استخدام الاستخبارات الفنية لتحقيق أفضل عمليات الترسب في معالجة المياه

فهم الترسب باعتباره عملية أساسية لمعالجة المياه

والترسب هو أحد أقدم عمليات الوحدة وأكثرها استخداما في معالجة المياه ومياه الصرف، والمبدأ الأساسي بسيط: أن الجسيمات المعلقة التي تكون كثافة المياه ستستقر تحت تأثير الجاذبية عندما تكون سرعة التدفق منخفضة بما فيه الكفاية، وفي محطة تقليدية لمعالجة المياه السطحية، عادة ما يتبع الترسبات والنباتات، حيث تُضاف المواد الكيميائية إلى جسيمات تزعزع الاستقرار وتتكون من مهابطات أكبر.

وكفاءــة أحواض الرواسب - التي تسمى في كثير من الأحيان صهريجاً موضحاً أو مستوطنة - يعتمد على تفاعل معقد بين العوامل المادية والكيميائية، وتشمل البارامترات الرئيسية معدل تدفق المياه السطحية )حجم المياه التي تترك الصهريج لكل منطقة سطحية في الوقت(، وزمان الاحتجاز )كمية بقاء المياه في الصهريج(، وسرعات تثبيت الجسيمات، ووجود كميات كبيرة من الماء أو ذات فتحات قصيرة.

وقد استندت العملية التقليدية إلى اختبار الجراء الدوري وإلى حكم المشغل لتعديل الجرعة المسببة للخناق ومعدلات التدفق، وفي حين أن المشغلين ذوي الخبرة يمكن أن يحققوا نتائج جيدة، فإن هذا النهج يتسم في جوهره بالتفاعل ويحد من تواتر أخذ العينات، ويمكن أن تستمر الظروف دون المتوسطة لساعات بين التعديلات، لا سيما أثناء أحداث العواصف أو التغيرات الموسمية في نوعية المياه الخام، وهذا هو المكان الذي توفر فيه الاستخبارات الاصطناعية قفزة التحويلية.

كيف أن الاستخبارات الخيالية تحقق الترسب الأمثل

فالاستخبارات الفنية، ولا سيما التعلم الآلي والتعلم العميق، تمكن نظم معالجة المياه من الانتقال من المراقبة التفاعلية القائمة على الجدول الزمني إلى التكهن الأمثل في الوقت الحقيقي، كما أن نماذج المعلومات المتعلقة بآفات البيانات من الحساسات - الاضطرابات، والحمض، ودرجة الحرارة، ومعدل التدفق، والجرعة الكيميائية، وإحصاء الجسيمات، وحتى بيانات التنبؤ بالطقس - والتعلم للتنبؤ بأمثل نقاط التشغيل للرواسب.

اقتناء البيانات ورصد الوقت الحقيقي

وتزداد أجهزة التزود بالمرافق الحديثة باستخدام أجهزة تحليل على الإنترنت، حيث إن أجهزة رصد التداول في أجهزة الفلور في جهاز الفلور هي معايير، ولكن النباتات المتقدمة تنشر أيضاً مقابر الجسيمات المتدفقة، والمواصفات الأشعة فوق البنفسجية، ونظم مراقبة التخصيب الآلية، وتغذي هذه أجهزة الاستشعار بيانات في نظام مراقبة الإشراف واقتناء البيانات.

ومن أقوى التطبيقات استخدام الشبكات العصبية لنموذج العلاقة غير المباشرة بين الجودة المؤثرة، والجرعة الكيميائية، والاضطرابات السائلة، مثلاً، يمكن تدريب شبكة التخلف المغذي على أشهر من بيانات التشغيل التاريخية للتنبؤ بالاضطرابات السائلة التي تسبق 1560 دقيقة، وعندما يتجاوز الاضطرابات المتوقعة عتبة التدفق، توصي منظمة العفو الدولية تلقائياً بإجراء تعديل في التدفق.

مقاييس التعلم الآلاتي لمكافحة الترسبات

وقد تم بنجاح نشر عدة نهج من نهج القانون النموذجي:

• Linear Regression and Support Vector Regression (SVR): ] Used for simple prediction tasks where the relationships are approximately linear. SVR is robust to outliers and works well with moderately sized datasets.
• Random Forest and Gradient Boosting:] Ensemble methods that handle indirectlinearities and interactions between variables. They are often used for feature importance analysis, revealing which sensors most influence sedimentation performance.
• Artificial Neural Networks (ANNs):] Deep ANNs with several hidden layers can capture complex dynamics in clarifiers, including the effects of density currents and temperature stratification.
• Reinforcement Learning:] An emerging approach where the AI agent learns an opt dosing or flow control policy by interacting with the plant environment. The agent receives a reward for actions that keep effluent turbidity low while minimizing chemical use.

وهذه النماذج عادة ما تنشر في نظام مغلق لمراقبة الأجهزة، وتحسب منظمة العفو الدولية الجرعة المثلى من حيث التراكم كل دقيقة، وترسل نقطة البداية إلى مضخة التغذية الكيميائية، وتقاس الجودة السائلة على أنها تغذية مرتدة، وعلى مر الزمن، يعاود النموذج باستمرار التكيف مع الظروف المتغيرة للمياه الخام، بما يكفل الموثوقية الطويلة الأجل دون إعادة تكييف يدوي.

استحقاقات الترسب على نحو أمثل

وتوثق الفوائد التي يمكن قياسها كمياً لتنفيذ نظام المعلومات المسبقة عن علم في مجال مراقبة الرواسب توثيقاً جيداً في البحوث وفي التطبيقات الكاملة النطاق على السواء:

تعزيز إزالة الجسيمات ونوعية المياه

ومن خلال الحفاظ على اضطراب منخفض ومستقر باستمرار، يتم حماية مرشحات المجرى المائي من التحميل المفرط للجذور، مما يؤدي إلى انخفاض عدد جسيمات المياه الجاهزة، وانخفاض الطلب على التطهير، وتحسين الامتثال للمعايير التنظيمية مثل قاعدة المعالجة السطحية للمياه التابعة لوكالة الحماية البيئية في الولايات المتحدة، وتفيد بعض المرافق بأن انخفاض تواتر الرش بالترددات الخلفية للمرشحين بنسبة 20 إلى 40 في المائة، مما يزيد من خفض استهلاك النفايات والطاقة.

وفورات تكاليف المواد الكيميائية والطاقة

ويمكن أن يقلل استخدام الجرعات القائمة على أساس الترميز (مثل استخدام الخريجين والكلور الخماسي) بنسبة 15 إلى 30 في المائة مع الحفاظ على نوعية التدفق أو حتى تحسينها، وفي النباتات الكبيرة التي تعالج مئات الملايين من لترات يوميا، يُترجم ذلك إلى وفورات سنوية تبلغ مئات الآلاف من الدولارات، وبالإضافة إلى ذلك، فإن الحد الأمثل من مراقبة التدفق يقلل من احتياجات الطاقة، ويخفض من تكاليف الكهرباء والمياه.

الاستقرار التشغيلي والقدرة على التنبؤ

وتعالج نظم المعلومات الزراعية التغيرات المفاجئة في نوعية المياه الخام مثل تلك التي تسببها الأمطار الغزيرة أو الرصف الربيعي بسرعة أكبر من عامل بشري، ويتوقع النموذج التعديل الكيميائي اللازم قبل ارتفاعات الاضطرابات الناجمة عن التدفق، مما يحول دون حدوث اضطراب في العمليات، كما أن هذه القدرة التنبؤية تقلل من الاعتماد على اختبار الجرارات، وتحرر المشغلين للتركيز على مهام الصيانة والامتثال الأخرى.

الصيانة الافتراضية وطول الأصول

ويمكن للمبادرة، عن طريق تحليل بيانات الاستشعار باستمرار، أن تكتشف التغيرات الخفية التي تشير إلى ارتداء المعدات أو إثارتها، وعلى سبيل المثال، يمكن اعتبار الزيادة التدريجية في انخفاض الضغط عبر خلاط أو تغيير استهلاك الطاقة من مضخة إعادة التلقيح كعلامات إنذار مبكر، مما يتيح الصيانة القائمة على الظروف بدلا من الجداول الزمنية، ويقلل من وقت الهبوط غير المقرر، ويمتد عمر عناصرها.

التنفيذ العالمي الحقيقي ودراسات الحالات الإفرادية

وقد نشرت عدة مرافق للمياه في جميع أنحاء العالم معلومات إضافية عن الرواسب، وذلك بنجاح موثق.

محطات سنغافورة لاستخلاص المياه

وقد نفذت وكالة المياه الوطنية في سنغافورة نماذج للتعلم العميق في محطة استصلاح مياه تشوا تشو كانغ التابعة لها، وتستخدم نظام آي بيانات من أكثر من 40 جهازاً استشعار على شبكة الإنترنت للتنبؤ بالجرعة المتعددة المربعات في صهاريج الرواسب الأولية والسيطرة عليها، وتبين النتائج انخفاض استهلاك البوليمر بنسبة 25 في المائة وتحسين مجموع المواد الصلبة المعلَّقة بنسبة 10 في المائة، ويدير النظام بصورة مستقلة لأسابيع في وقت لا يسمح فيه بتدخل المشغل.

المملكة المتحدة - يوركشاير ووتر

وقد أقامت شركة يوركشير للمياه شراكة مع شركة تكنولوجية لتطوير جهاز لمراقبة الجرعات يقوم على أساس عال من أجل أعمال معالجة المياه، وقد أبلغ المصنع عن انخفاض في الاستخدام الكيميائي بنسبة 22 في المائة، وعن انخفاض في تواتر استخدام المواد الكيميائية بنسبة 30 في المائة في مشروع المعالجة الإضافية.

الولايات المتحدة - مقاطعة أورانج

وتدير منطقة مياه مقاطعة أورانج (كاليفورنيا) إحدى أكبر مرافق تنقية المياه في العالم، وقد أدرجت هذه المرافق في المرحلة الأولية للترسبات في نظام تجديد المياه الجوفية الخاص بها، وتستخدم نماذج AI البيانات التاريخية من أكثر من ثلاث سنوات لتحقيق الحد الأمثل من إضافة الكلوريد الأسمد وبوليمر، وقد حقق النظام اضطرابات مستمرة في التدفق دون 2 وحدة من وحدات مكافحة الإرهاب، بينما قلل في المائة من التكاليف الكيميائية الإجمالية بحوالي 18 في المائة.

وتدل دراسات الحالة هذه على أن " آي " ليست مفهوما نظريا - بل إنها تحقق بالفعل منافع تشغيلية ومالية قابلة للقياس في محطات معالجة المياه على نطاق كامل.

التحديات في اعتماد مبادرة AI من أجل الترسب

ورغم المزايا الواضحة، يجب التصدي لعدة حواجز قبل أن تصبح منظمة العفو الدولية مكتظة في معالجة المياه.

نوعية البيانات ومدى توافرها

ولا تصلح نماذج المعلومات المسبقة عن علم إلا بقدر ما تكون البيانات التي يتم تدريبها عليها، إذ يفتقر العديد من محطات معالجة المياه القديمة إلى الهياكل الأساسية اللازمة للاستشعارات لتوفير بيانات عالية الاستبانة، ونظيفة، ويمكن أن تؤدي نقاط الانجراف الحسّي، وإثارة الشغب، وضياع البيانات المفقودة إلى تدهور الأداء النموذجي، كما أن تنفيذ برنامج قوي لإدارة البيانات وضمان الجودة شرط أساسي، وكثيرا ما يكون استثمارا كبيرا.

أمن الفضاء الإلكتروني والتكامل المنهجي

(أ) أن يقوم متعهد برامجيات مكافحة المخدرات مباشرة بشبكات التكنولوجيا التشغيلية بأخذ مخاطر أمنية إلكترونية، كما أن من الفاعلين المخادعين الذين يكسبون إمكانية الوصول إلى متحكمي المخدرات يمكن أن يغيروا الجرعات الكيميائية، مما قد يتسبب في حادث صحي عام، ويجب على مرافق المياه أن تعتمد تقسيماً صارماً للشبكات، وتشفيرها، وبروتوكولات لتوثيقها، بالإضافة إلى أن نظام المعلومات المسبقة عن علم يجب أن يدمج دون هوادة مع نظم مراقبة المنتجات الزراعية الخاصة والمصانع، التي يمكن أن تكون معقدة ومكلفة.

الحاجة إلى موظفين مهرة

ويتطلب نشر نماذج المعلومات المتعلقة بالمعارف وحفظها علماء البيانات أو مهندسين ذوي خبرة في مجال التعلم الآلاتي - وهو ما لا يزال نادر في صناعة المياه، وكثيرا ما تعتمد المرافق على البائعين الخارجيين، ولكن الاستدامة الطويلة الأجل تتطلب بناء معارف داخلية، وتزداد شيوع برامج تدريب المشغلين ومهندسي العمليات على أساسيات المعلوماتية، ولكن الفجوة في المواهب لا تزال تشكل تحديا.

القدرة على التفسير والثقة

وكثيرا ما يُعتبر العديد من نماذج التنفيذ المتقدمة، ولا سيما الشبكات العصبية العميقة، " صناديق سوداء " . وقد يكون العاملون والمنظمون مترددين في الثقة بنظام لا يمكن أن يفسر لماذا اختاروا جرعة كيميائية معينة.() ولا تزال تقنيات مثل " SHAP " (SHapley Additive exPlanations) أو " Lpreal Model-agnostic Explanations there " () قادرة على تحسين الشفافية.

" إن قطاع المياه في نقطة انطلاق، وسوف يصبح معياراً كقاعدة بيانات SCADA في العقد القادم، ولكن فقط إذا استثمرنا في البنية الأساسية للبيانات الأساسية وبناء الثقة من خلال التحقق الدقيق " - الدكتور جانيس هو، عالم البحوث، مختبر الابتكار في مجال المياه

]

الاتجاهات المستقبلية والتكنولوجيات الناشئة

ويتقدم الميدان بسرعة، مع حدوث عدة تطورات مثيرة في الأفق.

التواؤم الرقمية للفصل

والتوائم الرقمي هو نسخة افتراضية من أحواض الرسوبيات المادية التي تتلقى بيانات في الوقت الحقيقي وتدير ديناميات السوائل المحوسبة، ويمكن إدماجها في التوائم الرقمي لتحفيز سيناريوهات " ما - كيف " ، مثلا، أثر الزيادة المفاجئة في الكيمياء الراقية أو تغييرها، ويمكن للمشغلين اختبار استراتيجيات التحكم في بيئة افتراضية آمنة قبل نشرها في مصنع مأمون.

منظمة العفو الدولية (XAI) الموضحة لمعاملة المياه

وتنتج البحوث في مجال التنفيذ الموضح نماذج لا يمكن أن تنتج توصية فحسب بل أيضا العوامل الرئيسية التي تدفع تلك التوصية، وبالنسبة لتعديل الجرعة، قد يشير نموذج المعهد إلى أن السائق الرئيسي كان يرتفع في الاضطرابات النفوذية إلى جانب انخفاض درجة حرارة المياه، مما يبني ثقة المشغل ويبسط وثائق الامتثال.

الرقابة المستقلة

وستتجاوز نظم المستقبل المتعلقة بالتنقيب عن الطاقة التكيفي حداً بسيطاً إلى التحكم في التكيف المستقل تماماً، وباستخدام التعاضد، يمكن للمبادرة أن تحقق التوازن الدينامي بين تعدد الأهداف المتنازعة، ونوعية التكلفة الكيميائية، واستخدام الطاقة، والإنتاج غير المدفوع في الوقت الحقيقي دون تدخل بشري، وقد أظهرت الدراسات التجريبية الأولية في أجهزة توضيحية رائدة أن التنفيذ المستقل يمكن أن يحقق أداء في حدود 5 في المائة من مشغلي الخبراء الإنساني، ولكن مع فترات استجابة أسرع بكثير.

Edge AI and Low —Cost Sensors

وتتيح التطورات في الحوسبة الحادة لنماذج آي أن تعمل محليا على أجهزة صغيرة منخفضة الطاقة مباشرة في مصنع العلاج، دون الحاجة إلى إرسال بيانات إلى السحابة، مما يقلل من درجة الرطوبة ويحسن الأمن السيبراني ويخفض تكاليف الاتصالات، ويقترن ذلك بتطوير أجهزة استشعار منخفضة التكلفة وقوية (مثلاً، الاضطرابات البصرية، وأجهزة الاستشعار الصغيرة من طراز UV-254)، بل وسيؤدي إلى جعل نظم المعلومات المحلية ذات تكلفة متفاؤلية.

خاتمة

ولم تعد الاستخبارات الفنية مفهوماً لا جدوى منه لمعالجة المياه؛ فهي أداة عملية ومثبتة لتحقيق الاستفادة المثلى من عملية الرواسب، ومن خلال الاستفادة من البيانات في الوقت الحقيقي ومن خوارزميات التعلم الآلاتي، يمكن لمرافق المياه أن تحقق تحسينات كبيرة في نوعية المياه، وكفاءة استخدام المواد الكيميائية والطاقة، والاستقرار التشغيلي، وقد أظهرت عمليات التنفيذ في العالم الحقيقي من سنغافورة إلى كاليفورنيا إلى المملكة المتحدة وفورات بنسبة تتراوح بين 15 و30 في المائة في التكاليف الكيمائية، وفي تخفيضات كبيرة في السائل السائل.

غير أن النجاح في الاعتماد يتطلب تخطيطاً دقيقاً: الاستثمار في البنية التحتية للمستشعرات، وضمانات الأمن السيبراني، وبناء قدرات العاملين في المنشآت، ويبشر المستقبل بقدر أكبر بالتوأم الرقمي، والإيطالات الموضحة، والحساب الحاشف، مما يجعل مراقبة الرسوب الذكية متاحة لمجموعة أوسع من المرافق، حيث يصبح الطلب العالمي على المياه النظيفة أكثر صرامة، كما يصبح استخدام التدريب على أساس الترميز في جميع المجالات.

For further reading, explore the EPA’s Surface Water Treatment Rules], the ]American Water Works Association’s resources on AI in water, and recent research published in Water Research.]