學術探奇

運籌治水──電腦學家穩定中國城市淡水資源

計算機科學與工程學系李浩文教授

計算機科學與工程學系
李浩文教授


中大計算機科學與工程系的李浩文教授,以挑戰各方面的排程和資源分配難題見稱。於是,一個中國沿海城市來到找李教授,請他幫忙尋求純正鮮甜的淡水。

由於保密協議,李教授不能透露是哪個城市,但這個城市淡水非常短缺,水源是流經市內進入大海的河流,處理後作淡水使用。但由於海潮會改變,不同時期的雨量亦有所變化,有些時候淡水會比平常更高鹽分。儘管當地水務局盡了最大努力,每當天氣乾燥鹽分便會滲入公共供水系統。當地居民都開始投訴,的士司機總向乘客發牢騷抱怨,大家連洗澡也需要買瓶裝水。

一直以來,當地水務局是使用試算表的方式,透過人手輸入數據。這個系統需要一位對供水問題熟悉而有經驗的人員,同時需要一位電腦人員配合處理資訊,效率極低。

因此,李教授需要找出最有效的方案處理這個極複雜的排程難題,決定何時抽取河水以及抽取水量。具體而言,他專注於開發一個電腦程式,協助水務局管理由河流引入的水量,安排適當的引水時間,以及控制城市中多個水塘之間的水流。

何時抽取河水以及抽取量,是獲得純正鮮甜淡水的關鍵

李教授指出:「我們一不小心,就可能將簡單問題複雜化,花上幾天、幾個月甚至幾年來解決。我的目標是只要一按鈕便能找到答案。」結果,他所成功建立的電腦程式節省人力時間之餘,更將整個引水排程工作簡單化。

一般解決問題的做法,是為一個問題開發一個解決方法,然後將之實行。然而李教授有獨特的見解,認為一個問題其實可以有多個解決方法,於是他開發了一個數學概念,稱為「通道限制」。這是一種「冗餘模型」,並非只找出單一的最佳方法來解決問題,而是同時由電腦運行所有可能的解決方法;各解決方法之間能互相溝通,分享實用的資訊,共同更迅速地找出問題的更有效解決辦法。

為確保當地有穩定的淡水供應,必須考慮到各項重要因素,包括淡水的鹽度預測、天氣預測、任何時間的必要引水量,以及淡水分配系統;此外還需要為所有可能性作出計劃,確保能一直有充足的淡水供應。

李教授指出,這是個極複雜的任務,同時涉及排程和路由。如果輸入兩倍的數據,需要用來解決問題的資訊量並非兩倍;正常情況下,需要用來運算解決方法的時間會以倍數遞增。另一個複雜情況,是當雨量減少時抽取淡水會更加困難。所以這個項目的時間比預期長得多,令整件事情變得加倍複雜。系統越大時間越長,問題便會越大,令難題比一開始棘手許多。

採用李教授的方法後,達致可觀的可飲用淡水鹽度結果

李教授說:「一開始時我們只需要解決冬季的供水問題,但對方表示當地氣候在晚秋和初春便開始變得乾燥,所以我們需要為一百八十日優化供水,相等於半年的時期,令任務變得非常艱難。」

透過李教授利用人工智能建立的電腦系統,這些難題一一獲得完滿解決。以前用人手輸入的方法,需要幾小時甚至幾天來解決問題,而且結果不一定準確;現在利用李教授的系統,幾分鐘內就能找出完美的答案,甚至能保證每年有多出一個月的淡水供應。現在當地的自來水又再次「鮮甜」起來,居民可以放下心頭大石,洗澡水也不用擔心了。

李教授也開發其他的程式,包括護士更表編排和地鐵系統時間表。他說:「這些程式讓我們瞬間就能解決問題,毋需發明新的運算方法;只要我們巧妙地為問題建立模型,就能找到更好的解決方法。」

倘中英文版本出現歧義,概以英文版本為準。


 

本文出自中大網頁(2013年12月)

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李浩文 計算機科學與工程學系 軟件開發 水供應 工程學院 人工智能 教授