人工智能赋能数字水务

人工智能赋能数字水务When Water Meets Al本报告由国际水协会（IWA）和百度公司（Baidu）共同编制。报告主要作者：苏春阳围际水协会全球水科技信息高级专员李涛国际水协会全球水科技信息总监姜梦兰百度智能云战略行业资深解决方案工程师申田田百度智能云战略行业资深解决方案工程师相始林百度智能云战略行业资深解决方案工程师百度智能云战路行业资深解决方案工程师吴学义百度智能云战略行业解决方案总监 序言 欧字化正改变看人类的生产和生活方式，水努行业的数字化变革也正如火如亲，作为水务行业的积极部与者和推动者，国际水协会一直致力于帮励全球水务行业推进数学化进程，鼓励水务行业采用更加智慧的方式提供更高效的水务服务和管理工作。国际水协会通过引导全球水务机构主动应对气候变化，深入挖据客户需求，积板确应监管要求，势力高缺效表现，采保证所提供服努的效率和可量性，并强调人工智能可为之提供切实可行、效果明显的实用方案。百度是拥有强大互联网基础的领先AI公司，自主创新研发了AI芯片和深度学习开源挺架，以及语音识别、知识图谱、自然语言处理等人工智能技术和产品股务，致力于接术创新与产业革命的深度融合，助力各个行业的数字化升级与智能化改造。水务与人工智能相结合会碰撞出怎样的火花？本报告书由国际水协会和百度共同操写，以人工智能赋能水务行业的国内外案例分析为重点，从水劳行业数学化转型的重要超势和使命着，深入探讨人工智能在水旁行业价值链上发挥的重要作用。百度先借其在专业领或的深厚积累，详细解读人工智能顶层规划和总体架构。国际水协会通过对不同应用场景的分析，以更加通俗易懂的语言为读者提供人工智能赋能水务行业的解决方案思路及案例研究。水务数字化变革势在必行，人工智能将为这一转型助力赋能，为守护”绿水青山“保驾护航。0 目录 [目录]丨水务发展新挑战（一）水务行业面的新排战(二)水务行业的数字化转型，「人工智能赋能水务数字化(一)如何“赋能"(二) 发展超势「基于人工智能的解决方案(一)顶层规划(二)总体架构(三)典型应用案例「建设路径及实施方法(一) 制定战路（二）实施路径五丨结语 01011.1水资源短快011.2气候变化011.3基础设施老化021.4资金短缺02042.1数字化超势to2.2发展现状to2.3广阔市场052.4政策激所062.5发展壁整08091012131313143.1水资源优化调度143.2水处理广运维163.3管网运维213.4域市两洪管理2831311.1字愿景311.2文化结构311.3资金模式321.4机会评估321.5人才吸引32322.1蓝建“信意化晟座*322.2打破信息现岛332.3保障网络安全332.4提高数据质量2.5加强分析预测2.6实现人机决策2.7建立知识体系35 水务发展新挑战 （一）水务行业面临的新挑战1.1水资源短缺回首2020年，突如其来的新冠痘情虐全球，来势涵邀的病毒大流行不仅为我们响生恋保护危机防范的警钟，也让我们充分认识到环境，尤其是水环境卫生在疾病防控中的重要意义。当今人口迅速增长，尽管获取清洁饮用水和卫生设逆的机会大大增加，但仍有数十亿人无法获得安全的饮用水，超过6亿人基本卫生设施无法得到保障随着全球城绩化进程加剧，预计到2030年，全球将有39亿人面临水资源短缺"（图1)。根据联合国发布的《世界水发展报告2020》"，在过去100年中，全球用水量增长了六倍，而这个致据仍在以每年约1%的速座持续增长。97亿68%50全球人口#市人口占比60%20%农业生产用水增加年格源生产用水增加图1水资源短法：全球人口增长和用水需求增加数据来源：联合国相关报告1.2气候变化受气候变化、突发性吸端水文事件不可预测的影响，水资源作为人类健康、粮食安全、能源生产、工业发展等多额域的根基，正遭受着来自各方面的排战。气候变化不仅会加剧水资源短缺，破坏流域规划，也会给目前水资源依然丰富的国家和地区造成风险。极满水文事件，如强降雨、持续性干晕、热浪等，则会进一步加刷水资源所面临的排战。斯坦福大学最新研究表明，在1988年至2017年的三十年间，美国因固洪灾造成的经济损失约有1990亿美元；由于强降雨事件频发造成的经济损失总计近750亿美元。中科院大气物理研究所对全球变暖趋势下中国21世纪的极潢降水变化进行了研究，结果"表明从2008年到2098年，中国极端降水长期呈增加趋势，21世纪末期中国将面临更为严峻的极降水事件。 40%2030全球水资消养字世400%制造业用水增加gL UNES00 1.3基础设施老化随着世界人口数量增长，全球用水需求不断增加，在加剧水资漆短缺风险的同时，也加则了水基础设施面临的压力。许多国家和地区，供水基础设链已无法应对不断增长的需求。美国自来水协会（AWWA）在2012年出具的报告中普照出，从2010年到2035年的25年间，美国为解决供水基础设链老化问题预计需要花费1万亿美元，这其中不包括新基增设施建设和饮用水厂的例行整修，在欧洲，部分地区供水管网使用寿命已超过100年，公用事业估计每年需要花费200亿欧元对供水管网进行升级维护。目前，中国上海老旧供水管网大约有9000公里，部分管网股务年限已超过50年；中国香港普在2000年至2015年期间替换修复了近3000公里的供水干管，才持每年爆管事件由原先的2500起降低至目前的40起。1.4资金短缺水务行业可持续发展与城市化发展进程及区域经济增长水平密切相关。资金支持力度不足将严重制约供水和卫生设施普及，影响水务行业可持续发展。保障供水基础设施有效维护的主要资金来源于城市水费缴纳，价格作为反映市场供求关系最直接、最灵数的信号，是调整平衡各方面利益关系最有效的手段。世界各地水费水平是国家经济发展和水资源管理的综合产物，其差异性体现了费率结构的不同（图2），以及各地需求和投资的对比*。水价制定一股根据成本回收、合理利润、用户参与以及属民承受能力等原则而定"，发达国家的水价构成大体分为供水水价、污水处理费以及其他费用。供水水价和污水处理费主要由两部分构成，一部分为固定费用，主要反映供水/排水成本，另一部分为变动费用，反映用户的用水量/排污量。丹麦作为平均水费水平最高的国家之一，其供水水价除了固定费用和变动费用外，还增收了饮用水增值税”。 50%的公用事业单位）能够产生足够的收入要盖其所有费用，并支持资产的运营维护。据中国城镇供排水协会2018年对全国约600家供水企业的调查统计”，超过40%的供水企业处于亏损状态。如何在投资成本有限的情况下提高基础设施的运维和管理效率，是水务公司亚待解决的重要问题。保障水安全与质量是人类发展的根本，联合国可持续发展目标SDG6"中提出：到2030年，实现全球安全可负担饮用水，污水处理和个人卫生股务的提供。但面对上述挑战，构建行之有效的实距路径和解决方案侬旧困难重重。数字技术，特别是信息技术和人工智能的飞速发展，为实现联合国可持续发展目标，保障水量与水质、识别风险、优化基础设施管理、保护流域生态安全等方面，提供了新的思路与方法"。[2020，人工智性在2世纪寸与群量等或包用的可量及对其，中图科学管幕升，35份人工智世地型水务教字化空革 （二）水务行业的数字化转型2.1数字化趋势水务部门在当下和未来都面临着巨大排战，而致字化已成为直面解决这些挑战的有效手段，纵然我们无法精准预测未来，但可以根据过去发生的事件和当前状态，推断可能面临的风险和滑在压力，预测未来发感趋势，设想解决方案。对于水务行业，我们可以基于数据驱动决策，分析据导运营。数字化已被视为高效处理日益复杂的供，排水问题并从现有处理基础设施中获得最大价值的关建工具。尽管水务数字化转型可能会智时落后于某些行业，但仍能通过物联化、互联化和智能化带来巨大效益和机遇。水务行业已采用物联网和传感器系统，可基于多源数据创建多层次水系统整体视图”。水务互联化宽味着高效的信息共享与各部门间的有效协作，而智能化则是利用信息挖短和分析预测技术对收集到的数据进行识别和学习，探索趋势和热点，进行决策辅助。水务行业数字化进程随着基础设施复杂性的增加而变得更加国难。水务机构需要集成和管理水务相关信息，使员工从有效信息流和解决方案中获得量大价值，推动机构的数字化转型。不仅公共部门可通过提高对供水、用水量和水质的认知，更好地为公共政策和投资提供依据，私营部门也可以在其产品设计、运营和供应链（例如节水器具、洗衣机等）中更加有效地利用水资源。2.2发展现状数字化思维正在以前所末有的方式改变水行业及其与客户和供应链的交互方式，放限全球，多样化的水务数字化概不断进入大众规墅，包括数字水务、智慧水务或者水务4.0*"。虽叫法不一，但其核心一致，可广义地定义为以自动化和数字化为核心的整体解决方案。方案依托先进的数字技术和平台，帮助水旁行业管理者在整个水价值链上进行更有效地统筹，适时做出最佳决策，从而实现更加安全、高效和具有初性的水来来。发达国家水务行业数字化转型起步较早，经过长期的探索历程，目前发展相对系统全面。在受益于健全的软硬性基础建设及丰富管理经验的同时，也更加注重机构自身数据的采集、挖妊、分析和应用。海外水务机构，如新如坡公共事业层（PUB）及英国联合水务（UnitedUtilities），通过布设大量传感器采集生产运营中的数据，并整合建立相应数据库。同时，发达国求的水旁机构非常重规与高极的联合研究，例如欧盟资助的VVIDGET项Ⅱ"，通过联合水务公司、高校和软件公司，基于新型ICT技术进行综合水量供需管理以提高用水效率。SY,W, Wa C,W,R, 数字水务发展大体可分为三个阶段：+水务自动化阶段一一以自动化控制为核心，着眼于工艺优化以及生产效率的提升+水务信息化阶段一一基础设施的信息化建设（基础物联网、SCADA系统、管网模型等），以及信息化业务应用系统的模块建设。例如，分区计量管理、基于GIS的移动巡检系统等+水智慧化阶段一一物联网、智能传感、大数据、云计算、人工智器等技术的综合应用整合多源多维度数据，建立数据中心和数字化运营中心以支持智慧决策近年来，中国相关部门积极出台一系列政策，为数字水务体系发展提供强有力的支撑。在政策加持和驱动下，部分头部企业在（污）水厂数字化、务信息化、管理智能化等板块积极布局。设备供应商积极为自身产品和解决方案增添数字元素，如智能监测传感器、智能水表等。与此同时，信息技术和互联网企业纷龄组建数学水劳团队，发挥物联网、人工智能等数字技术的动能，推动水劳行业数学转型”。自前，中国大部分水劳机构部还处于布局和技术隐坡阶段，即重点完善底层数据收集与监控。由于基础设施信息化建没不完善需导致的数据缺失、质量不高等问避，将影响和限制系统的应用；数据缺失或者数据不精准，计算机模型系统不能发挥应有作用，将无法实现基于数据的智慧决策"。部分智慧平台其实并不“智慧”，仅能实现数据可规化。真正的智慧平台应基于筑一的数据中心，通过对海量数据的实时分析处理，获得有价值的信息或见解，从而实现动态感知和预警预测，并辅助决策。2.3广阔市场计量是数字水务的重要组或部分。以提供计量服务（如仪表、传感器等）为中心的供应商正在拓展产品和服务范围，例如从硬件提供过渡到数据价值的获取。IBM和SAP为代表的技术公司在导求扩大自费业务范围，能源电气行业的巨头企业勃法瑞、通用电气和施耐德也遭过收购建立了各自的数字水务服务板块。资产管理部门正成为创新业务模式的关键战场。公用事业机构正在势力寻找解决方案来延长老旧基础设施的使用寿命，并且越来越重视基于数据的预防性维护。市政水务价值链中的公司也正向战路资产管理决策过渡。，从设备供应商赛荣默(Xylem)到建模服务商弃特利（Bentley），战路资产管理解决方案已经进入核心产品范围，预计到202了年，先进的资产管理策路可为全球水务部门节省近419亿美元的资本支出”。 人工智管慰型水务教字化空革05 目前北美拥有最大的数字水务市场份额”，美国和加拿大数字水务市场计从2019年的54亿美元增长到2030年的108亿美元，年复合增