تصميم شبكات المياه لإيواء التكنولوجيات المستقبلية مثل المدن الذكية

المُختلِف لشبكات المياه التكيفية في مدينة سمارت

فالبنى التحتية للمياه الحضرية تقف في مفترق طرق، إذ أن شبكات المياه صُممت على مدى أكثر من قرن، كشبكات خطية ثابتة: المصدر، المعالجة، التوزيع، التسريح، غير أن ظهور تكنولوجيات المدن الذكية التي يُصنّعها الاستشعار عن بعد، والبيانات ذات الوقت الحقيقي، والاستخبارات الاصطناعية، والشبكة الآلية للمراقبة - تُعدّ أيضاً مشهداً أساسياً لكيفية إدارة المياه.

وترتفع المخاطر، إذ إن خطوط الأنابيب القديمة والنمو السكاني والجفاف والفيضانات الناجمة عن المناخ، والأنظمة البيئية الصارمة، وجميع مرافق الضغط التي تزاول المزيد مع أقل، ووفقاً لـ U.S.، فإن شبكة حماية البيئة ، تواجه شبكات مياه الشرب والمياه المستعملة في البلد بلايين الدولارات في احتياجات الاستثمار الرأسمالي خلال العقدين المقبلين.

التحديات الأساسية التي تتطلب فلسفة التصميم الجديدة

وقبل أن نمضي في الحلول، يجب أن نفهم القيود التي تدفع إلى إعادة تصميم شبكات المياه، وقد تم تحقيق أفضل النظم التقليدية في العمليات الثابتة للدول والتكرار الميكانيكي، غير أن المدن الحديثة الذكية تستحدث متغيرات لا يمكن أن تعالجها التصميمات الثابتة.

البنية التحتية وإدارة الأصول الناشئة

وقد تم تركيب العديد من نظم توزيع المياه في البلدان المتقدمة النمو قبل ما يزيد على 50 إلى 100 سنة، كما أن الأنابيب الحديدية والمحتوية على الأسبست تتآكل وتتطور التسرب وتتسبب في انقطاعات في الخدمات، وبدون تقييم في الوقت الحقيقي لحالة المياه، تعمل المرافق عمياء، وتُقدر رابطة تشغيل الأنابيب الأمريكية ] أن تكلفة استبدال أنابيب المياه في الولايات المتحدة وحدها ستنخفض إلى ثلاثة عقود.

Fluctuating demand and Climate Variability

وتشتمل المدن الذكية على ديناميكية السكان - على مقومات عمل مرنة، وعلى أحداث تخلق تسربات محلية في استخدام المياه، وفي الوقت نفسه، يؤدي تغير المناخ إلى تقاطع موجات الجفاف أطول مع عواصف حادة، مما يتحدى إدارة الإمدادات والمياه العواصف، كما أن التصميمات الهيدروليكية الواحدة تفشل في ظل هذه الظروف، وتحتاج الشبكات إلى قدرة يدوية على التكيف: القدرة على زيادة تدفقها في مقاطعة أخرى دون غيرها.

أمن الفضاء الإلكتروني وسيادة البيانات

ومع زيادة رقمنة شبكات المياه، أصبحت أيضا أكثر ضعفا، فقد حدثت بالفعل أكوام عن المهارة على مرافق المياه، من التلاعب عن بعد بالجرعات الكيميائية إلى نظم مسببة للاختلال في الفدية، وتعني تصميم التكنولوجيات المستقبلية توفير الأمن على مستوى المعدات والبرامجيات، وليس على سبيل التفكير بعد ذلك، ويشمل ذلك الاتصال المشفر بين أجهزة الاستشعار وآليات المراقبة، وتأمين الوصول إلى المواهب.

أهم أنواع شبكة المياه الذكية

وتتقاسم شبكات المياه التي تحمي المستقبل عدة خصائص أساسية تمكنها من استضافة التكنولوجيات الناشئة دون أن تتطلب إصلاحا شاملا للنظام.

رصد الوقت الحقيقي والتوائم الرقمية

(ب) استمرار حيازة البيانات هو العمود الفقري لإدارة المياه الذكية. وتوليد الكهرباء، ومقاييس التدفق، ومحللات نوعية المياه، وأجهزة الكشف عن التسرب الصوتي تشكل شبكة استشعار كثيفة تغذي التوائم المركزي [(FLT:0]) [(FLT:1]) - نسخة افتراضية دينامية من النظام المادي.

Valves and Pump Optimization

وتذهب الشبكات الحديثة إلى أيام التحول اليدوي، وتشمل صمامات سمارت مع مُلَكِّمات متكاملة ومركبات PLC تستجيب للقيادات من محرك مركزي مُتَفَقَّد، وتُعدِّل محركات الترددات المتقلبة على المضخات سرعة مطابقة للطلب بدقة، مما يُحدث زيادة في استهلاك الطاقة.

مبادئ التصميم المستدامة والمنشورية

وبالإضافة إلى ذلك، يجب أن تكون شبكات المياه الذكية مرنة بيئياً، وهذا يعني تصميم المياه المعاد استخدامها ]، ، وجني المياه العاصفة ، و[الاستصلاح في مجال الطاقة قابل للتكرار ، على سبيل المثال، يمكن إعادة استخدام المياه الصالحة للشرب في محطات الري الصناعية.

التكامل اللامع مع منابر المدن الذكية

A water network does not operate in isolation. It must exchange data with other municipal systems: the energy grid ( to optimize pumping during off-peak hours), transportation (to avoid water main breaks under roadways), and public safety (to issue boil-water advisories). Designing standardized APIs and open-data protocols from the starts costly retrofits later. The adoption of [FLT: 141]

استراتيجيات تصميم التكنولوجيات المستقبلية

وتستلزم ترجمة هذه السمات إلى واقع مبني نهجا مدروسا في مجال الهندسة والمشتريات، وتساعد الاستراتيجيات التالية على الاستثمار في المستقبل.

الهياكل الأساسية النموذجية والمقدرة

وينبغي أن تتفادى المرافق حلولاً احتكارية تغلق في تكنولوجيا محددة لمدة 30 عاماً، بدلاً من ذلك، اعتماد هيكل نموذجي: محطات الضخ التي يمكن أن تقبل وحدات إضافية، وخزائن التحكم ذات فتحات إضافية، وخطوط أنابيب ذات موانئ استشعارية متحركة، مما يتيح تحديثات تدريجية كمجسات جديدة، أو محركات أو أجهزة حاسوبية مجهزة على الحافة، مثلاً، يمكن إعادة تركيب صمامات جديدة اليوم.

تحليل البيانات المتقدم والتعلم في مجال الآلات

ولا جدوى من بيانات الاستشعار عن طريق الفم دون سياق، كما أن تصميم النظام لدعم ]العاملين في مجال تحليل الأشعة[ ]الجبهة[ ]الجبهة[: ١[ - تجهيز البيانات محليا للحد من عرض النطاق الترددي والتساهل، مثلا يمكن للمجس الصوتي أن يصنف الصوت، من تلقاء نفسه، كنقطة تسرب مقابل مركبة تمر باستخدام شبكة متفجرة مصممة مسبقا.

المواد الميسرة وطول الأصول

ويجب ألا تكتفي القراصنة والتجهيزات بالضغط الهيدروليكي فحسب، بل أيضاً تركيب أجهزة استشعار داخل الخط، والاهتزاز من البناء القريب، كما أن الحديد المزدوج، ومركبات الكربون الكلورية فلورية، وأجهزة الهرمونات الهوائية الهوائية، لا تزال شائعة، ولكن المواد المركبة الناشئة تتيح فترات أطول من العمر، ومقاومة أفضل لكيمياء المياه العدوانية، كما أن التكليفات التي تمنع تكوين المواد الاصطناعية من اختيار المواد.

إدارة الجهات المعنية التعاونية

ولا يمكن لأي منظمة بمفردها أن تبني شبكة مياه ذكية، وتشمل المشاريع الناجحة إقامة شراكات بين إدارات تخطيط المدن، والجهات التنظيمية البيئية، والبائعين في مجال التكنولوجيا الخاصة، والباحثين الأكاديميين، وممثلي المجتمعات المحلية، ويكفل الالتزام المبكر مواءمة معايير التصميم مع الخطط الرئيسية للمدينة الذكية الطويلة الأجل، وأن اتفاقات تقاسم البيانات قائمة، فعلى سبيل المثال، فإن مجلس المدن الصغيرة تشجع على وضع أطر للتعاون بين أصحاب المصلحة المتعددين.

دراسات الحالة: الرعاة في تنفيذ المياه الذكية

وقد بدأت عدة ولايات قضائية بالفعل تنفيذ الاستراتيجيات المذكورة أعلاه، مما يوفر دروسا قيمة لبقية الصناعة.

الإدارة المتكاملة للمياه في سنغافورة

وقد ظلت سنغافورة، وهي دولة ذات موارد محدودة من المياه الطبيعية، قائدة منذ فترة طويلة، وتعمل في إطارها (وكالة المياه الوطنية) نظاما متكاملا يجمع مياه الأمطار، ويستورد المياه من ماليزيا، وينتج مياها جديدة (الماء العالي التحصيل)، ويحلى مياه البحر، وترصد جميع المكونات عن طريق شبكة تضم آلاف أجهزة الاستشعار، وتغذية البيانات في مركز قيادة مركزي.

شركة برشلونة " التوابل الرقمية " للمياه والبحوث

وقد طورت شركة برشلونة للمياه، وهي شركة " أغواس دي برشلونة " ، توأم رقمي من دورة المياه بأكملها، بما في ذلك نظم التوزيع والمجاري، ويدمج التوأم بيانات SCADA، والصور الساتلية، وتقارير المواطنين لتحفيز سيناريوهات الطوارئ، ويحقق في أثناء الموجات الحرارية، التبريد الأمثل للمياه بالنسبة لمراكز البيانات، وبعد الأمطار الغزيرة، يحسبان معاً حجماً زائداً في البيئة الحقيقية.

نظام سان فرانسيسكو للكشف عن الأضرار والآفات

وقد نشرت لجنة المرافق العامة في سان فرانسيسكو أكثر من 000 100 متر ذكي في جميع أنحاء المدينة، إلى جانب عقد كشف التسرب الصوتي على خطوط الأنابيب الرئيسية، ويوفر النظام بيانات استهلاكية ساعة لكل من المنفعة والعملاء من خلال بوابة إلكترونية، وقد حدد تحليل البيانات المتعلقة بالمتر نمطاً من التدفقات الليلية التي كشفت عن تسرب غير مرئي، وقد قلصت الفائدة من المياه غير العائدة بنسبة تزيد على 20 في المائة في المناطق المستهدفة وأرجأت تحقيق وفورات مقررة عن طريق عقد من الزمن.

التكنولوجيات المستقبلية في الأفق

ويجب أيضا أن تتوقع شبكات المياه المصممة اليوم التكنولوجيات التي لا تزال قيد التطوير، بما يكفل عدم تجاوز الهياكل الأساسية قبل دفعها.

الروبوتات المستقلة

وقد أظهر الباحثون في كارنيجي ميلون ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا روبوتات تبحر الأنابيب المائية، وترسم خرائط لظروف الأنابيب، وتُجري إصلاحات طفيفة (مثلا، تطبيق الراتنجات على المفاصل) وستشمل الشبكات المقبلة مراكز للحجز حيث يمكن لهذه الروبوتات أن تعيد شحن البيانات وتحملها، وسيمكن تصميم الأنابيب باستخدام أدلة داخلية وبوابات في حفر الإنسان هذا الأسطول الآلي من العمل دون تعطيل الخدمات.

Blockchain for Water Transactions

ويمكن أن تؤدي عقود الذكاء في سلسلة من المتاجرة بالماء إلى التشغيل الآلي بين المستخدمين، مما يمكّن الزبائن الصناعيين من شراء المياه من المزارعين أثناء حالات النقص، مع قيام الشبكة تلقائيا بتعديل التدفقات وفواتيرها، مما يتطلب وجود بنية أساسية قياسية يمكن أن تؤدي إلى وجود قيادات صمامات تقوم على معاملات مبرمة، وفي حين أن المشاريع التجريبية في أستراليا وكاليفورنيا تظهر الوعود في أسواق المياه اللامركزية.

Energy Harvesting from the Network

ويمكن أن تولد الاضطرابات داخل البقعة والأجهزة الفائقة الفطائر الكهرباء من طاقة تدفق المياه ومستشعرات الطاقة والملاجئ بدون البطاريات، كما أن تصميم الشبكات التي لها مسارات تدفق خاضعة للمراقبة (مثل القنوات الالتفافية) يتيح تركيب أجهزة الحصاد هذه دون الحد من الضغط على مستخدمي المجرى العلوي، ويمكن لهذا الابتكار أن يجعل نقاط الرصد البعيدة مكتفية ذاتياً منذ عقود.

السياسات والمعايير والاعتبارات الاقتصادية

فالتصميم التقني وحده غير كاف، إذ يجب على المرافق أن تلغي قواعد الاشتراء وآليات التمويل والأطر التنظيمية التي كثيرا ما تتخلف عن الابتكار.

اعتماد معايير مفتوحة بشأن قابلية التشغيل البيني

وتغلق النظم الأساسية المرافق في النظم الإيكولوجية الوحيدة العشار، وترفع التكاليف الطويلة الأجل وتحد من خيارات الترفيع، وترسيخ المعايير المفتوحة مثل نظام الأفضليات المعمم للاتصال الصناعي أو شبكة المياه لأغراض القياس التي يمكن للمستشعرين من مختلف المصنعين أن يتبادلوا البيانات دون هوادة.

تمويل تحسين المياه الذكية

ويمكن أن تكون التكلفة الرأسمالية للهياكل الأساسية الذكية باهظة، غير أن العديد من المرافق ترى أن فترة الانتكاس أقصر مما كان متوقعا بسبب انخفاض فقدان المياه، وانخفاض فواتير الطاقة، ومشاريع رأس المال المؤجلة، وتشمل البدائل عقودا قائمة على الأداء تُدفع من المدخرات، وسندات خضراء تجتذب المستثمرين الأثر، كما أن البرامج الاتحادية مثل قانون الولايات المتحدة لتمويل الهياكل الأساسية المائية والابتكارات يمكن أن تقدم قروضا منخفضة الفائدة للمشاريع الابتكارية.

تطوير القوى العاملة وإدارة التغيير

وتتطلب شبكات المياه الذكية مجموعة مهارات مختلفة: علماء البيانات، ومحللو الأمن السيبراني، ومهندسون آليون إلى جانب المهندسين المدنيين التقليديين، ويجب أن تستثمر المرافق في تدريب الموظفين الحاليين وتوظيف مواهب جديدة، فخلق ثقافة تبنى عملية صنع القرار على أساس البيانات بدلا من الشعور بالجمود هو في كثير من الأحيان الجزء الأصعب من التحول، بدءاً بمشروع تجريبي صغير، مثل منطقة ضغط واحدة ذات صمامات ذكية - أقل.

الخلاصة: الذكاء في المياه غدا

ولا يتعلق تصميم شبكات المياه لاستيعاب التكنولوجيات المستقبلية بالتنبؤ بالشكل الدقيق للمدن الذكية منذ الآن، بل يتعلق ببناء أساس مرن ومتكيف ومفتوح، وبإدماج الاستشعار والتشغيل الآلي والقدرة على التكيف في صلب نسيج البنية التحتية، يمكن للمرافق أن تعتمد بشكل معقول ابتكارات عند ظهورها - من الكشف عن التسرب بواسطة أجهزة الاستنشاق إلى عمليات إصلاح مستقلة لأسواق المياه اللامركزية.

فالمدن التي تستثمر في هذه المبادئ اليوم لن تتجنب فقط إعادة الانعكاسات المكلفة بل ستتمتع أيضا بالوفورات التشغيلية الفورية، وبخدمة أفضل للمقيمين، وبسجل بيئي أقوى، فالماء هو أهم مورد للحياة الحضرية، والشبكة الذكية هي النظام العصبي الذي يبقيه يتدفق، وقد حان الوقت لإعادة تصميم المستقبل.