王愛杰：水系統(tǒng)大數(shù)據(jù)――有“融”乃大

全康環(huán)保:隨著物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算等新一輪信息技術的迅速融入，水務數(shù)字化和智慧化已經(jīng)成為不可逆的大趨勢。哈爾濱工業(yè)大學環(huán)境學院教授王愛杰指出，水系統(tǒng)智慧化的基本邏輯架構(gòu)，從感知層、網(wǎng)絡層到應用層，從水物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)到云計算和智能融合技術應用，毫無疑問數(shù)據(jù)是邏輯的基底――因為獲得高質(zhì)量數(shù)據(jù)，是提取有效信息、形成新知識和決策智慧化的重要前提。百度智能云把智慧水務概括為設備智能化和管理智能化，這兩者有賴于決策智能化。他們認為大數(shù)據(jù)是決策智能化的核心，是智慧水系統(tǒng)的頂層設計。

一、大數(shù)據(jù)的概念與特征

美國國家標準與技術研究院提出了相對權威的定義，大數(shù)據(jù)指無法在一定時間范圍內(nèi)用常規(guī)軟件工具進行捕捉、管理和處理的數(shù)據(jù)集合，是需要新處理模式才能具有更強的決策力、洞察發(fā)現(xiàn)力和流程優(yōu)化能力的海量信息資產(chǎn)?？梢?，大數(shù)據(jù)具有科學和經(jīng)濟雙重屬性。大數(shù)據(jù)具備“5V”特征，即，Volume、Velocity、Variety、Value、Veracity。海量數(shù)據(jù)規(guī)模、高速數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)、多樣數(shù)據(jù)類型、低價值密度和真實性，是大數(shù)據(jù)的標簽。

二、大數(shù)據(jù)技術與思維

從科學屬性理解，大數(shù)據(jù)的“大”并非形容詞，而是動詞，也就是放大數(shù)據(jù)作為資產(chǎn)的價值。這正是大數(shù)據(jù)技術的戰(zhàn)略意義所在，即通過對海量數(shù)據(jù)進行專業(yè)化處理和“加工”，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的價值和“增值”。那么，如何處理和加工數(shù)據(jù)才能實現(xiàn)大數(shù)據(jù)的核心價值呢？大數(shù)據(jù)研究專家舍恩伯格指出，大數(shù)據(jù)思維最關鍵的轉(zhuǎn)變在于從自然思維轉(zhuǎn)向智能思維，使大數(shù)據(jù)像具有生命力一樣，獲得類似于“人腦”的智能，甚至智慧。因此，獲取大數(shù)據(jù)，需要突破常規(guī)的思考維度，發(fā)展“融合”的思維模式。大數(shù)據(jù)與工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等產(chǎn)業(yè)的深度融合，正代表和催生著一種全新文明形態(tài)的出現(xiàn)。

三、大數(shù)據(jù)技術的應用

以人工嗅覺為例，基于仿生原理，利用納米傳感器陣列芯片獲得大數(shù)據(jù)，結(jié)合人工智能算法平臺，可以讓機器具備人的嗅覺和感知力?？捎糜跉怏w泄漏診斷、揮發(fā)性污染物監(jiān)測等智慧感知系統(tǒng)。當然也完全可用于污水廠的臭氣監(jiān)測。這樣的融合思維模式，必然需要研究范式的支撐。因此，不同學科方法的融合用于大數(shù)據(jù)處理成為一種必然選擇。

王愛杰團隊開發(fā)了生物暗信息挖掘ROMIDAS系統(tǒng)。微型生物對于維持水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定性起著至關重要的作用，僅細菌和古細菌的細胞數(shù)量就高達1.2 × 1030個，可以繞地球3圈。然而，人類對水系統(tǒng)生物信息的認知嚴重缺失。2019年發(fā)表在Nature Microbiology的文章表明，全球污水廠活性污泥微生物組細菌約10億種，而我們能確定功能的還不足0.05%，其余信息仍為暗信息。ROMIDAS是一種新型傳感系統(tǒng)，連續(xù)流經(jīng)微流控室的活性污泥，相當于被標記了時間軸的連續(xù)樣本，可以原位無損地采集可量化的圖像數(shù)據(jù)。圖像數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)等單一維度信息，通過多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合，可獲得難以實時測量的“暗信息”，建立新的可量化指標，如污泥膨脹指數(shù)與水體富營養(yǎng)化指數(shù)等，并納入水系統(tǒng)狀態(tài)評估體系，從而將看不見的“暗信息”呈現(xiàn)為大數(shù)據(jù)源。

四、水系統(tǒng)大數(shù)據(jù)的意義

對于水系統(tǒng)而言，從生物信息到系統(tǒng)的功能，存在認知斷層。但是王堅院士曾指出：挖掘“暗信息”的目的是要顛覆認知，這正是大數(shù)據(jù)的科學價值體現(xiàn)。從數(shù)據(jù)、到信息、到知識、到?jīng)Q策，不僅僅是建立邏輯關聯(lián)的“接口”，更為重要的是，通過描述發(fā)生了什么、預測將發(fā)生什么、進而決策應該做什么，這才是智慧的內(nèi)核。而且，大數(shù)據(jù)的應用正在不斷打破學科的邊界，實現(xiàn)專業(yè)間數(shù)據(jù)的貫通與融合。比如，一個智慧管道的例子，通過融合3S、三維仿真、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等原理和方法，可以提供管道數(shù)據(jù)動態(tài)更新、智能監(jiān)控等服務。

依托人工智能技術研發(fā)的管道內(nèi)窺攝像檢測系統(tǒng)和缺陷自動判讀算法，可識別結(jié)構(gòu)性及功能性缺陷，實現(xiàn)缺陷空間定位。如接口損壞、異物堵塞、滲漏等，用于評估排水管道完整性和指導管網(wǎng)修復。不同學科數(shù)據(jù)融合，原生數(shù)據(jù)與此生數(shù)據(jù)迭代，會產(chǎn)生更“大”的數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式和更大的數(shù)據(jù)價值！以數(shù)字孿生賦能水廠為例，基于數(shù)字孿生引擎，可以對水廠不同工段關鍵參數(shù)進行監(jiān)測，結(jié)合智能模型，實時優(yōu)化工藝設備參數(shù)，實現(xiàn)智能投藥、精準曝氣，從而降藥耗、降碳耗、降碳排。

水業(yè)，密切關聯(lián)著能源、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑、交通等行業(yè)。水的循環(huán)流動，勢必牽引著數(shù)據(jù)在多個行業(yè)之間流動。無形之中，水業(yè)數(shù)據(jù)化身為行業(yè)之間信息的樞紐。水業(yè)的數(shù)據(jù)通過“跨界融合”，很可能在“智慧城市”的“政務平臺”上呈現(xiàn)出重要的經(jīng)濟價值與社會價值。例如，水環(huán)境實時監(jiān)測、水質(zhì)及污染治理等多要素的可視化分析，可以為政府的科學決策提供重要依據(jù)。從數(shù)據(jù)資源到數(shù)據(jù)資產(chǎn)，正是大數(shù)據(jù)的科學屬性與經(jīng)濟屬性交匯的具體體現(xiàn)。

大數(shù)據(jù)之“大”，關鍵是思維模式的“大”、研究范式的“大”和應用融通的“大”。大數(shù)據(jù)的大，充分體現(xiàn)了融合之道，是思維模式 的“融合”、是方法路徑的融合，更是行業(yè)發(fā)展理念的融合！其實，目前水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)還遠未達到“大數(shù)據(jù)”的程度。這是智慧水務平臺建設的一個痛點，但也正是我們的努力方向所在。我們堅信，大數(shù)據(jù)開啟了一個重大的時代轉(zhuǎn)型！未來社會的競爭，一定是對大數(shù)據(jù)的競爭！未來社會的繁榮，一定是因大數(shù)據(jù)所撬動的數(shù)字經(jīng)濟和生態(tài)文明而繁榮！