傳統(tǒng)水處理過(guò)程常依賴(lài)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和人工計(jì)算，存在高能耗、高物耗、低效率問(wèn)題。人工智能水務(wù)系統(tǒng)能夠依據(jù)水質(zhì)、水量以及工藝條件等因素的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行智能決策和調(diào)控，對(duì)推動(dòng)水處理行業(yè)從“經(jīng)驗(yàn)治水”邁向“算法馭水”具有重要意義。

“水處理技術(shù)在低碳化與資源化領(lǐng)域的協(xié)同突破，關(guān)鍵在于與智能化技術(shù)的深度融合?！比涨?，在第Y12次香山科學(xué)會(huì)議上，中山大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院教授衡益分析，這意味著水處理技術(shù)的轉(zhuǎn)型升級(jí)需從追求單一技術(shù)點(diǎn)的革新，轉(zhuǎn)向依靠智能化實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化。

全鏈條賦能水處理過(guò)程

污水處理與再利用是實(shí)現(xiàn)水資源開(kāi)源增量的重要途徑。然而，水處理行業(yè)正面臨綠色低碳轉(zhuǎn)型的重大挑戰(zhàn)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授王威說(shuō)，污水本身具有重要資源屬性，但傳統(tǒng)處理過(guò)程常常會(huì)耗散污水中的多種能量，還將某些資源轉(zhuǎn)化為溫室氣體，且需額外投入能量和物質(zhì)。這使傳統(tǒng)水處理系統(tǒng)成為隱形的“能源消耗和碳排放大戶(hù)”。

在衡益看來(lái)，下一代水處理技術(shù)應(yīng)在低碳降耗工藝、資源回收及高效能源利用技術(shù)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)協(xié)同突破。這不僅依賴(lài)材料科學(xué)和工藝工程的進(jìn)步，更需要智能化技術(shù)深度介入，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工藝參數(shù)的優(yōu)化調(diào)控。

那么，人工智能技術(shù)究竟如何賦能水處理？

膜材料借助物理作用機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的精準(zhǔn)分離，兼具高效處理與環(huán)保特性，因而被廣泛應(yīng)用于水質(zhì)凈化、廢水處理等領(lǐng)域。南京工業(yè)大學(xué)教授孫世鵬介紹了納濾膜技術(shù)從基礎(chǔ)研究到工程應(yīng)用的全鏈條創(chuàng)新路徑。其團(tuán)隊(duì)建立軸向電荷分布傳質(zhì)模型，發(fā)現(xiàn)梯度電荷結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生內(nèi)建電場(chǎng)，顯著提升離子分離效率，據(jù)此研制出新型納濾膜。他著重提出，未來(lái)需引入機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水處理技術(shù)向精準(zhǔn)化與智能化跨越。

蘇州大學(xué)副教授羅玖團(tuán)隊(duì)則聚焦反滲透膜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，運(yùn)用三維高保真多物理場(chǎng)數(shù)學(xué)建模、高性能計(jì)算以及人工智能技術(shù)，提出基于超算的機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)高通量反滲透膜系統(tǒng)多尺度設(shè)計(jì)框架。該框架計(jì)算規(guī)模龐大，效率提升顯著，可大幅縮短設(shè)計(jì)周期，為膜過(guò)程優(yōu)化設(shè)計(jì)提供新思路。

除了膜材料與工藝方面的創(chuàng)新，催化過(guò)程也是人工智能賦能水處理的重要方面。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陳潔潔介紹，催化—生化耦合系統(tǒng)將化學(xué)催化與生物降解過(guò)程有機(jī)結(jié)合，兼顧處理效率與可持續(xù)性。該系統(tǒng)的優(yōu)化控制是關(guān)鍵，需平衡污染物去除率與能耗、碳排放。她說(shuō)，人工智能技術(shù)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與調(diào)控，并通過(guò)構(gòu)建預(yù)測(cè)模型，智能調(diào)整催化劑投加量等參數(shù)，從而有效降低能耗與溫室氣體排放。

在新污染物控制方面，中山大學(xué)教授楊欣介紹，高級(jí)氧化技術(shù)正走向多元化發(fā)展，而人工智能將在催化劑設(shè)計(jì)、機(jī)理解析和工藝優(yōu)化中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

材料與工藝的突破只是起點(diǎn)，唯有借助全流程智能決策工業(yè)大模型，才能將各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)在真實(shí)場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)最優(yōu)協(xié)同與效能最大化。

中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院副總工程師王浩正介紹，目前他所在團(tuán)隊(duì)研發(fā)的水工業(yè)大模型可實(shí)現(xiàn)供排水全流程覆蓋應(yīng)用：在供水管網(wǎng)漏損管理中，能精準(zhǔn)識(shí)別漏損并制定調(diào)控策略；在城市排水防澇管理中，可支持積水點(diǎn)預(yù)測(cè)、排水設(shè)施優(yōu)化調(diào)度以及應(yīng)急響應(yīng)。在具身智能體應(yīng)用上，團(tuán)隊(duì)正探索水工業(yè)大模型在空地網(wǎng)一體化巡檢、診斷與控制中的“大腦”作用，以及云邊端一體化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

智慧水務(wù)面臨三大挑戰(zhàn)

盡管人工智能在水處理領(lǐng)域已有部分應(yīng)用，但目前仍面臨多方面挑戰(zhàn)。

“什么是好模型？”“如何開(kāi)發(fā)好模型？”“如何讓人用好模型？”這些問(wèn)題引起了與會(huì)專(zhuān)家的熱烈討論。

在清華大學(xué)副研究員邱勇看來(lái)，科研界已建立多種水處理模型方法和工具，產(chǎn)業(yè)界也在積極應(yīng)用前沿技術(shù)。但上述三個(gè)問(wèn)題若得不到解決，將阻礙人工智能在水處理領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展。未來(lái)需進(jìn)一步打造垂類(lèi)模型，深化垂類(lèi)模型應(yīng)用，加大人工智能技術(shù)對(duì)水處理領(lǐng)域的滲透。

中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院副研究員殷逢俊介紹，在污水處理智能工藝研究中，純機(jī)理與純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能控制模型均存瓶頸，因此團(tuán)隊(duì)主張構(gòu)建機(jī)理—數(shù)據(jù)耦合驅(qū)動(dòng)模型，同時(shí)提出工藝可觀(guān)可控性分析方法，以解決耦合建模中的橋梁缺失問(wèn)題。

中山大學(xué)教授方晶云認(rèn)為，智慧水務(wù)面臨三大挑戰(zhàn)。一是基礎(chǔ)設(shè)施落后，現(xiàn)有設(shè)備數(shù)據(jù)在線(xiàn)采集能力弱，需逐步更新智能傳感設(shè)備。二是數(shù)據(jù)質(zhì)量差，需建立數(shù)據(jù)清理體系以支撐智慧決策。三是智慧平臺(tái)功能尚不完善，缺乏海量數(shù)據(jù)深度分析與預(yù)警能力，且全流程智慧決策大模型尚未成熟。她建議，應(yīng)推動(dòng)水處理與人工智能專(zhuān)家的深度協(xié)同，促進(jìn)模型精準(zhǔn)調(diào)優(yōu)與智慧水務(wù)進(jìn)化。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）研究員姜繼平進(jìn)一步分析，當(dāng)前數(shù)字孿生技術(shù)在工程應(yīng)用中的價(jià)值尚未充分釋放，面臨投入產(chǎn)出比失衡、硬件同步困難等挑戰(zhàn)。他提出三大突破方向：模型工程化，實(shí)現(xiàn)算法模塊標(biāo)準(zhǔn)化與認(rèn)證；軟硬件協(xié)同，構(gòu)建分布式邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)；水信息學(xué)內(nèi)核重構(gòu)，建立以效率最高、能量最低、系統(tǒng)最穩(wěn)定為第一性原理的決策體系。

蘇州大學(xué)教授王進(jìn)同樣認(rèn)為，數(shù)字孿生技術(shù)可為智慧水務(wù)發(fā)展帶來(lái)新思路，但現(xiàn)有智慧水務(wù)系統(tǒng)仍存在實(shí)時(shí)性不足、算法與平臺(tái)依賴(lài)國(guó)外、能耗偏高等問(wèn)題。他提出，可利用云邊協(xié)同計(jì)算降低帶寬消耗和網(wǎng)絡(luò)延遲，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)與強(qiáng)化學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)水處理“預(yù)測(cè)—優(yōu)化—控制”閉環(huán)。

此外，針對(duì)高校布局水處理相關(guān)工業(yè)軟件研發(fā)問(wèn)題，復(fù)旦大學(xué)教授陸帥提出的問(wèn)題直指核心：高校角色如何定位？產(chǎn)學(xué)研合力如何真正落地？廣州中望龍騰軟件股份有限公司研發(fā)總監(jiān)李士才以中山大學(xué)與該公司等聯(lián)合研發(fā)的FIND軟件為例說(shuō)，高校應(yīng)聚焦核心技術(shù)攻關(guān)，而企業(yè)應(yīng)提供場(chǎng)景與產(chǎn)品化支持，形成“學(xué)術(shù)創(chuàng)新—產(chǎn)品迭代”閉環(huán)。

天津工業(yè)大學(xué)研究員胡云霞進(jìn)一步分析，水處理技術(shù)創(chuàng)新需在清晰的邊界條件框架下推進(jìn)。當(dāng)下應(yīng)重點(diǎn)考慮成本與能耗等現(xiàn)實(shí)約束，未來(lái)還需預(yù)判能源、空間等條件變化。她建議，凝聚行業(yè)共識(shí)建立分層評(píng)估體系，形成適合國(guó)情的多元化技術(shù)路徑。

盡管挑戰(zhàn)重重，但人工智能在水處理領(lǐng)域的發(fā)展前景依然廣闊。與會(huì)專(zhuān)家們一致認(rèn)為，人工智能、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)正通過(guò)與傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)深度融合，為水處理行業(yè)智能化與綠色化發(fā)展注入強(qiáng)勁動(dòng)能。

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