铭是“连接科学与实践”，这反映了其致力于将理论研究与实际应用相结合的使命。
二、案例分析：以荷兰城市为例
荷兰是一个地势低平、水系丰富的国家，以其运河、风车和沿海防御工事闻名于世。事实上，超过55%的国土面积面临着洪水的威胁，这些地区的海拔仅略高于海平面。追溯到1300年，荷兰的国土面积远小于现在，当时有26%的地区低于海平面。如今，荷兰的国土面积中有17%是通过围垦海洋或湖泊获得的。在1300年的地图中，蓝色区域较多；现在的地图，许多原本的蓝色区域已经变成了陆地。
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在水资源管理与农业领域的挑战
荷兰是全球农业出口大国，年出口额达650亿欧元，占欧洲蔬菜出口的25%。尽管面积不大，荷兰在欧洲农产品出口中扮演关键角色，农业对国家至关重要。因此，灌溉技术对荷兰至关重要，支撑着农业生产和经济发展。
2018至2019年，欧洲极端干旱导致灌溉用水需求激增，暴露了灌溉用水与日常用水的紧张关系，以及城市与农业用水的潜在冲突。在一些情况下，水务公司可能不得不向农民支付补偿，因为他们无法继续供应灌溉用水，而必须首先保障城市用水需求，这是根据饮用水生产的总量进行分配的。
荷兰每年饮用水消耗量约为12亿立方米，其中约三分之一源自地表水，其余则依赖地下水。该国的饮用水供应由十家公共水务公司负责管理。居民平均每日用水量约为125升，每立方米水的成本大约是1.5欧元（税前）。这些数据综合反映了荷兰饮用水行业的基本情况。
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高效维护与无氯处理的典范
尽管荷兰国土面积相对较小，但其供水管网的总长度竟达到了惊人的12万公里。为了保持这一关键基础设施的良好状态，荷兰每年对管网进行约0.5%的更新，这体现了对供水管网持续投资和维护的高度重视。值得一提的是，荷兰的非收益水损失率仅为6%，这一极低的比率直接证明了其管网维护的精细以及设计的卓越性。
荷兰供水系统采用无氯处理，得益于KWR水研究所的技术与精细维护，确保了水质。无需添加氯的过滤过程对保持水质至关重要。
荷兰水务公司通过合作投资研究，共享成果，如“Watervliet”项目，每年获1000万欧元投资，专注水质。
KWR水研究所每年执行超100个项目，旨在提升水质和推动创新。其“连接科学与实践”的座右铭强调了将科研应用于实际，如无氯供水系统。微生物学研究是核心，关注水动力学、水力学、停留时间和氯浓度，以控制水质，确保供水安全。
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水质管理与创新设计的融合
我们的研究成果革新了荷兰供水管网设计，由传统小型循环转向高效的分层结构，提升了水质和系统可靠性，降低了运营成本。目前，8000公里的管网已采用此设计，采用单向流动模式，管道直径递减以适应不同需求，并通过高速水流实现自清洁。使用耐用的PVC管道，确保长期稳定性和水质安全。
面对气候变化和城市化挑战，KWR水研究所致力于供水系统的可持续性，减少污染，提高公共健康。同时，关注城市与农业用水的竞争，努力实现水资源的合理分配和可持续管理，支持社会发展和人民福祉。
三、迎接数字化转型的机遇与挑战
数字化转型是当前水务行业面临的一个重要挑战。随着世界不断变化，我们必须在水务体系和劳动市场中制定新的战略、培养新的领导力、塑造新的文化，以适应数字化转型的趋势。这要求我们不仅要更新技术，还要改变思维方式和工作方法。
人工智能技术如chatGPT为我们提供了新工具，帮助深入理解和管理水务系统，提升效率。数据管理已从收集转向深度整合与应用，遵循FAIR原则，打破数据孤岛，实现数据互联互通，最大化数据价值。
此外，我们还关要注数字孪生、严肃游戏和机器人技术，利用传感器和智能设备收集的数据，以理解和管理水务系统。数字化转型要求理解新兴技术，提高服务效率和质量，确保水务系统能满足当前和未来的需求。
四、数字化转型正在深刻塑造现代生活的方方面面
过去，人们依赖出租车和公交车出行，而网约车服务如Uber的出现让我们能够直接通过手机叫车，减少了对传统交通方式的依赖。银行业也经历了变革，移动支付的普及使得人们可以不带信用卡或借记卡完成交易。在线购物成为常态，无人机配送正在成为现实。旅游行业也发生了变化，人们可以直接在线预订和支付，不再需要旅行社。微信等多功能应用融入日常生活，提供支付和通信服务。Netflix等在线流媒体服务改变了人们的娱乐习惯，让我们可以自由选择观看内容。
这些变化显示了生活方式和行业的深刻转型。水务管理和配水系统也需要适应这一新背景，这就是水文信息学的重要性所在，它利用信息技术优化水资源管理，确保水务系统能够满足现代社会的需求。
五、水文信息学推动水资源管理迈向数字化转型新时代
水文信息学通过信息学技术解决水文问题，KWR水研究所利用数字技术推动水资源的可持续发展，帮助水务部门应对未来不确定性。通过数据收集、分析、处理、建模和可视化支持决策，制定了涵盖组织变革、模型开发、数据管理、架构和网络安全的数字转型路线图。
这个路线图要求全局规划，包括模型开发、数据管理、架构、安全和组织转型。我们需要合适的团队执行这些任务，确定数字化转型的起点和领导人物，定义问题。
水文信息学工程师在水务数字化转型中至关重要，他们开发算法和分析，与软件开发人员合作，提出定制的算法解决方案，优化水务系统。
水文信息学的进步通过集成遥感数据、GIS和机器学习算法，开发复杂的水资源评估和水文建模工具。网络基础设施和大数据分析促进了水文数据的处理和可视化，改善了决策和资源管理。
在KWR水研究所，专注于水质问题，通过培训和反馈确保水务系统适应当前需求，灵活应对未来挑战。
六、AI技术在水务公司的泄漏检测应用
通过研究如何利用人工智能（AI）推动水务行业的转型，特别是在水管泄漏检测方面。与埃塞特大学的合作项目旨在通过AI技术快速识别水系统中的泄漏，实现零故障目标，即在用户察觉前解决问题，保持低误报率，避免频繁错误警报影响信任。
我们在水务公司部署了智能电表、流量计和压力监测器，收集关键数据以识别潜在问题。面对8000个水表的监控挑战，开发了机器学习模型预测信号值，并基于预测与实际值的差异触发警报，有效识别真正的问题点。
七、智能系统在城市供水网络的精确定位与效能优化中的应用
在KWR水研究所，我们开发了“Class to”系统，集成多种渗漏检测技术，以识别和分析渗漏信号，并通过红线提示信号变化。同时，还建立了网络模型和本地化管理系统，优化现场管理，减少工程师巡查区域，利用数据分析帮助工程师精确定位渗漏点，缩小检查范围。
例如，通过监测流入压力下降和流量突增，使用遗传算法确定渗漏位置，以蓝色星号标识，将定位精度提高到800米内，提升检测效率，减轻工程师工作量。
同时，还设计了系统优化海牙市供水系统分区，减少分区边界阀数量，创建易于管理的区域，最小化成本和渗漏风险。通过帕累托最优解，我们为海牙市提出了仅需16个阀门的分区方案，有效划分了区域。
这些创新方法不仅提高了水务管理效率，也为城市洪水管理提供了新方案。
八、运用人工智能技术优化水资源管理
使用高精度技术测量城市降水量，以揭示不同区域的降雨差异。利用闭路电视系统捕捉降水图像，并结合AI技术如模式识别和卷积神经网络，我们能准确分析各区域的降水强度，快速得出与实际观测值相近的预测。
在水质检测方面，我们特别关注微塑料污染，采用AI技术进行检测和分类。微塑料是海洋污染的主要来源，通过激光直射红外光谱技术和机器学习模型来识别微塑料，实现了99.5%的高准确率。这种方法自动化、快速、准确，比人工检测更稳定，确保了检测结果的一致性和准确性。
九、运用大语言模型提升水务公司客户投诉处理的效率与精准度
此外，我们开发了一款基于自然语言处理（NLP）的人工智能应用，旨在帮助水务公司高效处理客户投诉。这款应用能够分析投诉中的关键词，识别问题，并提供解决方案和回复建议。它还能评估客户情绪和满意度，实现客户互动的自动化，提高处理效率和服务质量的一致性。通过这项技术，能减轻水务公司的工作负担，并提升了客户满意度，推动了水务客户服务向智能化和高效化发展。
十、 实时模型预测与冲洗流程优化
在水处理行业，通过人工智能技术提高操作效率，特别是在开发早期预警系统方面，该系统能够监测并预测膜污染，优化膜处理技术的操作条件，如清洁频率和方法。
我们部署了基于数据的模型，使用神经网络分析水质参数（如浊度、渗透流量和温度），以确定最佳的清洁时机。模型在实际环境中经过训练和测试，准确度达到70%，图表中蓝色线条显示实际数据，红色线条显示预测数据，反映了模型随时间的准确性提升。
人工智能使我们能够更精确地控制水处理过程，提高效率，减少资源浪费，并确保水质满足高标准。
十一、 优化模型以精准预测氮化物排放
在废水处理研究中，专注于亚硝酸盐排放，因为它们转化为的一氧化二氮是一种比二氧化碳更强的温室气体，且在大气中留存时间长。我们与荷兰阿姆斯特丹的自来水公司合作，开发动力学和生物动力学模型来模拟氮化物的影响。
我们的模型显示了浓度随时间的变化，蓝色线代表实际数据，橙色线代表预测数据。尽管模型能捕捉趋势，但预测准确性有待提高，尤其在春季氮化物排放量激增时。红色线表示AI模型预测，黑色线表示旧模型，AI模型虽有改进，但在峰值预测上仍有不足。
同时，KWR水研究所还开发了AI和水文信息学工具，以增强对水处理过程的理解，目标是更有效地管理水资源，减少环境影响，促进可持续发展。
十二、增强现实（AR）和游戏化技术在基础设施维护中的创新应用
此外，我们正在积极探索增强现实（AR）、虚拟现实（VR）和严肃游戏在水务领域的应用。AR技术通过平板电脑等设备帮助工作人员现场识别管道、泄漏点和压力差异，优化问题诊断并作为培训工具，提升员工对基础设施的理解。我们已发布指南和白皮书以推广这些技术。
严肃游戏作为培训工具同样展现出其价值。尽管游戏常与娱乐挂钩，但它们在专业培训中的应用同样有效。我们通过严肃游戏训练操作人员，让他们在无需进行实际操作的情况下，通过模拟环境更好地理解和处理现场情况。这种模拟游戏能够对整个水务系统进行建模，提供了一个安全且可控的培训平台。
此外，我们通过智能水表和电表收集数据，实现需求预测和用水量显示，并通过仪表盘数据可视化，让用户在客户端上查看和比较用水量，增强水资源使用意识。这些技术提高了操作效率，促进了用户对水资源管理的参与和意识。
十三、数字技术的应用正在革新城市管理的方式
借助遥感技术如卫星和无人机，以及云计算工具，推动水务行业的数字化转型。平台如Google Earth提供关键地理空间数据，而Dialing、亚马逊云服务和微软Azure等平台在数据处理和展示方面提供技术支持。
数字孪生技术通过创建物理系统的数字副本，实现系统可视化和模拟。例如，我们为某城市供水系统建立了数字孪生模型，该模型能实时整合传感器数据，提供水系统状态的实时了解和响应。
在荷兰，我们实施了数字孪生项目，如爱因霍温的供水分配系统，预测水务需求并考虑降水的时空分布，实现精准预测。
这些技术帮助我们更有效管理水资源，提升应对气候变化和城市化的能力，确保水资源的可持续性。
十四、运用手机数据预测水务需求并结合数字孪生技术的应用
通过分析手机信号密度来估算区域人口，从而预测城市水资源需求。这种方法比传统网络建模更精准，能捕捉到季节性波动，如某区域流量在不同月份的变化。
数字孪生技术可以实时监测城市蓄水量变化。我们的KTM模型是一个在线SaaS平台，用户可以直接使用，无需安装软件。它支持多种用例，包括评估管网关停影响、管理需求、消防用水流量、设计冲洗序列等，帮助监控水箱运行和水压管理。KTM的界面设计便于多方协同工作，所有功能都可直接在平台上操作。这些工具使我们能更精确地预测和管理水资源，确保供水系统的高效和可靠性。
十五、从确定性思维模式向概率性思维模式的转变
在水务管理中，必须从确定性思维转向概率性思维。以水箱和管道为例，虽然我们有流量和速度等基本数据，但管道直径、位置和状态等不确定因素增加了模型的复杂性。随着时间的推移，管道可能因腐蚀而变细，阀门位置可能变得不明确，这些都增加了不确定性。因此，我们需要通过概率性分析来处理这些不确定性，考虑随机性以准确把握流量变化的真实区间，并基于概率风险做出决策。
并且我们研究所在水务检测领域的机器人技术取得了显著进展。自2016年开发出首款能自主导航、灵活转弯的管道检查机器人原型以来，不断为其增添新功能，包括夹持、电子控制、执行器、照明和多种传感器。2021年，我们的机器人设计获得了aqua整体创新奖。现在，正计划将这些小型机器人永久部署于供水系统中，它们将能够远程充电、传输信息，并持续移动以收集关键数据。
十六、 结语
以上，概述了数字水务转型的关键领域，并展示了从早期探索到成熟应用的案例，证明了KWR水研究所在推动水务管理现代化方面所做的广泛工作和取得的显著成就。这些创新不仅极大提升了水务管理的效率，还为解决城市化进程中的水务挑战提供了新思路。随着技术的不断应用，正引领水务行业向智能化、高效化和可持续性转型，确保水资源得到合理利用和管理，为应对未来挑战做好准备。
展望未来，KWR水研究所将继续投资于技术研发，特别是在数据分析、人工智能、物联网和机器人技术等领域，以进一步提升水务系统的智能化水平。并将探索新的材料和技术，以减少漏损、提高能源效率，并优化水处理过程。此外，还将加强与政府、企业和学术界的合作，共同开发和实施创新解决方案，以实现全球水资源的可持续发展目标。通过这些努力，致力于构建一个更加安全、高效和环境友好的水务未来。
