هوش مصنوعی چگونه مدیریت آب را تغییر می‌دهد

 آب از مهم‌ترین عوامل ضروری ادامه حیات در سیاره زمین است. با این حال، از سال‌های گذشته تاکنون، اهمیت مدیریت این منبع مورد غفلت واقع شده است. با افزایش نگرانی‌ها از روند سریع و ناگهانی وقوع خشکسالی‌ها و سایر شرایط کم آبی در نقاط مختلف جهان، دانشمندان به دنبال شیوه‌های نوین جهت مدیریت منابع آب هستند. پژوهشگران دریافته‌اند که باید رویکرد نوینی را جهت طراحی و نگهداری سیستم‌های مدیریت منابع آب موجود اتخاذ کنند.

در حال حاضر هوش مصنوعی به عنوان یکی از همین شیوه‌های نوین در مراحل ابتدایی رشد خود در مدیریت منابع آب است، که نمونه‌های اولیه کاربرد آن نوید بخش آینده روشن این فناوری است.

کارشناسان هوش مصنوعی معتقدند این فناوری پتانسیل ایجاد تحولات گسترده در زمینه اقتصاد و بهره‌وری صنعت آب در مواقع افزایش تقاضای آب را دارا است.

اولین قدم در هر پروژه هوش مصنوعی صنعت آب، ایجاد قوانینی در رابطه با نوع داده‌های جمع‌آوری شده است. به طور کلی کیفیت داده‌ها یکی از مهم‌ترین عوامل ایجاد یک سیستم هوش مصنوعی پویا است.

هوش مصنوعی می‌تواند به روش‌های مختلفی تعریف شود، اساساً تجزیه و تحلیل پیشرفته داده‌ها توسط یک کامپیوتر بسیار بیشتر از آن چیزی است که انسان به تنهایی قادر به انجام آن است. هوش مصنوعی الگوها را در داده‌ها شناسایی کرده و به طور مداوم روابط بین متغیرها را شناسایی می‌کند.

این فناوری همکاری بین انسان و ماشین را وارد مرحله جدیدی می‌کند، همچنین باعث می‌شود که نیروی متخصص روی فرآیندهایی با ارزش بالاتر متمرکز شوند و تجزیه و تحلیل‌های انجام شده توسط هوش مصنوعی را مورد بررسی قرار دهند.

در مبحث مدیریت منابع آب، قابلیت مواجهه با چالش‌های پیش رو با استفاده از هوش مصنوعی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. منابع آبی در سطح جهان با چالش‌های عمده‌ای از جمله رشد فزونی جمعیت، تغییرات شدید الگوهای اقلیمی و زیرساخت‌های فرسوده و ناکارآمد مواجه هستند.

بر اساس گزارش یونسکو، پیش بینی می‌شود تا سال ۲۰۲۵ نزدیک به دو میلیارد نفر در جهان با کمبود مطلق آب مواجه شوند. از این رو مدیران سیستم‌های آب در حالی که با مشکلات اساسی جهت تأمین هزینه تعمیرات سیستم‌ها و زیر ساخت‌ها دست و پنجه نرم می‌کنند، با یک نبرد دائمی جهت کاهش این معضلات و رعایت استانداردهای دقیق در راستای محافظت از سلامت عمومی جامعه و محیط زیست روبرو هستند.

هوش مصنوعی و کارآمدی سیستم‌های «آب دیجیتال»

بر خلاف تصور عموم که گمان می‌کنند، آبی که هر روز از شبکه‌های لوله کشی منازل عبور می‌کند، فقط یک آب معمولی است اما با یک نگاه واقع بینانه متوجه می‌شویم این آب حاوی اطلاعات بسیار ارزشمندی است که به‌طور متوالی در کنار آن جریان دارد. امروزه بسیاری از ناکارآمدی‌های سیستم‌های آبرسانی به صورت متوالی با استفاده از سیستم‌های تحلیلی مبتنی بر هوش مصنوعی مجهز به حسگرهای اینترنت اشیا بررسی می‌شود، که ترکیبی به اندازه کافی قدرتمند جهت پیگیری، پیش‌بینی و پاسخگویی مستمر به سطوح تقاضای منابع آبی را ایجاد می‌کنند.

در حال حاضر از سیستم‌های تحلیلی به عنوان مؤثرترین و کارآمدترین روش‌های مدیریت منابع آب یاد می‌شوند. از سیستم‌های تحلیلی مبتنی بر هوش مصنوعی که به صورت گسترده به عنوان «مدیریت هوشمند منابع آب» یا «آب دیجیتال (آبی است که با تجزیه و تحلیل داده‌ها، مدل‌های رگرسیون و الگوریتم‌های احتمالی مدیریت می‌شود)» عنوان می‌شوند، هوش مصنوعی را در بطن شیوه نوظهوری جهت مدیریت منابع آب قرار می‌دهد.

این سیستم‌های تحلیلی، اطلاعات اولیه و هر عاملی که در سراسر سیستم جریان دارند را مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌دهند، در عین حال عناصر یادگیری ماشینی امکان ارائه بهترین پاسخ به محیط پیرامونی را فراهم می‌کنند.

در حال حاضر از هوش مصنوعی جهت مدیریت بی وقفه و همه جانبه خدمات شهری (آب، برق، یرساخت‌های آبی و …) استفاده بی شماری می‌شود. از مزایای دیگر این ابزار می‌توان به یکپارچگی و پایداری، امکان به روز رسانی جهت تطبیق با شرایط خاص و در نهایت مقرون به صرفه بودن اشاره کرد.

نتایج پژوهش‌هایی که توسط Silo.AI و Ramboll صورت گرفته است، نشان می‌دهد که پروژه‌های آزمایشی پتانسیل استفاده از رویکرد هوش مصنوعی را اثبات کرده اند.

آن‌ها در این پروژه‌های آزمایشی از زیرساخت‌های اینترنت اشیا جهت کنترل بهینه عملیات روزانه آب، ارزیابی و جلوگیری از حوادث احتمالی استفاده کردند.

در نهایت عنوان کردند، با ایجاد و استفاده از سیستم‌های هوش مصنوعی امکان تجزیه و تحلیل داده‌ها فراهم می‌شود که متعاقباً اپراتورهای انسانی در این مورد آزاد شده تا بر فرآیندهای شناختی مانند اعتبارسنجی و پایش تجزیه و تحلیل‌های هوش مصنوعی تمرکز کنند.

همچنین به تازگی شرکت آب استرالیا ملبورن واتر نتایج پژوهش‌های خود در رابطه با کاربرد هوش مصنوعی جهت عملیات تصفیه و تأمین آب را منتشر کرده است که نشان می‌دهد چطور با استفاده از هوش مصنوعی و بدون نیاز به اپراتور انسانی، استفاده بهینه از پمپ‌ها و دستگاه‌های مورد استفاده در فرآیند تصفیه و تأمین آب را کالیبره کرده اند. آنها اذعان کردند که کاربرد هوش مصنوعی باعث صرفه جویی در هزینه انرژی به میزان ۲۰ درصد در شرکت مادر، شده است.

هوش مصنوعی و مقابله با هدررفت منابع

هوش مصنوعی علاوه بر کاربرد در زمینه ارزیابی دقیق منابع آبی و تأمین تقاضای آب، به ابزاری ضروری جهت جلوگیری از هدر رفت آب تبدیل شده است. مسئله هدر رفت آب در کشورهایی که دچار تنش آبی هستند؛ از جمله بسیاری از مناطق خاورمیانه و شمال آفریقا که در آن فقط ۶۰ درصد از کل جمعیت دسترسی کافی به آب آشامیدنی سالم و بهداشتی را دارند، از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

با هر لیتر آبی که در اثر نشتی، ترکیدگی لوله و سایر خرابی‌های شبکه لوله کشی هدر می‌رود، می‌توان جان یک انسان را نجات داد و یا شرایط زندگی او را بهبود بخشید.

در جهان کنونی مسئله هدر رفت آب از سطح منطقه‌ای و ملی فراتر رفته و به یک چالش جهانی تبدیل شده است. گزارشات نشان می‌دهند که در ایالات متحده روزانه ۷ میلیارد گالن آب آشامیدنی هدر می‌رود. با عنایت به لزوم کاهش چنین اتلاف شدیدی، هوش مصنوعی به طور گسترده‌تری جهت تجزیه و تحلیل جریان‌های آبی در مواقع بحرانی، ارسال هشدارها، و غیر فعال کردن سیستم‌ها به صورت خودکار در هر زمانی که با نشتی و تخریب مواجه شد، استفاده می‌شود.

این رویکرد از هدر رفت آب جلوگیری کرده و باعث صرفه جویی در هزینه‌های عملیاتی می‌شود، بدین صورت که در کسری از زمان به تغییرات ایجاد شده در سیستم واکنش نشان می‌دهد.

کشاورزی هوشمند و هوش مصنوعی

هوش مصنوعی در قلب استفاده کارآمد از آب در مزارع نسل بعدی است. بر اساس گزارش بانک جهانی، حدوداً ۷۰ درصد از منابع آبی در سطح جهان در بخش کشاورزی مصرف می‌شوند، این امر بخش کشاورزی را بزرگترین مصرف کننده آب تبدیل کرده است. حتی قابل توجه تر، گزارش‌های سازمان خواربار و کشاورزی ملل متحد نشان می‌دهد که حدوداً ۶۰ درصد از کل آب مورد استفاده در بخش کشاورزی هدر می‌رود، به عبارتی بخش کشاورزی باعث هدر رفت ۴۲ درصد از کل برداشت‌های آب در سراسر جهان می‌شود.

آمار شرح داده شده حاکی از ناکارآمدی و ناپایداری سیستم‌های مدیریت منابع آب در بخش کشاورزی می‌باشند که نیاز مبرمی به تغییر و تحول گسترده دارند، در حال حاضر این ناکارآمدی و ناپایداری سیستم باعث افزایش به کارگیری تکنیک‌های کشاورزی هوشمند با استفاده از هوش مصنوعی شده اند. از این رو در طی سالیان پیش رو طیف وسیعی از سیستم‌ها و تکنیک‌ها جهت ایجاد مزارع دیجیتال با یکدیگر ادغام می‌شوند که از حداقل میزان آب جهت تولید محصول استفاده کرده و مقادیر هدر رفت آب را تقریباً به صفر می‌رسانند. تکنیک‌های مدرن مبتنی بر هوش مصنوعی عبارتند از:

سیستم‌های تجزیه و تحلیل مبتنی بر هوش مصنوعی با دقت بالا که با بهره گیری از مجموعه داده‌ها نظیر داده‌های حاصله از تصاویر ماهواره‌ای، شرایط اقلیمی، میزان دما و رطوبت و همچنین پیش‌بینی آب و هوایی، جهت اتخاذ راه حل های بهینه در راستای مدیریت محصول و کاهش مصرف و هدر رفت آب مورد استفاده قرار می‌گیرند.

سیستم‌های «آبیاری هوشمند» که کارایی بالایی در ارائه مقادیر آب مورد نیاز محصولات کشاورزی داشته و در عین حال کنترل و نظارت دقیقی بر میزان نشتی سیستم دارند.

تخمین میزان ذخایر آبی در آینده با استفاده از هوش مصنوعی

گزارشات منتشر شده توسط PWC در دسامبر ۲۰۲۱، نشان می‌دهد که در صورت استفاده صحیح از هوش مصنوعی در چهار بخش کلیدی کشاورزی، آب، انرژی و حمل‌ونقل می‌توان آینده بسیار پایدارتری برای بشریت فراهم کرد.

همچنین بر اساس مدل‌های تحقیقاتی این گزارش، استفاده از هوش مصنوعی در مدیریت منابع آب، در کنار بخش‌های انرژی، کشاورزی و حمل‌ونقل، می‌تواند اقتصاد جهانی را تا ۲.۵ تریلیون دلار بهبود بخشد و کاهشی ۴ درصدی را در میزان انتشار گازهای گلخانه‌ای تا سال ۲۰۳۰ داشته باشد.

کشورهای پیشگام در این زمینه مانند استرالیا، کانادا و ژاپن معتقدند علی‌رغم ترس از دست رفتن برخی مشاغل توسط هوش مصنوعی، این فناوری می‌تواند ۲.۳۸ میلیون شغل جدید در سراسر جهان ایجاد کند و افراد ماهر بسیاری را به این سمت سوق دهد.

بدیهی است که نیاز مبرم به حل چالش‌های مرتبط با آب (کمبود آب، آلودگی، هدر رفت و …) همراه با اصلاح و پایدارسازی محیط زیست جهانی مشترک، از طریق تلاش‌های مستمر، منجر به پذیرش گسترده تکنیک‌های هوش مصنوعی در زمینه‌های مبتنی بر آب خواهد شد.

بسیاری از پژوهشگران و متخصصان معتقدند اگر این روند به کارگیری هوش مصنوعی در مدیریت منابع آب، ادامه یابد ممکن است به سرعت نحوه تأمین و مصرف آب دست خوش تغییرات مثبت شود، که به نوبه خود می‌تواند خطوط تأمین آب ایمن و پایدار را در سراسر جهان، حتی برای افرادی که در مناطقی با کمبود شدید آب زندگی می‌کنند فراهم کند، البته که دستیابی به این هدف تعهد به یک چشم انداز جهانی پایدار در بلندمدت را می‌طلبد.

تمامی این موارد به آن معنی است که ما الزاماً باید فراتر از خود فناوری فکر کنیم تا به بینش عمیق در رابطه با پیامدهای کاربرد هوش مصنوعی بر جامعه و محیط زیست دست یابیم.

دغدغه اخلاقی به کارگیری هوش مصنوعی در مدیریت آب

در حال حاضر نگرانی عمده متخصصان هوش مصنوعی این است که چگونه هوش مصنوعی به عنوان یک فناوری نوین به طور بالقوه می‌تواند باعث توزیع عادلانه منابع آبی و بکارگیری نیروی کار شود. قبل از بکارگیری هوش مصنوعی جهت ارائه خدمات ضروری مانند تأمین آب، نیاز به پرداختن به این مسائل اخلاقی کاملاً ضروری است.

به عنوان مثال، یکی از روش‌های انجام این کار، گنجاندن اصول توزیع عادلانه آب در الگوریتم‌هایی مانند توزیع برابر یا حداقل دسترسی به آب در هر خانوار است. ثانیاً، با استفاده از منابع و نرم‌افزارهای متعدد اطلاعاتی مانند GIS و سرشماری افراد جامعه، سیستم‌های هوش مصنوعی می‌توانند شاخص‌های دسترسی به این منابع را تعریف کند که مجموعه بزرگ‌تری از متغیرها را جهت تصمیم‌گیری در اختیار گرفته که از نظر اقتصادی با صرفه و این فناوری را از نظر اجتماعی مسئول می‌سازد.