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研究人员开发下水道AI智能调度系统

|原发: 前瞻网

放大 缩小

气候变化导致了自然灾害发生得越来越频繁,如干旱、洪灾及特大台风等天灾几乎已经成了每一年的"常客"。而这些大自然的"报复"也正在迫使人们花费更多的代价去预防或弥补损失。


据英国国家环境局称,英国每年需要花费10亿英镑用于洪水管理,以避免气候变化带来的最严重后果。该组织主席艾玛•博伊德(Emma  Boyd)表示,"我们不可能通过建立无限度的高防洪体系来消除气候变化,从而赢得一场对抗水的战争。"


英国每隔几年就会发生严重的洪水,因此洪水管理的方式可能会对洪水造成的破坏程度产生重大影响。


海岸防御——包括海堤、缓冲区和疏散计划——可以帮助保护城镇免受风暴潮的洪水侵袭。但是雨水过多导致的内陆洪水需要更细致的解决方案。


几个世纪以来,人类一直在改变河流、小溪和运河等河道,每一次改变都会影响到洪水对地面造成的影响。时至今日,人工智能(AI)可以利用数据来帮助决定水应该如何流入人类住区和周围,以避免洪水的最坏影响。


下水道中的人工智能


在城市里,每条排水沟都是调节水流的机会。据英媒报道,在谢菲尔德大学(University of  Sheffield),研究人员创建了CENTAUR系统(降低城市洪水风险的低成本神经技术),该系统使用人工智能来管理城市中的水流。


该系统的工作原理是在下水道网络中安装"闸门",可以控制水从下水道网络的一个部分流向另一个部分。此外,还安装了传感器,以监测闸门两侧的水位。


它的目标是利用这些复杂的计算技术,结合特别设计的流量控制装置,在洪水风险高的时候,通过优化现有的管道内可用容量来衰减和储存水,从而在局部平衡洪水风险。


在极端天气情况下,闸门可以远程控制,以防止重要地区发生洪水。例如,如果网络的一部分开始向下游漫水,系统可以检测到水位上升并关闭上游的闸门,从而减缓水流,或将其分流到有剩余容量的下水道的其他部分,从而防止水溢出街道。


这所大学的研究人员实现的"智能"部分,是创建能够独立于人类管理这些系统的计算机软件,并从错误中学习。


该系统将完全自主,不需要中央控制。每个CENTAUR都将运行自己的本地传感器网络,传感器不仅用于通知本地控制,还将收集数据,使系统能够自我学习。


该控制系统利用模糊逻辑——一种解释不确定条件(如实际水位)并在这些情况下做出决策的方法。


模糊逻辑


模糊逻辑是多值逻辑的一种形式,其中变量的真值可以是包括0和1在内的任意实数。


模糊模型或集合是表示模糊和不精确信息的数学手段,因此术语模糊。这些模型具有识别、表示、操作、解释和利用模糊和缺乏确定性的数据和信息的能力。


模糊逻辑已经被应用到从控制理论到人工智能的许多领域,在一些实际案例中也能见到它的身影。


比如,一个具有5级模糊逻辑系统的空调系统通过比较室温和目标温度值来调节空调温度。


这还包括:


汽车系统中的自动变速箱、四轮转向、车辆环境控制;


消费电子产品中的高保真音响系统、影印机、视讯摄影机、电视;


国内商品中的微波炉、冰箱、烤面包机、真空吸尘器、洗衣机;


环境控制中的空调、烘干机、加热器、增湿器等。


CENTAUR系统的局限之处


CENTAUR系统已经在葡萄牙科因布拉(2017)和法国图卢兹(2018)的试点安装中被证明是成功的。它的成本相对较低,为数万欧元,这意味着它可以很容易地纳入现有的防洪计划。不过该系统也有局限性:如果一个城市的下水道没有多余的储水容量,那么用人工智能以这种方式管理它们将收效甚微。


防汛的主要问题是水总得有个去处。在小洪水中,水可以被分流,这样就不会有地方被淹没。但在大洪水期间,首要任务不是完全预防洪水,而是管理哪些地区的洪水,并限制对人、财产和关键基础设施所造成的威胁程度。


通常的防洪策略是将洪水从城市地区转移到农村农田和人口较少的地区。要做到这一点,人们要么通过部分阻塞河流将水从城市地区上游截留,要么通过疏浚或扩张河流,鼓励水更迅速地向下游流动。


虽然创新的洪水管理系统如CENTAUR,可以帮助保护生活在城市地区的人们免受洪水的侵袭,但它并不是万能的。洪水中的水总是要被分流。


如何决定哪些社区能更好地抵御洪水,哪些社区的防御能力有限?这些决策有可能使社区之间产生矛盾。这就是为什么这些高级决策不能留给人工智能来处理。


关于自然灾害的解决方案的这些讨论不仅对英国、而且对世界各国也将有着重大意义。对一些国家来说,牺牲经济效益进行环境保护的成本将非常高,然而对另一些国家来说——比如受到暴风雨和海平面上升洪水威胁的马尔代夫——不采取行动的代价则更大。


人工智能技术可以帮助减轻气候变化的后果,在问题根源得到有效遏制之前,不失为一个行之有效的办法。


(编辑:于思洋


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