数字水务进展以及从汽车和飞机工业自动化发展中汲取的经验教训丨Engineering
数字水务进展以及从汽车和飞机工业自动化发展中汲取的经验教训丨Engineering
engineering2015
《Engineering》是中国工程院院刊主刊，工程类综合性期刊，旨在为全球提供一个高水平的工程科技重大成果发布交流平台，报道全球工程前沿，促进工程科技进步，服务社会、造福人类。中国科技期刊卓越行动计划领军期刊。 中英文出版，全文开放获取。
引言
提供水务服务和涉水卫生服务是一项全球性关键挑战。水务设施服务和废水设施服务具有规模性、复杂性和关键性等特点，使其在规划和管理方面变得极为困难。数字化革命已深入人类生活的许多领域，水务行业也开始从数字化转型中受益。有效利用气象遥感和土壤湿度数据可以提高灌溉效率（即粮食产量），利用人工智能可以更好地检测管道网络的异常和故障，利用自然启发式优化方法可以改善系统的管理和规划，以及数字孪生和机器人技术的频繁利用，所有这些都展现了数字化技术在改善复杂水务系统管理上的巨大潜力。但是，这些技术也有附加风险，如网络安全风险、不正当使用、过度信任数字解决方案与自动化的性能和准确度等。因此，英国埃克塞特大学的Dragan Savić在本文中明确了水务行业数字化技术的主要进展，并将取证工程原则应用到一些在自动化和数字化转型较为领先的领域，对其故障事件进行分析。新型数字化技术失误是引发汽车和飞机行业重大事故的潜在原因（如特斯拉自动驾驶汽车和波音737 MAX飞机）；因此，确定失误原因并将经验应用于水务行业的类似风险识别中，可以吸取教训和避免失败，并更好地促进水务行业数字化转型。
世界各地都依赖复杂的系统来运输基本商品，提供包括水、食物、能源以及健康、交通和通信等相关的服务。这些商品和服务的全球需求量惊人，并且预期需求还会增长。例如，2017年全球约有90%的人口至少享有基本饮用水服务，但是， 预计到2050年将有近60亿人遭受清洁水短缺的困扰 。发达国家拥有庞大且互联的水务基础设施系统，能够为其人口提供高质量的饮用水服务。例如，英国的英格兰和威尔士有1000多个生产饮用水的水处理厂，长达346 000 km的水路网服务于2600多万户家庭；荷兰的饮用水水路网长达120 000多公里，能够为800多万户家庭提供服务。这种 基础设施提供的服务具有规模性、复杂性、生命周期长和关键性等特点，因而使得系统规划和管理变得极为困难。
在过去20年里，现代数字化技术迅速发展。通过改善复杂系统，如银行、交通、市场、娱乐和旅游等部门的规划和管理， 现代数字化技术推进了社会变革 。利用大规模、广泛的数据采集，预测能力日益精准的云计算，以及互联网和物联网（IoT）的全球连接，许多新兴应用已经被开发出来并投入使用。例如，零售银行的数字化转型使得用户可以通过在线和移动工具进行交易和资产管理。
此外， 一些企业组织如优步，借助数字化技术建立了一种新型商业模式，颠覆了运输业的传统模式 。其他企业组织，包括谷歌、亚马逊、爱彼迎、网飞和苹果的一些部门也利用了数字化技术。从数字化技术的角度来看，航空行业和汽车行业这两个领域相当有趣，这不仅是因为安全因素在这两个行业中至关重要，还因为它们在实现完全自动化方面取得了最重大的进展。尽管为了使这些系统能够独立运作，人类已经投入了大量精力和成本， 但是绝大多数系统的运作仍必须与人类交互，由人类负责监管其作业，指导系统运作，或协作系统完成作业。
然而， 数字化技术的引入和自动化程度的增强，也导致了一些与这些先进技术的使用方式有关的重大事故。 例如，特斯拉的自动驾驶仪（Autopilot）无法避免汽车碰撞，以及波音737 MAX及其机动特性增强系统（MCAS）软件疑似已导致两次飞机失事，是造成重大伤亡的原因之一。通过明确这些案例中存在的新技术的失误点，有望从中学习经验和教训，预防事故发生。
数字化革命已深入人类生活的许多领域，水务行业也开始从数字化转型中受益 。水文信息学领域的先进技术和人工智能（AI）的应用已经开始在水务行业及其管理中发挥作用。然而， 水务行业的数字化进展落后于其他领域，原因是其还存在一些挑战，包括遗留的数据收集和管理系统，以及难以为数字应用、网络安全问题和“人为因素”建立明确的商业案例。
因此， 英国埃克塞特大学的Dragan Savić从具有强大监管机制和固有安全特质的部门中选取典型事件进行分析，并指出在水务行业研究类似问题的必要性，以保障水务行业的数字化转型。 此外，鉴于水务系统管理具有复杂性、关键性（与健康和食品供应相关）和行业所需的安全特性，以及目前的数字化进展[例如，应用于供水系统异常检测的机器学习技术（图1）]，Dragan Savić研究指出： ①自动化要求在回路系统配置人员；②人工操作者必须充分掌握技术，并接受技术培训；③在发生技术故障时，应当采取应急式人工干预；④虽然冗余传感器会增加成本，但能减少由传感器读数失误带来的风险；⑤必须考虑网络安全风险；⑥鉴于水务系统的自动化和互联性不断增强，必须考虑相关伦理问题。 这些发现也指出了与水务行业数字化转型相关的主要研究领域。
图1. 供水网络故障识别（ERWAN）系统对压力突增的情况进行报警，原因可能是减压阀故障。DMA：区计量领域（district metered areas）。
关键词： 数字化；自动化；水行行业；在风险；经验教训
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原文链接：http://www.engineering.org.cn/ch/10.1016/j.eng.2021.05.013
以上内容来自：Dragan Savić. Digital Water Developments and Lessons Learned from Automation in the Car and Aircraft Industries [J]. Engineering, 2022, 9(2): 35-41.
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