Umělá inteligence v čistírně odpadních vod

Analýza odpadní vody, předpověď srážek, nátok a odtok, obsah kyslíku, chování spotřebitelů ve městě a mnoho dalších parametrů, známých, nejistých i neznámých, je potřeba k řízení provozu čistírny odpadních vod (ČOV). Konsorcium expertů, které zahrnuje technologické integrátory a akademickou sféru, představilo nové inovativní řešení – inteligentní algoritmus nazvaný WaterScan Toolbox. Software slouží k předpovědi nátoku na ČOV, neuronová síť vypočítává kvalitu odpadní vody a na základě vypočítaných hodnot navrhuje obsluze přijetí provozních opatření.

Čistírny odpadních vod se v současnosti potýkají např. s potřebou navyšování kapacity, jak se rozšiřují města, nebo s přísnějšími limity kvality vody, což vede ke značnému nárůstu provozních nákladů. Kromě toho infrastruktura čistíren stárne; i to s sebou nese poptávku po nových spolehlivých technologiích, jež zajistí stabilní kvalitu odtoku čištěné odpadní vody. 

Projektový tým, který pro řešení predikce průtoků odpadních vod a souvisejících provozních opatření využil služeb umělé inteligence, se skládá ze společností VDT Technology, a. s., Vysoké školy chemicko-technologické v Praze (VŠCHT Praha), Českého vysokého učení technického (ČVUT), Technologické agentury ČR (TA ČR) a provozovatele pražské vodohospodářské infrastruktury PVK a. s. 

AI pomáhá 

Řešení využívá technologie cloud computingu a strojového učení založeného na hloubkové analýze dat o odpadních vodách, kvalitativních a kvantitativních údajích, analýze opakujících se událostí, předpovědí srážek a chování měst v různých dnech v týdnu a hodinách dne. Neuronová síť je schopná na několik hodin dopředu předpovídat úroveň přicházejícího znečištění a tím zatížení čistírny odpadních vod (ČOV) s přihlédnutím k opakujícím se i jednorázovým faktorům. Zpracování obrovského množství dat a generování přesných informací umožní lepší rozhodování a plánování, což v konečném důsledku povede ke zlepšení kvality odtoku. Přináší to s sebou značnou úsporu provozních nákladů, jak materiálních, tak v energetické oblasti. Až do nedávna se riziko znečištění často řešilo předimenzováním technologických prvků, což způsobuje zbytečné náklady v porovnání s reálnou potřebou. 

Nejcennější jsou přesné předpovědi 

WaterScan Toolbox predikuje chemickou spotřebu kyslíku vody a velikost průtoku (hmotnostního toku). Jedná se o jedno z nejdůležitějších kritérií znečištění vody, které podává informace především o koncentraci veškerých organických látek. Chemická spotřeba kyslíku je definována jako množství kyslíku ekvivalentní spotřebě použitého oxidačního činidla. Software poté na základě těchto predikcí generuje výstrahy pro různé typy překročení sledovaných parametrů a poskytuje databázi scénářů událostí na základě předpokládaného zatížení. Provozovatel může přijmout účinná provozní opatření, která připraví provoz ČOV na očekávaný stav a vedou ke zvýšení efektivity čistírenského provozu. 

Aplikace je universální 

Software umožňuje uživatelům prohlížet data buď pouze pro jednu čistírnu odpadních vod, nebo pro desítky jednotlivých lokalit najednou. Zpřístupňuje i historická data o událostech, které se staly za posledních 360 dní. Vše je přístupné prostřednictvím intuitivního a uživatelsky přívětivého rozhraní. „Cloud computing a technologie strojového učení v oblasti čištění odpadních vod mají obrovský potenciál pro zlepšení životního prostředí,“ zdůrazňuje Lukáš Chalupa ze společnosti VDT Technology. „Náš nový softwarový nástroj WaterScanToolbox umožňuje v čistírnách odpadních vod provádět preventivní zásahy a zlepšit účinnost čisticího procesu na základě unikátních znalostí o kvalitě a množství odpadních vod podle předem definovaných provozních scénářů.“ „Díky moderním analytickým metodám můžeme sledovat kvalitu a množství odpadních vod a data zpracovat do cenných informací. Sledováním dlouhodobých datových sad můžeme získat informace o vývoji klíčových ukazatelů přítoku a odtoku,“ uvedl Petr Sýkora z PVK a. s., a dodal: „Tlak na dodržování přísných emisních limitů je stále větší. S tím také souvisí poptávka po nových spolehlivých technologiích, které zajistí stabilní kvalitu odtoku z čistíren odpadních vod, i při nepříznivých provozních událostech, jako jsou přívalové deště nebo extrémní sucho.“ 

Nové řešení na principu pokročilého zpracování dat z IoT sítě (internet of Things) na cloudové platformě Mind Sphere bylo zvoleno zejména z důvodů vysokých standardů zabezpečení, protože vodohospodářská infrastruktura se řadí mezi tzv. „kritické“. Mind Spehere navíc přináší do poměrně konzervativního oboru správy vodohospodářské infrastruktury měst a obcí poslední poznatky z oboru informačních technologií. 

Partneři projektu: 

VDT Technology a. s. nabízí komplexní řešení pro inteligentní systémy monitoringu, řízení a správy dat. V prostředí IoT platforem připravuje pokročilé expertní funkcionality, jakými jsou simulace, predikce a digitální modelování. Více na www.vdttechnology.com.

Pražské vodovody a kanalizace a. s. provozují vodohospodářskou infrastrukturu hl. m. Prahy. Zabývají se výrobou a distribucí pitné vody a odváděním a čištěním odpadních vod. Zajišťují výrobu vody pro 1,3 mil. obyvatel hlavního města Prahy a dalších cca 208 tis. obyvatel Středočeského kraje. Provozují úpravny vody Káraný a Podolí a z úpravny vody Želivka vodu nakupují. Více na www.pvk.cz

Vysoká škola chemicko-technologická v Praze nabízí vzdělávání a výzkum v oblastech chemie a potravinářství. Patří mezi největší tuzemské instituce zaměřené na technickou chemii, chemické a biochemické technologie, materiálové a chemické inženýrství, potravinářství a výživu, životní prostředí, nově také ekonomiku a management. Více na www.vscht.cz

České vysoké učení technické v Praze patří k největším a nejstarším technickým vysokým školám v Evropě. V současné době má osm fakult (stavební, strojní, elektrotechnická, jaderná a fyzikálně inženýrská, architektury, dopravní, biomedicínského inženýrství, informačních technologií). Studuje na něm přes 19 000 studentů. Pro akademický rok 2022/23 nabízí ČVUT svým studentům na 250 akreditovaných studijních programů a z toho přes 100 v cizím jazyce. Více na www.cvut.cz