Процессы водоподготовки в России характеризуются высокой стохастичностью качества исходной воды и существенной инерционностью технологических схем. Сезонные изменения уровня цветности, мутности, органических веществ, содержания гуминовых соединений, а также влияние паводков, дождевых стоков и температурных колебаний приводят к значительным вариациям входных параметров, которые традиционные системы регулирования не всегда способны своевременно учитывать. Дополнительную сложность создает недостаток достоверных данных в реальном времени: на большинстве станций ключевые показатели качества воды определяются периодическими лабораторными анализами с интервалом от нескольких часов до суток. Такие данные не позволяют оперативно реагировать на быстрые изменения технологической нагрузки.
Большинство очистных сооружений, введенных в эксплуатацию в советский период, опираются на классические схемы автоматизации SCADA — PLC. Эти системы выполняют функции мониторинга и поддержания заданных режимов, но их потенциал ограничен отсутствием развитой аналитики, слабой интеграцией с лабораторными базами данных и невозможностью прогнозировать развитие процессов. В условиях изменчивого состава воды такие системы функционируют преимущественно в режиме реагирования, а не проактивного управления.
Современные вызовы отрасли — необходимость повышения энергоэффективности, снижения расхода реагентов, стабилизации качества питьевой и сточной воды — требуют перехода к интеллектуальным методам управления. Интеграция нейросетевых алгоритмов, систем машинного обучения, BIM-технологий и цифровых двойников позволяет компенсировать недостаток оперативных данных, учитывать нелинейность технологических процессов и обеспечивать прогнозирование технологических отклонений.
Технологические объекты водоподготовки обладают рядом особенностей, которые осложняют построение эффективных систем автоматического управления. Прежде всего, это выраженная изменчивость состава исходной воды, обусловленная природными и антропогенными факторами. Поступление талых и дождевых вод, сбросы из водосборов, сезонная динамика водоемов и температурные колебания приводят к быстрому изменению таких показателей, как мутность, цветность, органические вещества, окисляемость, содержание аммония и железа. Реакции, протекающие в процессах коагуляции, флокуляции, фильтрации и биологической очистки, носят нелинейный характер и зависят от множества трудно измеримых факторов, включая коллоидную стабильность, электрокинетический потенциал и структуру образующихся хлопьев.