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數位科技驅動智慧水資源管理

薛孝亭/ 發布日期:2022/05/24/ 瀏覽次數:115

一、智慧水資源管理市場趨勢
人口成長、經濟發展和氣候變遷等因素,全球水資源短缺壓力不斷增大。因此,各國水務單位與相關業者積極引進數位科技(如人工智慧、大數據),發展智慧水資源管理(Smart Water Management, SWM)系統與創新解決方案(如智慧水錶),以提高水資源的使用效率並且減少浪費。根據MarketsandMarkets國際市場分析報告,2021年全球智慧水資源管理市場約為138億美元,預計2026年市場將成長到224億美元,年均複合成長率為10.1%。

 

二、關鍵數位科技介紹 
Frost & Sullivan認為改變傳統水資源管理模式之新興數位科技有大數據、雲端儲存與計算、人工智慧以及數位孿生等技術(各技術簡介請參閱圖一)。以下針對各項技術於水資源管理的主要應用做介紹: 

 

 

(一) 大數據
智慧水資源管理本質上是以數據驅動水資源管理。大量水資源數據可協助水務部門設計出精準的水資源使用模型,衡量各渠道之水資源使用的效率與有效性。同時,透過大數據分析,水務部門可以迅速對供水情況與用水需求做出反應。主要應用如下: 
(1) 水質與漏水監測:
提供民眾乾淨的水質以及減少管線漏水,為水務部門之重要工作。在供水水路設置感測裝置,可蒐集大量水質與漏水相關數據,協助相關單位研判需要淨水處理或可能發生漏水的環節,進而採取應對措施,以恢復水質並確保水路供水不間斷。
(2) 水務資產監控:
水務行業之基礎設施,包括管道、地表水箱、水庫等,長久使用下易發生故障。大數據分析可以蒐集相關數據並且評估水務基礎設施的健康程度,提供故障預警及其可能發生之位置資訊,以在重大損失發生前進行維護。

 (二) 雲端儲存與計算
在水資源管理的過程中,水利基礎設施所安裝的各式感測器,會生成大量數據。透過雲端儲存與計算能夠將數據資料靈活且安全的儲存、分析以及利用,有助於水務部門實現高效率的營運與跨域管理。同時雲端計算還可於短時間內對軟體進行更新,並可以因應需求而即時調整。相關應用簡述如下:
(1) 高效率水資源管理:
由於越來越多的水資源數據儲存在雲端中,水務當局可以輕易取得各基礎設施生成的即時數據,了解目前的供水與用水狀況。另外,由於水資源管理是高度動態的,雲端解決方案(如雲端供水管理平台),可幫助水務當局即時針對供需變化或者突發事件,調整管理策略。
(2) 廢水管理:
廢水處理流程十分複雜,主要原因來自於水質的特性(如污染物數量與化學物質濃度)與水量會隨著時間改變,同時系統效能亦會受到人為操作、環境條件、微生物等因素影響。因此,以雲端為基礎的解決方案,可以即時蒐整和分析各項影響水質的參數,讓水務營運商得以更清楚地了解汙染源與廢水處理程度,以提高廢水管理效率。

(三) 人工智慧
人工智慧解決方案能實現自動化與智慧化管理,可以提高水務單位營運的效率,並且減少能源消耗以及減輕操作員之負擔。目前人工智慧在智慧水資源管理的主要應用包含供水網絡智慧化管理、緊急計劃實施自動化等,簡述如下:
(1) 供水網絡智慧化管理:
人工智慧驅動的解決方案能夠預測用戶的用水模式,並能自動化調配供水,或者提供營運商優化供水網絡之相關建議,以滿足用戶需求。另外,由於漏水常發生於不易察覺的地下管線,人工智慧能夠從流量與用水之相關資訊中,協助水務單位分析可能漏水之區域,縮小篩檢範圍。
(2) 緊急計劃實施自動化:
人工智慧解決方案亦可以協助水務公司,在緊急情況發生時即時分析與預判風險造成的危害,並且依照事先製定的緊急計畫,自動化採取應對措施,以管控損失。

(四) 數位孿生
數位孿生(Digital Twin)為建立真實設施的虛擬模型。透過虛擬模型,水務部門得以於數位環境中模擬與評估各種解決方案,以優化營運與管理,並且不會使設備或人員處於危險之中。主要應用簡述如下: 

(1) 新設備測試:
構建新設施的數位孿生,可以在實際建設開始之前,於虛擬環境中進行各項測試,或者可以在不干擾建設進度的情況下,快速分析各種備選方案。
(2) 設備使用評估:
數位孿生亦可模擬真實設備的即時工作狀況,並能在安全的虛擬環境中,分析設備的老化、耐用度等,協助水務部門掌握設備之健康程度以及需要維修的零組件。同時,亦可透過數位孿生測試不同的操作參數,優化水處理效率,或者測試在緊急狀況發生時,該如何應對以降低損失。
(3) 操作員培訓:
數位孿生亦可作為人員培訓使用,訓練工作人員操作與管理設備,而不用擔心操作失誤導致設備損失以及人員受傷。

 

三、代表性案例介紹 
許多知名國際企業發展智慧水資源管理相關產品,例如Yokogawa Electric、Jacobs Engineering Group、Idrica等公司。前述廠商之代表性產品與近期發展動態介紹如下:

(一) Yokogawa Electric 
Yokogawa Electric是一家日本跨國電氣工程和軟體公司,主要業務為替能源、化工、水務等行業客戶,提供各種先進的數位控制解決方案。在水務方面,Yokogawa Electric可提供水處理監控系統、輸水監測與管理系統、水質監測系統、水資源需求預測系統等。
2019年,Yokogawa Electric與新加坡水務局PUB合作,合作開發人工智慧解決方案,以提高水處理廠的使用效率並克服人力短缺的問題。該合作案第一個項目為開發設備早期故障檢測和診斷系統,即早察覺可能故障的設備,預防嚴重故障與停工事件發生。第二個項目為利用人工智慧技術優化水處理廠的工作流程。該項目利用人工智慧技術從設備大量的通知與警訊中,篩選出有價值的見解,以減輕操作員的負擔。此外,此合作案還預計開發多項融合人工智慧與數位孿生的解決方案,例如操作員培訓模擬器、工廠模擬器等,以提高水處理廠的安全性與效率。上述項目預計在2022年完成。
另外,Yokogawa Electric亦於2022年3月與大阪自來水局合作,規劃利用人工智慧技術開發設備故障預測,並且在水處理與配水系統上實現半自動化。

(二) Jacobs Engineering Group
Jacobs Engineering Group (Jacobs)是一家總部位於美國的工程公司,主要為水務、城市建設、環境等領域提供先進的連接、雲端與智慧化解決方案。在智慧水管理領域,Jacobs開發了多項創新產品,包括數位孿生解決方案REPLICA,可模擬智慧水網中各項設備(如水處理裝置、抽水幫浦)的即時動態,協助客戶改善營運效率;雲端洪水預測平台Flood Cloud,可預測洪水的發生與範圍,並可用以評估洪水對水利設施的影響;抽水站設備管理平台AquaDNA,該雲端平台可與端點的抽水幫浦監控設備相結合,並且整合了降雨、漏水等數據,使操作員除了能夠及時查看水網中各個幫浦的相關數據,並可預測設備故障的機會。
Jacobs於2020年與新加坡PUB合作,利用REPLICA軟體,並且整合新加坡水回收廠的數據收集與監測系統,開發出全廠的數位孿生平台。該平台可以模擬水處理廠的處理程序,除可用於人員培訓外,亦可分析營運調整時(如設備維修)對工廠整體績效的影響。另外,同樣於2020年時,Jocobs啟動COVID-19監測計畫,在其於美國的70座廢水處理廠中,追蹤廢水中的病毒含量,以協助客戶了解COVID-19的傳播情況。

(三) Idrica
Idrica 是一家為水循環管理提供數位化轉型與解決方案的西班牙公司。主要的產品為水資源管理平台GoAigua,可將水網中各項設備(如水質監測器)所產生的數據整合,並使用先進的人工智慧演算法,搭配不同的功能模組,實現營運優化、檢測漏水、管理資產、應對危機等功能,可應用於廢水管理、灌溉用水管理、流域綜合管理等。其中,在灌溉用水管理方面,GoAigua可即時檢測水質與分析土壤水分含量,並能根據天氣預報、土壤與作物類型以及地形,進行灌溉自動化和施肥流程優化。目前該平台全球已獲得400多家水務公司的採用。
Idrica於2021年時與西班牙瓦倫西亞政府合作展開試驗計畫,開發了全球首款5G智慧水錶,並且成功地即時偵測飲用水之消耗量,並將資訊發送到管理中心進行分析。該案例為大規模物聯網之實現奠定了基礎,未來可望能透過5G技術連接百萬台感測器,實現更即時以及更有效率的管理。

 

四、困境與挑戰
為了因應水資源挑戰,水務公司利用大數據、雲端儲存與計算、人工智慧以及數位孿生等數位科技,發展智慧水管理系統。然而要在傳統且老舊的基礎設施上導入數位科技(如安裝感測器或智慧控制系統),將面臨許多設置上的挑戰。同時,數位化與智慧化設備的高成本,也限制了水務單位的採用。因此,如何加速數位化轉型並實現智慧化管理,如資金上的支持,為各國政府須重視的議題。

 

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