欧洲研究合作，帮助设计智能水期货

一项新的欧洲合作，由ERC€1000万欧元的补助金，是一项任务，了解我们如何设计未来城市饮用水系统。我们与四名着名的欧洲科学家们谈到导致中货期货倡议，了解更多。

设计下一代城市水系统

世界将如何在未来面临着越来越多的气候变化，经济和人口压力的未来提供高质量的饮用水服务？

我们如何设计和创造下一代智能城市饮用水系统?

一个新的跨欧洲研究项目是一项任务，以找出这两个紧迫问题的答案。

由欧洲研究理事会(European Research Council)的协同拨款(Synergy Grant)资助，从2021年年中开始，总共提供1000万欧元，为期6年。

该项目名为“智能水的未来:设计下一代城市饮用水系统”，将由一个未来水团队领导，该团队结合了水科学、系统和控制理论、经济学和决策科学以及机器学习等方面的领先经验。

四位着名的欧洲科学家将领导水期货倡议，包括：

• Dragan教授Savić，荷兰KWR水资源研究所(KWR)首席执行官，英国埃克塞特大学水文信息学教授
• Barbara Hammer教授，Bielefeld大学机器学习组，德国
• 菲尔科雅典大学经济学教授Phoebe Kountouri教授
• Marios Polycarpou教授，KIOS卓越研究和创新中心主任，塞浦路斯大学电气和计算机工程教授。

该项目旨在为饮用水基础设施系统的配置和发展决策制定一个新的理论框架。目标成果之一包括将作为开源研究工具箱实施的综合决策和控制框架。

新的科学成果将应用于三种不同类型的城市水系统的案例研究:

• 成熟，相对稳定的系统
• 一个成熟且快速扩张的系统
• 一个具有高增长和特殊挑战的发展中国家的相对近期的供应系统，包括资源有限，间歇性供应和高潜水损失。

整体决策框架

该项目旨在将应对不可预测环境的长期水思维与实现更智能、更高效操作所需的短期决策结合起来。

Dragan教授说:“设计能够抵御未来的饮用水系统的挑战是所谓的“邪恶问题”之一，因为不完整、矛盾和不断变化的需求通常很难识别，所以很难或不可能解决。”Savić。

他列举了人口激增和减少的例子，作为对100年的长期水需求规划的不确定性的例子。

例如，中国深圳从一家30,000人的渔业镇上升到40岁以上的1300万居民的兆。与此同时，2019年日本的自然人口下降了50万人。

设计未来防水的水系统的挑战是所谓的“邪恶问题”之一，这些问题很难或不可能解决。

他补充说:“即使没有气候变化带来的不确定性，在规划城市水利基础设施的长期投资时，也很难考虑到这一点。”

首席执行官认为，需要为未来城市的水基础设施进行更全面和智能的决策框架。

“水基础设施的可持续规划和管理绝对是其中一个问题。例如，饮用水基础设施应该持续超过100年，但我们不知道他们所服务的城市如何发展，因此需求将改变100年，“他补充道。

以人为中心的方法

除了四项研究组织，水期货将通过生活实验室全球范围内聘用相关利益攸关方。

为了实施，它将通过共同开发必要的技术，政策和金融途径来利用系统创新方法来共同设计未来的城市水系统。

菲比·昆杜里教授说，关于“以人为中心的方法”，还有许多尚未解决的科学问题。

因此，研究人员将为“替代，更深入，对人类偏好和决策过程的结构，在私人和公共物品，短期和长期，风险和深处的替代方案，更深入，更加成熟的理解。不确定”。

“我们需要一个短期和长期决策的统一框架。”

这将包括“数学建模和（虚拟现实）实验验证，人们对公共物品的选择，例如基础设施和相关的经济社会环境成本和利益。这一过程将为水资源提供和定价产生新的见解”。

Kountouri说：“我们需要一个统一的短期决策框架。这必须整合时间和不确定性之间的相关性，并从更深入地了解人类偏好的结构。“

机器学习的三个突破

从机器学习的角度来看，该项目将实现三个突破:

• 促进实际“解释性”在机器学习中的意思研究
• 为了进步复杂的、非矢量的网络数据和机器学习的方法，将与控制理论和进化策略提供的技术相融合
• 通过观察短期和长期的水基础设施，展示机器学习方法在一个复杂问题中的潜力和挑战，以达到最大的实际意义。

“由于环境和需求的变化，我们将面临的问题将成为移动目标。比勒费尔德大学机器学习小组的芭芭拉·哈默教授表示:“我们需要设计出强大的方法，在持续变化的情况下应对这些不确定性。”

“此外，我们还需要处理一个非常复杂的问题，需要设计智能方法来解决计算复杂性和巨大的时间维度和广阔的空间范围。”

整合信息和通信技术

从技术角度来看，在物联网(IoT)框架下，各种类型的传感器和执行器的普及，再加上5G无线网络的推出，将有助于获取更多与水系统相关的数据。

Marios Polycarpou教授预测，在不久的将来，我们将看到资讯及通讯科技与水系统的广泛融合，形成一个庞大而复杂的“信息-物理系统”。

“该项目的关键目标之一是利用这些新的计算、传感和通信技术，开发用于监控和控制的智能自动化方法，这些方法随着传感器和执行器的增加或减少而不断发展。”

“最终，该项目将有助于下一代智能水系统的设计和运行。”

Polycarpou教授说:“最终，这个项目将有助于下一代智能供水系统的设计和运行，该系统将结合实时监测和控制，并具有长期的稳健性和灵活性，同时考虑到经济、社会、伦理和环境因素。”