# هوش مصنوعی

روش‌های نوین برای حل بحران آب

کد خبر: ۳۱۷۰۰۳

تاریخ: ۰۳ شهريور ۱۴۰۴ - ۱۹:۵۷

سالانه میلیاردها لیتر آب در ایران ناپدید می‌شود، بی‌آنکه کسی بداند کجا؟ اما اکنون، یک فناوری نوظهور می‌تواند اسرار این نشت‌های نامرئی را فاش کند.
به گزارش خبرگزاری فارس، هدررفت آب در ایران به بیش از ۳۰ درصد
از کل آب توزیع‌شده می‌رسد. یعنی سالانه بیش از ۱.۸ میلیارد متر مکعب آب، معادل نیاز سالانه‌ پنج استان مرکزی کشور، بی‌صدا ناپدید می‌شود. این در حالی ‌است که ایران با سرانه‌ نزدیک به هزار متر مکعب آب تجدیدپذیر برای هر نفر، رسماً وارد «تنش آبی شدید» شده و در فهرست ۲۰ کشور اول جهان از نظر بحران آب قرار گرفته است. برای مقایسه، آلمان با جمعیتی مشابه، کمتر از ۷ درصد آب را در شبکه توزیع از دست می‌دهد؛ آن هم نه به‌دلیل داشتن منابع بیشتر، بلکه به‌خاطر مدیریت هوشمند و داده‌محور.
برای اینکه خوب متوجه شوید اوضاع از چه قرار است، تصور کنید در یک روز تابستانی، فشار آب در خانه‌تان به حدی افت کرده که دستتان را هم نمی‌توانید درست بشویید، چند خیابان آن‌طرف‌تر، صدها هزار لیتر آب در زیر آسفالت، آرام و بی‌صدا نشت می‌کند و کسی حتی متوجه آن نیست. این فقط یک تصویر فرضی نیست؛ واقعیت امروز بسیاری از شهرهای ایران است. اکنون از خودتان بپرسید: چطور می‌شود که کشوری با چنین منابع آبی نسبتاً محدود، هنوز هم سالانه میلیاردها لیتر آب را به حال خود رها می‌کند؟ در این گزارش، با حقیقتی رو‌به‌رو خواهید شد که دانستن آن نه فقط برای کارشناسان آب، بلکه برای هر شهروندی حیاتی است: چگونه هوش مصنوعی می‌تواند در دل شبکه‌ای فرسوده، نشت‌هایی را بیابد که چشم انسان هرگز نخواهد دید؟ اگر این مطلب را نخوانید، احتمالاً مهم‌ترین کلید نجات منابع آبی کشورتان را برای مطالبه آن از دست داده‌اید.
دشمن خاموش منابع آبی
بحران آب در ایران تنها نتیجه خشکسالی نیست. یکی از مهم‌ترین و در عین حال پنهان‌ترین دلایل این بحران، آب بدون حساب (UFW) است. این اصطلاح به آبی گفته می‌شود که وارد شبکه توزیع می‌شود اما به دلایل مختلفی مانند نشتی لوله‌ها، ترکیدگی‌ها، اتصالات غیرمجاز یا خطاهای اندازه‌گیری، به دست مصرف‌کننده نمی‌رسد و در نهایت در جایی نامعلوم هدر می‌رود.
مدیریت سنتی آب، که اغلب بر اساس داده‌های محدود و تصمیم‌گیری‌های انسانی انجام می‌شود، دیگر توانایی مقابله با این چالش‌های چندوجهی را ندارد. برای مثال، کشف یک نشتی کوچک در زیرزمین با روش‌های سنتی ممکن است هفته‌ها یا ماه‌ها طول بکشد و در این مدت، آب زیادی هدر می‌رود. تصور کنید که شرکت آب یک شهر هستید و روزانه یک میلیون متر مکعب آب تصفیه‌شده را پمپ می‌کنید، اما تنها ۸۰۰ هزار متر مکعب آن را از طریق کنتورها می‌فروشید. ۲۰۰ هزار متر مکعب باقی‌مانده، «آب بدون حساب» است که باید برای یافتن آن اقدام کرد. اما چگونه می‌توان این حجم عظیم آب هدر رفته را پیدا کرد؟ پاسخ در تحلیل داده‌های پیچیده و استفاده از قدرت هوش مصنوعی است.
هوش مصنوعی آماده برای مدیریت آب
هوش مصنوعی با توانایی بی‌نظیر خود در پردازش کلان‌داده‌ها و یادگیری از الگوهای پیچیده، می‌تواند رویکرد ما به مدیریت آب را متحول سازد. این فناوری دیگر یک مفهوم علمی- تخیلی نیست؛ بلکه ابزاری قدرتمند است که در چندین حوزه کلیدی، به طور عملی و مؤثر عمل می‌کند.
کشف نشتی‌های نامرئی با دوقلوی دیجیتال
یکی از بزرگ‌ترین مشکلات در شبکه‌های توزیع آب، تشخیص نشتی‌ها، به‌ویژه نشتی‌های کوچک و پنهان است. هوش مصنوعی می‌تواند با استفاده از یک «دوقلوی دیجیتال» این مشکل را حل کند. دوقلوی دیجیتال یک مدل کامپیوتری دقیق از شبکه فیزیکی آب است که با داده‌های لحظه‌ای حسگرها تغذیه می‌شود. این مدل می‌تواند شرایط شبکه را در هر لحظه شبیه‌سازی کند. برای مثال، حسگرهای فشار و جریان در نقاط مختلف یک شبکه توزیع نصب می‌شوند و داده‌ها را به صورت بی‌وقفه به دوقلوی دیجیتال می‌فرستند. اگر در جایی از شبکه نشتی رخ دهد، فشار آب در آن منطقه افت می‌کند. الگوریتم‌های هوش مصنوعی با مقایسه داده‌های واقعی با مدل دوقلوی دیجیتال، ناهنجاری‌ها را تشخیص می‌دهند و محل دقیق نشتی را با دقت بالایی مشخص می‌کنند. این کار باعث می‌شود تیم‌های تعمیر و نگهداری به جای جست‌وجوی بی‌هدف، مستقیماً به محل نشتی رفته و در زمان و هزینه صرفه‌جویی کنند. به این ترتیب، میزان «آب بدون حساب» به شدت کاهش می‌یابد.
دو رویکرد برای یک هدف
برای استفاده از هوش مصنوعی در تحلیل شبکه‌های آب، دو رویکرد اصلی وجود دارد که اغلب به صورت ترکیبی استفاده می‌شوند:
الف) روش‌های مبتنی بر فیزیک؛ این رویکرد بر پایه معادلات هیدرولیک مانند اصل برنولی (حفظ جرم و تکانه) استوار است. در این روش، یک مدل هیدرولیک از کل شبکه توزیع آب ساخته می‌شود که شامل اطلاعاتی از قبیل قطر و جنس لوله‌ها، موقعیت پمپ‌ها و شیرهای کنترل و نقاط مصرف است. این مدل به صورت یک «دوقلوی دیجیتال» عمل می‌کند و با داده‌های واقعی از حسگرهای نصب‌شده در شبکه کالیبره می‌شود.
مدل‌های مبتنی بر فیزیک به کمک الگوریتم‌های هوش مصنوعی، می‌توانند الگوهای فشار و جریان را در شرایط عادی شبیه‌سازی کنند. اگر یک نشت یا اتصال غیرمجاز در شبکه رخ دهد، داده‌های واقعی حسگرها با پیش‌بینی‌های مدل تفاوت پیدا می‌کنند. هوش مصنوعی این تفاوت‌ها را به عنوان ناهنجاری شناسایی کرده و با تحلیل حساسیت فشار، محل احتمالی نشت را مشخص می‌کند. این روش بسیار دقیق است و به مدیران اجازه می‌دهد تا سناریوهای مختلف را به صورت مجازی آزمایش کنند، مثلاً بررسی کنند که اگر یک پمپ خاموش شود، چه تأثیری بر فشار آب در یک محله خواهد داشت.
ب) روش‌های مبتنی بر داده؛ این رویکرد از الگوریتم‌های یادگیری ماشینی، مانند شبکه‌های عصبی مصنوعی (یادگیری عمیق) و درخت‌های تصمیم‌گیری، برای شناسایی الگوها در داده‌ها استفاده می‌کند، بدون اینکه به معادلات فیزیکی وابسته باشد. این الگوریتم‌ها با حجم عظیمی از داده‌های تاریخی در مورد فشار، جریان و مصرف آب «آموزش» می‌بینند تا الگوهای مصرف عادی را درک کنند.
هنگامی که یک رویداد غیرعادی مانند نشت لوله رخ می‌دهد، الگوریتم‌ها می‌توانند الگوی جدید را با الگوی «عادی» که قبلاً آموخته‌اند، مقایسه کرده و به سرعت آن را به عنوان یک ناهنجاری طبقه‌بندی کنند. این روش به ویژه برای شناسایی رفتارهای پیچیده انسانی مانند اتصالات غیرمجاز، که در مدل‌های فیزیکی به راحتی قابل پیش‌بینی نیستند، بسیار مؤثر است. با این حال، نیاز به حجم زیادی از داده‌های تاریخی و باکیفیت دارد که ممکن است در بسیاری از شرکت‌های آب در دسترس نباشد.
رویکرد ترکیبی (مدل‌سازی هیدرولیک ۲.۰)
بهترین نتایج زمانی حاصل می‌شود که هر دو رویکرد با هم ترکیب شوند. این رویکرد ترکیبی که با عنوان مدل‌سازی هیدرولیک ۲.۰ شناخته می‌شود، از دقت مدل‌های مبتنی بر فیزیک و انعطاف‌پذیری روش‌های مبتنی بر داده بهره می‌برد. در این مدل، هوش مصنوعی نه تنها به دنبال ناهنجاری‌ها در داده‌های هیدرولیک می‌گردد، بلکه از داده‌های خارجی مانند تغییرات اجتماعی- اقتصادی و آب و هوائی نیز برای پیش‌بینی دقیق‌تر استفاده می‌کند.
پیاده‌سازی هوش مصنوعی در ایران
برای شرکت‌های آب و فاضلاب در ایران، پیاده‌سازی هوش مصنوعی یک مسیر گام به گام و تخصصی بوده و نیازمند نظر تخصصی است. اما به عنوان یک موضوع در استفاده از هوش مصنوعی برای بهبود وضعیت نیمه‌بحرانی کشور، شروع این فرآیند با یک تحلیل عملیاتی اولیه آغاز می‌شود تا مشخص شود که در کدام بخش‌ها می‌توان «سودهای آسان» (نقاطی که بیشترین بازده را با کمترین هزینه دارند) را به دست آورد.
۱. تحلیل زیرساخت داده: اولین قدم، ارزیابی سیستم‌های پایش و کنترل موجود (مانند سامانه اسکادا) است. آیا داده‌های ما به صورت دیجیتال و با کیفیت مناسب در دسترس هستند؟ آیا تعداد حسگرهای موجود برای نمایش منطقی از کل شبکه کافی است؟
۲. طراحی شبکه نظارتی بهینه: هوش مصنوعی می‌تواند به ما کمک کند تا با حداقل تعداد حسگرها، حداکثر اطلاعات را به دست ‌آوریم. الگوریتم‌ها بهترین مکان‌ها را برای نصب فشارسنج‌ها و کنتورهای هوشمند شناسایی می‌کنند تا از هزینه‌های اضافی جلوگیری شود. برای مثال، به جای نصب کنتور هوشمند برای همه مشترکین (که بسیار گران است)، می‌توان الگوریتم‌هایی را به کار گرفت که با تحلیل الگوهای مصرف، تنها در نقاط استراتژیک کنتور هوشمند نصب کنند تا تصویر کاملی از مصرف به دست آید.
۳. پیاده‌سازی یک راهکار اسکادا اولیه: برای شرکت‌هایی که هنوز سامانه اسکادا ندارند، پیاده‌سازی یک راهکار اولیه و مقرون به صرفه اولین گام حیاتی است. این سامانه به ما امکان می‌دهد تا داده‌های لحظه‌ای فشار و جریان را جمع‌آوری کرده و به الگوریتم‌های هوش مصنوعی منتقل کنیم.
کاربردهای هوش مصنوعی
در مدیریت کلی آب
پیش‌بینی تقاضا و مدیریت هوشمند سدها
پیش‌بینی دقیق تقاضای آب برای مدیریت سدها و منابع آبی حیاتی است. هوش مصنوعی می‌تواند با تحلیل داده‌های تاریخی مصرف، الگوهای آب و هوایی، رشد جمعیت، و حتی عوامل اجتماعی- اقتصادی، تقاضای آب را با دقت بسیار بالایی پیش‌بینی کند. این پیش‌بینی‌ها به مدیران سدها کمک می‌کند تا از قبل برنامه‌ریزی کرده و منابع را به درستی تخصیص دهند. یک الگوریتم هوش مصنوعی می‌تواند با بررسی میزان بارش، دما و رطوبت خاک در یک منطقه، پیش‌بینی کند که در فصل آینده، چه میزان آب برای شرب و چه میزان برای کشاورزی نیاز است. این پیش‌بینی به مدیران امکان می‌دهد تا سطح آب سدها را بهینه مدیریت کرده و در صورت پیش‌بینی خشکسالی، آب را با دقت بیشتری ذخیره کنند. این کار نه تنها از هدر رفت آب جلوگیری می‌کند، بلکه آمادگی ما را برای مقابله با بحران‌های احتمالی افزایش می‌دهد.
بهینه‌سازی مصرف انرژی و هزینه‌ها
الگوریتم‌های هوش مصنوعی می‌توانند با استفاده از تکنیک‌های بهینه‌سازی تصادفی، عملکرد پمپ‌ها را بر اساس تعرفه‌های انرژی و نیازهای شبکه تنظیم کنند. این کار می‌تواند مصرف انرژی را به شکل چشمگیری کاهش داده و هزینه‌های عملیاتی را پایین بیاورد.
ارتباط با مشترکین
هوش مصنوعی در فرآیندهای کسب و کار شرکت‌های آب نیز تحول‌آفرین است. این فناوری می‌تواند با تحلیل بازخوردهای مشتریان از طریق رسانه‌های اجتماعی و مراکز تماس، به شناسایی سریع مشکلات کمک کند. برای مثال، اگر تعداد زیادی از مشتریان در یک منطقه خاص از افت فشار آب شکایت کنند، هوش مصنوعی می‌تواند به سرعت این داده‌ها را تحلیل کرده و به عنوان یک هشدار اولیه برای یک مشکل احتمالی (مانند نشتی یا خرابی پمپ) به مدیران اطلاع دهد. در واقع هوش مصنوعی می‌تواند به عنوان یک ابزار مدیریتی نیز عمل کند. ابزارهای هوش تجاری می‌توانند داده‌های مربوط به عملکرد، مالی و مشتریان را تجمیع و تحلیل کرده و به مدیران یک تصویر جامع (داشبورد) از وضعیت کلی سازمان ارائه دهند. این امر به آنها کمک می‌کند تا تصمیمات استراتژیک بهتری بگیرند و به صورت شفاف‌تری به ارزیابی عملکرد بپردازند.
امنیت سایبری
سیستم‌های آب و فاضلاب جزو زیرساخت‌های حیاتی هر کشور محسوب می‌شوند. حمله سایبری به این سیستم‌ها می‌تواند منجر به اختلال در تأمین آب آشامیدنی، آلودگی منابع آبی با مواد شیمیایی یا میکروبی، خرابی تجهیزات گران‌قیمت مانند پمپ‌ها و شیرهای کنترل، و در نهایت ایجاد بحران‌های بهداشتی و اجتماعی گسترده شود. از آنجایی که این سیستم‌ها به طور فزاینده‌ای از سیستم‌های کنترل صنعتی مبتنی بر اینترنت (مانند سامانه اسکادا) استفاده می‌کنند، فرصت‌های بیشتری برای نفوذ هکرها فراهم می‌شود. با افزایش اتکای ما به فناوری‌های دیجیتال، خطر حملات سایبری نیز افزایش می‌یابد. هوش مصنوعی می‌تواند به عنوان یک ابزار دفاعی عمل کرده و با تحلیل رفتارهای غیرعادی در شبکه، حملات احتمالی را شناسایی و از زیرساخت‌های حیاتی آب کشور محافظت کند.
کلام آخر
در جهانی که هر قطره آب ارزش یک طلا را دارد، ما نمی‌توانیم به مدیریت سنتی، آزمون و خطا و چشمان بسته اکتفا کنیم. هوش مصنوعی نه یک انتخاب لوکس، بلکه تنها گزینه‌ عاقلانه برای آینده است. با پیاده‌سازی درست این فناوری، ایران می‌تواند نه تنها بحران آب را مهار کند، بلکه در مدیریت هوشمند منابع حیاتی، به الگویی برای منطقه و جهان بدل شود. اما این آینده در گرو تصمیم امروز ماست.