数据赋能的数字化技术，打造智能供水系统

本文作者：Bentley软件公司水务行业营销总监Sandra DiMatteo

 

巨型水坝、人工水库、人造运河、卫生工厂、数百万英里的管道，以及水务基础设施都推动了对可持续、具有恢复力的水务管理策略的需求。然而，我们对全球水资源的获取正面临威胁。

 

在全球发展中地区，大量人口仍然无法获得清洁的饮用水。许多城市仍然在设法解决雨水径流和污水处理问题；水务行业在污水处理和储存方面几乎已无计可施；农民则一直在努力寻找稳定的灌溉水源。而极端天气和气候变化带来的永无止境的干旱和洪水，更是让所有人措手不及。与此同时，为此类重大活动提供支持的基础设施正在老化，急需进行升级，却因缺少预算、专业知识和公众支持而无法实施。

 

最终，人们只能尽力而为：找到解决方案并适应。新的数化字技术的发展，为公用事业公司、政府、非政府组织 (NGO) 和其他利益相关方提供了必要的基础设施智能，可帮助其制定具有恢复力的可持续水务管理策略。在了解和克服这些挑战方面，数据发挥了关键作用。借助人工智能 (AI)、机器学习 (ML)、物联网 (IoT) 设备和其他先进的自动化技术，海量信息就能转化为可付诸操作的数据分析结果。一旦拥有了触手可及的数据，相关人员即可实时做出明智的水务管理决策，确保人类能够继续高效、可持续地利用水资源。

 

水资源可持续性和恢复力面临挑战

重视数据本身也面临挑战。“获取更多数据”的管理压力，往往会导致信息来源五花八门，令决策者无所适从，难以甄别并从中找出真正相关且可以操作的信息。曾经渴求数据的公用事业公司如今淹没在数据中，他们疲于应对过量的信息，无法从信息中获取洞察。

 

另一方面，水务基础设施系统变得日益复杂，人们无法快速了解目前所发生的事情，不能认识到所提议的措施可能会对相关情况产生怎样的影响。而做出决策后，决策的结果不具有可见性，让决策者误以为问题已经解决，灾难已经避免，一切都在按照计划进行。

 

而且，让人遗憾的是，水资源作为一种极其宝贵的资源，已经深深融入我们的生活和经济中，与公共安全问题紧密相关，无法仅凭猜测和直觉行动。数据虽然已经收集到，但没有以一种能够带来更好结果的方式加以利用、操作和分析。

 

水务基础设施的数字化转型

幸运的是，新兴技术可以帮助公用事业公司、政府和其他利益相关方实现更好的数据管理和分析。这些应用程序是开放式的，可以跨不同的系统实现数据互用。它们打破了数据孤岛，将关键信息整合到同一个存储库中进行整理、解析，并以适当的方式导入分析引擎中。由此，数据传入物联网传感器和边缘设备，并传输到数字孪生模型。然后，人工智能引擎提供可付诸操作的数据分析结果，用于改善人类的决策。这些系统通过协同工作，确保社区的水务基础设施在全生命周期中以最优的方式可靠地运行，并继续推动现代社会的发展。

 

如此以来，工程师就能投入更多时间来加速基础设施的智能化，并通过提高水源（包括可重复用水）的可持续性，综合利用自然和工程系统实现有效的地表和地下水管理等方式达成这一目标。他们减少了管道泄漏和爆裂造成的水资源流失，消除了污水泄漏及因此对自然水体造成的污染。最重要的是，他们让我们的水务基础设施变得更安全、更可靠、更高效，面临极端气候事件时也更有恢复力。

 

是时候祝贺我们的社区水务行业先驱了，让我们看看他们如何利用数字化转型的力量，推动实施具有恢复力、可持续的水资源管理战略。

 

为新兴经济体提供清洁饮用水

获取新鲜的饮用水是人类健康和福祉的基本需求，但在世界许多地方，特别是发展中地区，水资源短缺仍然是一个问题。

 

印度最近超越中国成为世界上人口最多的国家，并且正跻身全球最大经济体之列。然而，该国大部分地区的安全饮用水仍然依赖于老化的重力供水分配管网。阿塔尔复兴和城市转型计划 (AMRUT 2.0) 是印度联邦政府推出的一项计划，致力于到 2026 年，实现向全国所有法定城镇的所有家庭提供自来水供应及污水和粪污管理服务的目标。该计划包括新建管道以及更换老化的管道。AMRUT 2.0 计划有助于打造安全、可循环的水经济（城市水平衡计划 (CWBP)），推动已处理污水的回收再利用、水体的恢复和水资源保护。

 

阿约提亚市的现有水网因渗漏而流失了一半的供水，因而需要进行重大升级，以加压供水方案取代原有的重力供水分配管网。但问题在于对哪些地方进行升级，升级的范围有多大。对现有基础设施进行测绘是个大工程。

 

阿约提亚当局与孟买 GIS 咨询公司Geoinfo合作，将 SCADA、GIS、水力建模、客户信息和历史故障数据整合到互连数据环境中。利用这一环境，Geoinfo生成了城市水务基础设施的水力模型和数字孪生。然后，工程师使用变频驱动泵来测试不同的节点压力，并就变化对现实环境的影响进行建模。利用大数据驱动的数字孪生技术，阿约提亚当局将设计时间缩短了 75%，同时优化管径，节省了 250 万美元的施工成本。

 

 

此外，通过测试软件的变化和监控数字孪生来优化管网，每年将为该市节省 150 万美元的运营费用和 46,000 美元能源成本，同时减少 347 吨碳排放。最重要的是，新的加压管网取代现有间歇性供水后，每年将为数百万居民、工人和游客不间断提供洁净的自来水。

  

 

确保公平用水

在世界上许多地方，偏远地区的人们每天要步行几个小时到干净的水源取饮用水。这项耗时的任务阻碍了当地居民（尤其是妇女和儿童）从事其他重要的活动，如工作、上学或发展社区。

 

Sitio Sapang Munti 是一个由 120 户家庭组成的土著社区，依靠菲律宾的Ipo流域满足其用水需求。社区居民每天要跋涉数英里，前往Ipo大坝的几条支流取水。Ipo大坝是一项公共工程，致力于为马尼拉周边大都市区的大部分地区提供电力和饮用水。不幸的是，Sitio Sapang Munti 居民收集水的时候，水中的污染物还没有经过处理，这极大地威胁了他们的健康、生产效率和周边环境。

 

马尼拉水资源基金会开始与该土著社区合作，建立供水系统来改善取水渠道，确保公平用水。该系统将从附近的瀑布抽水，将其转移到水处理设施，再安全供应给设在定居点附近的多个公共取水点。利用水力建模和分析软件，团队在考虑到复杂的地形、偏远地理位置和当地居民需求的基础上，以最优方式设计和布置了供水系统。如今，该供水系统每天为 Sitio Sapang Munti 居民提供 30 多立方米的清洁用水。

 

此外，马尼拉水资源基金会还与当地社区合作，培训他们运营和管理这一水处理设施。团队为这些公共服务设施匮乏的人群提供了技能培训和就业的机会，同时确保他们对新的基础设施项目的所有权。

 

 

将污水转化为可重复使用的资源

任何现代水务管理策略都不能忽视水资源循环利用对可持续性的影响。萨克拉门托和北加州的美国河流被过度使用已是众所周知的事情。这两条河流为这个拥有 250 万人口的新兴大都市提供饮用水和卫生设施，并灌溉着全球生产力最高的农业区之一——中央山谷。寻找充足的水源来供应当地经济的两端并不容易，尤其是在气候变化给周边水库和其他水务基础设施造成压力的情况下。

 

EchoWater 项目寻求通过处理萨克拉门托市的污水，将其转化为可重复利用的水资源后供应给中央山谷的农业部门，来优化水资源的使用。项目最初预计总投资 21 亿美元，是该市历史上最大的公共工程，由分布在周边的 22 个独立施工项目组成。一些专家预测，项目高昂的施工成本将使当地居民的费用增加两倍。而项目负责人明白，必须降低成本，才能获得当地居民至关重要的支持。

 

EchoWater决定利用数据和数字应用程序来管理成本，最终为整个项目构建了广泛的实时数字孪生，涵盖超过 10 万项施工活动，其中许多是同时发生的。该工作流使项目负责人能够同步设计和施工，并优化数千个利益相关方的工作流。数字孪生帮助预测和减少了潜在的障碍和停工，并及时提供了有关成本和进度绩效的信息。

 

在这种互连数字化视觉环境下，Echowater以低于预算 4 亿美元的成本完成了项目，最终为纳税人节省了 5 亿多美元。更重要的是，项目每天处理 1.35 亿加仑污水并引至中央山谷，用于灌溉世界上最肥沃的农业区之一。

 

 

推动数据驱动的决策

水资源是一种可以重复使用但有限的资源。它是人类的基本需求，也是经济发展的动力。有些人可能认为水资源供应是理所当然的事，但获得清洁饮用水是人类文明的基础。为了保护这一重要资源，我们需要制定有恢复力的可持续水务管理策略。数据驱动的基础设施智能化是了解并解决当今水资源挑战的关键。在可付诸操作的数据分析结果的助力下，全球各地的水务商业先驱正在做出数据驱动的决策，以确保我们现在和未来都能利用这一宝贵的资源。