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迎接水質監測的技術挑戰 法蘭德斯水聯網成為前線
 

【作者: Koen Triangle】   2020年05月12日 星期二

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我們需要更頻繁、更仔細地監測水質。比利時法蘭德斯(Flanders)因為「水聯網(Internet of Water)」這項計畫,將成為該領域的先鋒。本文將進一步說明比利時法蘭德斯地區的水質監測現況。


在「法蘭德斯水聯網(Internet of Water Flanders;IoW Flanders)」這項計畫中,愛美科與產研界的夥伴合作,將該地區監測水質各面向的技術提升至更高水準。


緊接著「物聯網(Internet of Things)」這個廣傳的用語,現在也出現了「水聯網(Internet of Water)」。IoW Flanders是項四年計畫,藉此,法蘭德斯目標要成為監測與管理水質各面向的先鋒。該計畫以大規模的感測器系統為基礎,再結合最先進的網路技術與資料分析方法。愛美科則攜手相關研究夥伴,塑造IoW Flanders聯盟。此外,該地區的當地產業也扮演了要角。


法蘭德斯的現況

「確保擁有充分的高品質水資源,是所有人共同的挑戰。」愛美科City of Things計畫主持人Koen Triangle表示:「因為氣候變遷,我們的社會正面臨了各式各樣的挑戰,而水資源管理所受到的影響就是一大挑戰。再加上,估計在未來長期乾旱還有與之相反的特大暴雨,周期都會延長,這個挑戰不太可能消失。」


而且,水也是經濟現實。根據法蘭德斯水務知識中心(the Flemish Knowledge Centre for Water;VLAKWA)的報告,在法蘭德斯,每六個工作就有一個需仰賴在可接受價格下獲取大量的水資源,才能維持營運。


部分受此影響,已有大量心力投入水質監控。Koen Triangle說明:「IoW Flanders計畫絕不想低估目前正持續付出的努力。早已有多方參與者加入法蘭德斯地區的水質與水量測量。且在諸多案例中,現有的知識提供了充足且有用的見解。但現行的方法仍然有其限制。」



圖一 : 法蘭德斯環境署(VMM)架設了地表水監測網路MAP,以測量農業地區水道內的養分含量。圖為MAP於2018-2019年冬季評測硝酸鹽和磷酸鹽的結果。目前大多數的水質讀數來自人工採樣的樣本,並以離線方式或在實驗室分析這些樣本。(source:VMM)
圖一 : 法蘭德斯環境署(VMM)架設了地表水監測網路MAP,以測量農業地區水道內的養分含量。圖為MAP於2018-2019年冬季評測硝酸鹽和磷酸鹽的結果。目前大多數的水質讀數來自人工採樣的樣本,並以離線方式或在實驗室分析這些樣本。(source:VMM)

例如,水質測量僅周期性進行,且並不頻繁。此外,測量的讀數通常取自人工採樣的採樣杓樣本,以離線的方式或在實驗室中分析。在少數運用感測系統的地方,測量儀器往往是功能強大的多參數探測器,造價極其高昂。


尤其就制訂政策來說,正確的決策往往需要快速執行或進行說明。但因缺乏即時及詳細的數據,應備且最即時的資訊並不總是可供取用。舉例來說,設想一下,當官方必須依據水質來決定用水量,或是遇到旱災時,他們可能就必須解釋為何供水雖看似充裕,但某些區域用水仍受限制(因考量到水質)。


談到水質,使用案例涵蓋了水資源鹽化測量(淡水中的含鹽量)、地表水的逕流或放流作用(例如,下暴雨時,下水道中的混合廢水進入水道)等應用。


更多、更低廉且即時的測量

IoW Flanders計畫特別專注在建立更廣域且緊密的感測器網路,且其成本要比現行系統更低,同時還要提供即時無線通訊,以及更彈性的測量能力,像是具備遠端調整測量頻率的功能。


在整個法蘭德斯區,總計將有超過2000台感測器逐步導入,用來測量水質各面向。裝設地點包含排水系統、自來水廠、地下水與地表水。



圖二 : 運用多參數探測器的地點相對較少。這些測量儀器性能強大,但體積相對龐大,且非常昂貴。(source:VMM)
圖二 : 運用多參數探測器的地點相對較少。這些測量儀器性能強大,但體積相對龐大,且非常昂貴。(source:VMM)

自學演算法和水文模型也將協助處理所有相關數據,並轉換成可行的政策資訊。例如,演算法的運算結果不久後將讓各種與水相關的決策能根據可信賴的基礎制定,像是管理地表水、取用特定水源的水、供給與再利用淨化的廢水和雨水、廢水再利用以供灌溉、抽水至水道、設立緩衝水槽等。


Koen Triangle進一步說明:「我們已將此計畫分為兩個主要階段。前兩年的重點是製作清冊,以及研究並測試測量方法與技術。後兩年,我們將運用研究成果來設置感測器,並讓大規模的解決方案得以在法蘭德斯執行。」


團結力量大

IoW Flanders計畫由國際創業機構VLAIO(Flanders Innovation and Entrepreneurship)資助,且由IoW Flanders聯盟執行中。


Koen Triangle表示:「法蘭德斯環境署(VMM)身為法蘭德斯水道的管理單位,也負責維持法蘭德斯『緩衝水槽計畫』秘書處的運作,他們已經能夠詳盡概括水質現況以及污染所帶來的影響。他們了解各式監測網路的現行方法,這些知識對這項計畫來說至關重要。因此,VMM協助本計畫選定感測器的架設地點,並投入相關開發。此外,VMM也提供先前在法蘭德斯導入感測器的經驗。」


他補充:「法蘭德斯技術研究院VITO作為技術研究機構,具備數據與預測模型的豐富知識,也有洞察水資源相關需求與使用案例的絕佳能力。這些知識彙整後會用來選出設置感測器的最佳位置。VITO也將貢獻雲端和IT設置的相關經驗。」


Koen Triangle接著道:「法蘭德斯水務知識中心(VLAKWA)在水資源領域是創始者也是推動者,他們負責協調多方利害關係人間的互動,以確保感測器網路能最佳實現本計畫預設的各種社會理想。VLAKWA也負責建立IoW Flanders計畫的品牌,並確保資訊即時且有效流通至相關利害關係人。」


他提到:「法蘭德斯汙水處理中心Aquafin和飲用水供應商De Watergroep也是本計畫的合作夥伴,他們將扮演這些生成數據的初期終端使用者。此外,他們也基於各種導入物聯網感測器的經驗以及對導入點特質的了解,提供感測器與設置地點的寶貴建議,我們必須將這些因素納入考量(安全性、瓦斯管線等)。最後同樣重要的一點,就是他們對水質及相關法律懂得很多。」



圖三 : 為測量水質的各個面向,IoW Flanders計畫使用愛美科研發的感測器(位於圖中燒杯內),將之(以纜線)連接至具備無線通訊的量測站。這些感測器的設置尺寸更小、更通用,且比法蘭德斯目前使用的探測器低廉許多。
圖三 : 為測量水質的各個面向,IoW Flanders計畫使用愛美科研發的感測器(位於圖中燒杯內),將之(以纜線)連接至具備無線通訊的量測站。這些感測器的設置尺寸更小、更通用,且比法蘭德斯目前使用的探測器低廉許多。

愛美科有物聯網裝置、感測器、網路連接、雲端架構與基礎設施相關的充實經驗,以及最先進的相關數據模型。該感測器的核心晶片也將由愛美科製造。這一切都需要愛美科的研究團隊積極參與,包括來自魯汶、安特衛普(City of Things計畫)、荷蘭(獨立研究與創新中心Holst Centre),以及愛美科在安特衛普與根特大學的研究團隊IDLab。


產業夥伴:計畫定義、執行與管理的關鍵

產業在此計畫中也將扮演要角。Koen Triangle表示:「一方面,我們將市場納入使用案例定義與水質監控的潛在應用開發中,水資源鹽化及逕流是其中兩個,但細節都還待加以說明。我們的目標也包括逐漸增加使用案例。不論是集水或排水,水質對許多企業來說是重要考量。」


為了促成產業交流,IoW Flanders計畫組織了調查以及匯集成員的大型活動,也透過出席比利時及他國的各式活動,將與各利害關係人定期交流。


如此,除了能取得情報,還能預知招標,進而捕獲商機。IoW Flanders計畫如果沒有專業供應商的專業知識與技能,就無法實現目標。


Koen Triangle表示:「研究初期我們將號召私人企業夥伴,為本計畫所需的軟硬體提供安裝、維護與管理服務。舉例而言,我們計畫在2021年設置約50個測量單位,但因為本聯盟成員的核心技能不在此,我們將透過私人招標來執行安裝。未來要進一步升級時,我們估計也是以類似流程進行,還有,最終將計畫成果交接給單一或多個企業時也是如此;企業將確保IoW Flanders計畫在四年後仍能長期運作。」


(本文由愛美科授權刊登;作者Koen Triangle為愛美科City of Things計畫主持人;編譯/吳雅婷)


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