作者：Pam Radtke Russell

美国田纳西州孟菲斯公共工程部环境合规与许可负责人塔莎·金·戴维斯已经成为数据力量的信徒。

作为美国第14大工业废水排放监控系统的管理者，她和她的13名员工每年只能对孟菲斯104个工业场所的排放物进行两次物理采样。

但是一年前，布朗和考德威尔开始在其中一些工厂的排水口安装传感器。现在，金·戴维斯可以通过她的手机一周七天、一天24小时检查这些工厂排放到废水中的物质。她甚至可以通过微软智能手机设置警报，这样如果其中任何一个超过了允许的限制，她就会得到通知。

她说：“这是一个令人惊奇的工具，我希望我们几年前就知道这个工具。”“你不可能雇佣许多人去104个行业，每天都不断地获取这些数据。事实上，我们可以使用技术、数据，切实帮助改进我们的部门，成为行业中的佼佼者——这对我来说意义重大。这是我的热烈的期望。”孟菲斯的试点测试只是“数字水务”或“互联网水务”潜力的一个小例子，在一个历史上一直缓慢接受变革的行业中，“数字水务”或“互联网水务”正在获得认可。

今年早些时候，阿卡迪亚和布鲁菲尔德研究公司发布了一份报告，发现使用预测分析和人工智能可以在2027年之前节约供水、废水和雨水设施176亿美元。

“你在任何地方都能看到智能技术”，阿卡迪亚智能水先驱公司的吉姆·库珀说。“我认为我们正处于水务部门的过渡阶段。我们收集了数据，拥有通信技术，但我们没有充分利用技术。”

数据正被用于规划新的水厂和系统、检测泄漏、通知客户停机、预测所需维护、延长基础设施寿命以及更好地管理和最大限度地减少处理过程中的能源和化学品使用。它还被用来准备和预测不寻常的降雨和洪水事件，以帮助社区更有弹性。

但是在大多数地方，长期以来由监控和数据采集系统(简称SCADA)收集的数据尚未得到广泛应用。根据美国水务协会2018年水产业状况报告，尽管79%的自来水公司已经完全实施了监控和数据采集系统，但只有30%的公司使用基于移动端的应用程序，更少的公司(17%)使用基于云的应用程序来运营。

像布朗和考德威尔、阿卡迪亚、本特利系统、布莱克和维奇这样的公司正在大力宣传数据有多强大。在其关于先进水系统技术的省钱潜力的报告中，阿卡迪亚强调了潮湿天气期间水位、流量和储存能力的实时信息如何使辛辛那提将其雨水储存和处理的预期成本从每加仑1.40美元降至每加仑1美元。密歇根州大急流城使用水力模型，将计划资本投资从10亿美元减少到3000万美元。

许多人认为技术升级是对他们预算和时间的另一个要求，他们不愿意采取行动。

“这是惯性”，本特利系统公司的高级产品经理汤姆·沃尔斯基说。“在工程和运营领域，我们已经和很多人谈过了，但仍有很多人持‘如果它没有坏，就不要修理它’的态度。”“即使在明确表示他们将在几年内得到回报之后，许多系统公司还是没有钱。他们只是忙于修复管道泄漏或疏通堵塞的下水道，而不去操心最新的技术。”

另一个犹疑的原因是之前的技术运行不良。布莱克和维奇全球水务业务总裁辛迪·沃利斯·拉赫说：“从历史上看，我们在对仪器和传感器给予一致、可靠数据的信心方面遇到了一些挑战。”“我们无法实时获取关键数据，我们也不总是能够获取我们想要的所有数据。有时，我们会对五天前的数据进行操作。”

不过，这种情况已经发生了变化，但随之而来的挑战也阻碍了公用事业的发展。沃利斯·拉赫说：“现在信息过载，你必须想出如何把它们整合在一起。”

虽然沃利斯·拉赫和其他业内人士提出了数字水务、智能水务和互联网水务等术语，但在水系统中使用更多数据并不意味着从一分钟模拟到下一分钟数字的大规模转换。本特利的沃尔斯基说，变化的程度完全取决于具体的系统。“一个实用程序在进行资产管理的方式上可能非常先进，但是在将他们的SCADA数据集成到建模中的方式上却非常落后。”

沃尔斯基说，使用更多数据的转变是渐进的。“我的意思是数字水务可能始于20世纪50年代”，先是遥测技术，然后是20世纪60年代的监控和数据采集系统。沃尔斯基说，大约15年前，软件开始导入和分析SCADA数据。布莱克和维奇的子公司Atonix数字公司的水解决方案主管安德鲁·查斯坦·豪利说，大约五年前，这种分析能够真实地反映供水和废水系统的情况。

传感器越来越便宜，越来越精确，能够检测更多的输入。美国地质调查局水资源任务规划和编程主任鲍勃·约瑟夫说：“传感器一直在变化，我们可以收集一套新的信息。”该特派团在美国有8600多台水流监测器，并有额外的地下水和其他水流点传感器。大多数监测器每隔15分钟报告一次，给公用事业公司和应急经理提供溢油或山洪爆发等事件的早期预警。

现在传感器甚至可以在2到10小时内检测大肠杆菌和其他细菌。布朗和考德威尔的智能公用事业应用主管约翰·阿布拉说，实验室里的同样测试可能需要几天时间，他们正在孟菲斯公用事业公司工作。休斯顿的东北净水厂扩建工程将使用5400多个传感器和其他仪器，该工程由雅各布斯和清洁发展机制史密斯公司的一家合资企业建造。该工厂的工程经理兰迪·罗杰斯说，这些仪器将测量原水流入的情况和水流经工厂时的质量改善情况。如果没有这些传感器和工厂内的自动化过程，就不可能处理休斯顿湖的水体，该湖位于分水岭的尽头，每天最多处理12次。罗杰斯说:“这并不是很人工智能的。”

为了帮助公用事业公司整合更多数据，布朗和考德威尔建议采用三阶段方法。第一阶段是评估已经收集和可用的数据，并对其进行改进。第二阶段是使用分析和仪表技术，如微软智能商务或Tableau，来集成和可视化数据。第三阶段是将机器学习应用于预测性和说明性分析。

阿卡迪亚认为，预测性和规范性分析对智能水体来说是“养兵千日,用兵一时”。正是这些分析可以在短期内节约高达176亿美元的供水设施。

公用事业公司可以通过从依赖行业标准数据转向使用公用事业公司特定数据的算法来优化他们的方法，这些数据不需要完善就可以不断学习和改进资产决策。根据阿卡迪亚的报告，在大型历史资产故障数据集和单个资产数据上训练的算法可以计算故障的可能性和成本。基于历史维护和实时操作数据的算法同样可以帮助操作员做出维护、修复和更换决策。

布莱克和维奇的沃利斯·拉赫说，例如，通过使用分析来确定维修的优先顺序，堪萨斯城在三个月内就能降低60000美元的维护成本。

高级分析和高级计量基础设施(简称AMI)可以使用来自监控和数据采集系统的压力数据，在大约三分钟内提醒操作员潜在的泄漏。根据美国水务协会的说法，每年，美国公用事业公司因漏水损失近2万亿加仑水——占美国饮用水总量的15%。在一些城市，包括佐治亚州格里芬、特拉华州威尔明顿市和费城，这些损失或超过40%。

根据伯克利国家实验室的一份报告，宾夕法尼亚州莫纳卡在安装了AMI后，将供水系统的漏水率从50%降低到15%，AMI允许公用事业和仪表以及供水系统的其他部分之间的双向通信。

沃利斯·拉赫说：“我们不能浪费任何东西。我们不能让管道漏水。我们应该从水中获得收入，我们不能浪费。”

沃尔斯基说，这些数据的最佳用途之一是创建一个“数字孪生”模型。在水利领域，“数字孪生”是基于实时数据的模型。模型的行为尽可能像真实系统。沃尔斯基说：“因此，如果管道破裂，我们需要分析今天能做些什么来更好地解决这个问题。”

在葡萄牙里斯本，过去十年洪水不断增加，本特利系统公司帮助创建了一个用于城市洪水模拟的“数字孪生”模型。该模型允许城市测试替代方案，并创建一个主排水计划。在葡萄牙的波尔图，本特利还帮助当地自来水公司创建了一个在线平台，该平台整合了地理信息系统、实时网络传感器、家用电表、监控和数据采集系统、实验室账单、工作订单和物流，从而创建了一个城市供水、废水、雨水和洗澡水系统的“数字孪生”系统。有了这个系统，城市可以预测洪水和水质问题，预测系统性能，识别故障，并积极予以维护。

沃尔斯基说：“他们能够根据风暴的到来，预测洪水在哪里，何时何地来袭，以及水会有多深。”“我们在帮助人们疏散或采取特别措施、将洪水的影响降至最低方面，取得了一些令人印象深刻的成果。随着气候变化，洪水可能会变得更糟，所以做出这样的预测变得越来越重要。”

沃利斯·拉赫说，在这些数据被收集、归类和连接之后，最后一部分难题是不仅在一个系统内，而且要向其他机构和公众传达这些数据。

沃利斯·拉赫说，能够在仪表盘上显示公用事业是如何减少用水量和节约资金的，这有助于确保未来项目的融资，并让公众相信系统的好处。“然后我们可以让客户和我们一起工作，以减少用水量并更好地了解水系统。”

甘内特·弗莱明公司的地理决策部门通过一个名为“通知”的系统与客户进行双向通信，该系统使用ESRI的ArcGIS Online和针对ArcGIS的门户来提醒客户从断电、使用高峰到过期账单等各种情况。该公司地理决策副总裁布莱恩·史密斯说：“随着时间的推移，它让公用事业公司有能力节省大量资金。这些是短期的，非常容易实现的成果。”

只有5G网络完全上线，“数字水务”的可能性才会增加。史密斯说：“5G是至关重要的——直接传递所需的数据——同时可能会将这些信息发送到允许长期分析的云中。”

除了不情愿进行行业变革之外，向数字化转型还有其他障碍。沃尔斯基说：“我们在互操作性上花费了大量时间——为了能够在一个系统和另一个系统之间共享数据。这很困难，因为数据本身每年都在变化——每次你要在不同的系统和格式之间建立联系。”

网络安全是另一个令人担忧的问题，因为水务部门越来越依赖计算机系统和数字信息。“我们如何让系统更智能，同时也更安全？”Atonix数字公司的查斯坦·豪利说：“更多互联设备有助于更智能的系统，但也为黑客监控、访问或禁用关键基础设施创造了条件。公用事业如何管理和保护客户数据和幕后数据传输至关重要。我们不断与客户合作，解决这些问题。”

据美国水务协会称，该行业遭受了一系列攻击，包括恶意软件、篡改工业控制系统、操纵阀门和流量操作以及化学处理配方。

甘内特·弗莱明水利部门主任路易斯·卡萨多说：“当今环境的现实是，世界上没有100%安全可靠的系统。这是一个现实，促使我们在遵守安全规定和实践的行业标准的同时，继续努力实现更严格的安全。”例如，甘内特·弗莱明的通知程序有额外的授权，访问控制是分开的。他们只能访问客户的个人数据，而不能拥有这些数据。

本特利的沃尔斯基说，但是即使没有完美的数据，数据在水利部门的使用还是有很大希望的。沃尔斯基说： “潜力很大，关键是要做出承诺，并利用这一潜力。我们的软件中有能够真正帮助人们的工具，如果他们充分利用它们的话。”