墨西哥有超過(guò) 1.2 億人口，全國(guó)安裝了數(shù)千個(gè)飲水機(jī)，為人們提供高效、一流的飲水服務(wù)。然而，通過(guò)在廣大地理區(qū)域內(nèi)的飲水機(jī)提供安全的供水，需要強(qiáng)大的技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)確保水的供應(yīng)和質(zhì)量，從而保護(hù)公眾健康。

在本文中，我們概述了如何部署物聯(lián)網(wǎng) (IoT)、人工智能 (AI) 和機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 來(lái)開發(fā)基于數(shù)學(xué)算法的預(yù)測(cè)系統(tǒng)，以確保水的可用性并預(yù)測(cè)流過(guò)的水的質(zhì)量城市的管道。此外，我們還討論了系統(tǒng)的預(yù)測(cè)性方面如何預(yù)測(cè)必要的維護(hù)服務(wù)，以提高供應(yīng)鏈效率，這要?dú)w功于對(duì)來(lái)自官方來(lái)源的結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化信息的分析以及來(lái)自物聯(lián)網(wǎng)傳感器的測(cè)量結(jié)果。

在此過(guò)程中，維護(hù)人員更有可能根據(jù)需要擁有對(duì)物理水系統(tǒng)進(jìn)行維修和升級(jí)所需的零件和用品。

測(cè)量水的狀態(tài)和質(zhì)量

為了測(cè)量該國(guó)主要城市和大都市地區(qū)的水資源可用性，NDS 認(rèn)知實(shí)驗(yàn)室實(shí)施了多個(gè)連接到 SigFox 網(wǎng)絡(luò)的傳感器。這些機(jī)械傳感器專注于測(cè)量水系統(tǒng)的三個(gè)主要屬性：體積、壓力和流量。借助這個(gè)支持物聯(lián)網(wǎng)的平臺(tái)，數(shù)據(jù)團(tuán)隊(duì)收集了有關(guān)全國(guó)不同飲水機(jī)、管道和水箱中可用水的第一手?jǐn)?shù)據(jù)。作為傳感器的補(bǔ)充，微控制器和內(nèi)存存儲(chǔ)可提高系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

每個(gè)模塊在本地存儲(chǔ)在定義的采樣間隔內(nèi)發(fā)生的每個(gè)用水事件的信息，在本例中為 10 分鐘，確認(rèn)現(xiàn)在是準(zhǔn)確讀取數(shù)據(jù)以推斷全天用水模式的正確時(shí)間。在此間隔結(jié)束時(shí)，包含記錄數(shù)據(jù)的報(bào)告通過(guò) SigFox 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街醒爰€器，并開始新的采樣間隔。

發(fā)送來(lái)自模塊的信息后，SigFox 平臺(tái)會(huì)處理數(shù)據(jù)，包括同步、錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正，以及將其重新傳輸?shù)?NDS 認(rèn)知實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，其中配置了 Azure IoT 中心端點(diǎn)來(lái)接收信息。

為了正確接收和存儲(chǔ)來(lái)自 SigFox 平臺(tái)的數(shù)據(jù)，配置的 API-KEY 用作發(fā)送的 HTTP 請(qǐng)求的標(biāo)頭。數(shù)據(jù)消息的正文具有以下 JSON 格式：

在 Azure IoT 中心接收到信息后，將執(zhí)行 Azure 函數(shù)來(lái)預(yù)處理接收到的數(shù)據(jù)并將其插入 NoSQL 數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)用作預(yù)測(cè)和分析平臺(tái)的信息源。具體來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)使用 CosmosDB 和 MongoDB 驅(qū)動(dòng)程序。

圖 1：包括所有功能和組件的系統(tǒng)架構(gòu)，從物聯(lián)網(wǎng)傳感器到用戶網(wǎng)絡(luò)。

預(yù)測(cè)性維護(hù)能力和優(yōu)勢(shì)

收集和分析這些信息后，開發(fā)團(tuán)隊(duì)繼續(xù)進(jìn)行項(xiàng)目的第二個(gè)挑戰(zhàn)，即預(yù)測(cè)水質(zhì)和必要的設(shè)備維護(hù)。

為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，數(shù)據(jù)團(tuán)隊(duì)從官方政府來(lái)源、聯(lián)邦、州和市政辦公室以及負(fù)責(zé)墨西哥水系統(tǒng)的政府辦公室 (CONAGUA) 的數(shù)據(jù)庫(kù)以及從私人組織，例如獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室。該信息具有不同的格式和時(shí)間性，因此，除了提取信息外，還對(duì)信息進(jìn)行分析以獲得各種水量指標(biāo)，從而準(zhǔn)確顯示特定地理點(diǎn)的質(zhì)量。

預(yù)測(cè)功能專注于預(yù)測(cè)安裝在飲水機(jī)、深管和水箱中的過(guò)濾器和傳感器的維護(hù)。它采用線性回歸模型，該模型考慮了物聯(lián)網(wǎng)傳感器獲得的不同關(guān)鍵變量，例如壓力、體積、流量、過(guò)濾器壽命、該地區(qū)的水質(zhì)和運(yùn)行條件。

同樣，通過(guò)這些分析，該平臺(tái)建議使用最適合每個(gè)地理位置的條件和需求的某些類型的過(guò)濾器，同時(shí)考慮到更高的容量、反滲透、體積、壓力、水的質(zhì)量、使用壽命過(guò)濾器等參數(shù)。這樣，該系統(tǒng)就是否需要關(guān)閉飲水機(jī)、進(jìn)行維護(hù)、更換或添加過(guò)濾器或任何其他必要的維修提供建議，以確保公眾的水質(zhì)和可用性

在沒有傳感器的地理點(diǎn)的水質(zhì)預(yù)測(cè)功能是可靠地向公眾提供安全飲用水的另一個(gè)挑戰(zhàn)。為此，開發(fā)團(tuán)隊(duì)使用了克里金算法，這是一種插值方法，能夠使用從樣本和非結(jié)構(gòu)化信息中獲得的數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)地理點(diǎn)中的變量，從而以盡可能小的方差獲得最佳的線性和無(wú)偏估計(jì)。

系統(tǒng)的預(yù)測(cè)功能基于國(guó)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求的 17 個(gè)因素：電導(dǎo)率、水 pH 值、糞便大腸菌群、總大腸菌群、溶解固體、濁度、硫酸鹽、氟化物、砷、錳、鉛、鐵、汞、鉻、鎘、硝酸鹽和總硬度（由碳酸鹽或碳酸氫鹽形式的鈣、鎂、鍶和鋇離子引起的單個(gè)硬度的總和）。

為了預(yù)測(cè)供水系統(tǒng)中沒有可用樣本的點(diǎn)的上述每個(gè)參數(shù)的值，機(jī)器學(xué)習(xí)模型用于 17 個(gè)參數(shù)中的每一個(gè)。這些模型經(jīng)過(guò)訓(xùn)練并以可重復(fù)使用的格式存儲(chǔ)，在推理過(guò)程中應(yīng)用（新點(diǎn)的預(yù)測(cè)）。

對(duì)于水質(zhì)的估計(jì)，重要的是不僅要考慮附近地理點(diǎn)的先前測(cè)量值，還要考慮來(lái)自官方政府來(lái)源、聯(lián)邦、州和市政辦公室的信息，以及來(lái)自政府辦公室的數(shù)據(jù)庫(kù)。墨西哥的水系統(tǒng) (CONAGUA) 以及獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室等私人組織。

通過(guò)分析來(lái)自樣本的結(jié)構(gòu)化信息以及來(lái)自政府和私人來(lái)源的非結(jié)構(gòu)化信息，該系統(tǒng)能夠提供最準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。由于使用了這些技術(shù)、算法和分析，平臺(tái)的準(zhǔn)確率達(dá)到了 91% 以上，這意味著系統(tǒng)可以檢測(cè)到 91% 的管道、飲水機(jī)和水箱出現(xiàn)問(wèn)題的實(shí)例，實(shí)現(xiàn)更快、更準(zhǔn)確的維護(hù)工作，以維持公眾用水的質(zhì)量和可用性。

數(shù)據(jù)可視化和 IAM 協(xié)議

為了顯示收集到的所有信息以及預(yù)測(cè)和分析，開發(fā)團(tuán)隊(duì)使用 Flask 框架和 Python 作為后端的編程語(yǔ)言，創(chuàng)建了一個(gè)作為 REST API 的 Web 應(yīng)用程序。該平臺(tái)的前端是使用 AngularJS 開發(fā)的，AngularJS 是一種用于 Web 開發(fā)的 Javascript 框架，具有完全響應(yīng)式設(shè)計(jì)，可以平滑地適應(yīng)不同的設(shè)備，例如筆記本電腦、平板電腦和智能手機(jī)。

為了可視化數(shù)據(jù)，各種信息層用于不同的目的和負(fù)責(zé)系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)內(nèi)的人員角色。專業(yè)展示的重點(diǎn)示例包括飲用水質(zhì)量層、社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)層（其中包括沒有飲用水服務(wù)、沒有接入電網(wǎng)、沒有鋪路和邊緣化指數(shù)的房屋）、水資源壓力可用性層、實(shí)驗(yàn)室層、飲水機(jī)層和廢水質(zhì)量層（后者的信息以 KMZ 格式獲取每個(gè)已建立的參數(shù)，并從墨西哥負(fù)責(zé)水系統(tǒng)的政府辦公室的數(shù)據(jù)庫(kù)中獲?。eo-JSON 格式用于在地圖平臺(tái)上呈現(xiàn)和可視化信息層，屬于谷歌地圖。

圖 2：通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)傳感器（測(cè)量）和估計(jì)值（通過(guò)克里金算法）顯示優(yōu)質(zhì)水位置的用戶界面。

為了提高用戶體驗(yàn)和平臺(tái)功能，利用信息過(guò)濾器，包括當(dāng)前水狀態(tài)（重污染、污染、壞、好、優(yōu)）、具體信息參數(shù)、污染半徑（通過(guò)使用熱圖）、信息源（取決于不同的傳感器）或可定制的信息層組合。

圖 3：用戶界面顯示以溶解固體計(jì)的水質(zhì)熱圖。

最后，身份和訪問(wèn)管理 (IAM) 流程由 Auth0 服務(wù)啟用，定義了不同的角色和用戶類型。每個(gè)角色都被分配了一組特定的訪問(wèn)權(quán)限和權(quán)限，允許其僅訪問(wèn)與其對(duì)應(yīng)的信息，從而確保信息的機(jī)密性并促進(jìn)平臺(tái)對(duì)每個(gè)角色的有效性。由于通過(guò)系統(tǒng)聚合了大量數(shù)據(jù)，因此用戶必須配備工具來(lái)過(guò)濾與其特定工作職能無(wú)關(guān)的信息。

結(jié)論

隨著該項(xiàng)目的全面部署，現(xiàn)在可以識(shí)別和預(yù)測(cè)任何市政當(dāng)局何時(shí)需要在水系統(tǒng)中安裝新的過(guò)濾器以保持水質(zhì)和可用性。該系統(tǒng)帶來(lái)了多重好處，例如降低維護(hù)成本、增加系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間，最重要的是，確保向城市周圍有需要的人提供安全可靠的供水。

這個(gè)項(xiàng)目對(duì)墨西哥來(lái)說(shuō)非常重要，因?yàn)樗砹宋锫?lián)網(wǎng)、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)的使用，以及基于算法和數(shù)據(jù)科學(xué)的預(yù)測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)用于飲用水等常見事物。提供，最重要的是，維持城市或國(guó)家飲水機(jī)的供水服務(wù)需要強(qiáng)大的技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，以保障公眾健康。

審核編輯 黃昊宇