Forscher entwickeln eine neue Technik, um das Trinkwasser mithilfe von maschinellem Lernen sicher zu halten

Durch Wasser übertragene Krankheiten sind eine der Hauptursachen für den Ausbruch von Infektionskrankheiten in Siedlungen von Flüchtlingen und Binnenvertriebenen (IDP), aber ein Team unter der Leitung der York University hat eine neue Technik entwickelt, um das Trinkwasser mithilfe von maschinellem Lernen sicher zu halten, und es könnte ein Spiel sein Wechsler. Die Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht PLOS-Wasser.

Da Trinkwasser in den meisten Siedlungen nicht in die Häuser geleitet wird, holen die Bewohner es stattdessen mit Vorratsbehältern an öffentlichen Zapfstellen.

„Wenn Wasser in einem Behälter in einer Wohnung gelagert wird, besteht ein hohes Risiko, dass es Verunreinigungen ausgesetzt wird, daher ist es zwingend erforderlich, dass genügend freies Restchlor vorhanden ist, um alle Krankheitserreger abzutöten“, sagt Lassonde School of Engineering Ph.D. Student Michael De Santi, der Teil des Yorker Dahdaleh Institute for Global Health Research ist und die Forschung leitete.

Die Rekontamination von zuvor sicherem Trinkwasser während seiner Sammlung, seines Transports und seiner Lagerung war ein wesentlicher Faktor für den Ausbruch von Cholera, Hepatitis E und Shigellose in Flüchtlings- und Binnenvertriebenensiedlungen in Kenia, Malawi, Sudan, Südsudan und Uganda.

„Eine Vielzahl von Faktoren kann den Chlorabbau in gespeichertem Wasser beeinflussen. Sie können an dieser Sammelstelle sicheres Wasser haben, aber sobald Sie es nach Hause bringen und lagern, manchmal bis zu 24 Stunden, können Sie das restliche Chlor verlieren, Krankheitserreger können gedeihen und gedeihen Krankheit kann sich ausbreiten“, sagt Lassonde Adjunct Professor Syed Imran Ali, ein Research Fellow am Dahdaleh Institute for Global Health Research in York, der aus erster Hand Erfahrungen mit der Arbeit in einer Siedlung im Südsudan hat.

Mithilfe von maschinellem Lernen hat das Forschungsteam – darunter Associate Professor Usman Khan, ebenfalls von Lassonde – eine neue Methode entwickelt, um die Wahrscheinlichkeit vorherzusagen, dass genug Chlor übrig bleibt, bis das letzte Glas verbraucht ist. Sie verwendeten ein künstliches neuronales Netzwerk (KNN) zusammen mit Ensemble-Vorhersagesystemen (EFS), was normalerweise nicht der Fall ist. EFS ist ein probabilistisches Modell, das häufig verwendet wird, um die Niederschlagswahrscheinlichkeit in Wettervorhersagen vorherzusagen.

„ANN-EFS kann Prognosen zum Zeitpunkt des Verbrauchs erstellen, die im Gegensatz zu den üblicherweise verwendeten Modellen eine Vielzahl von Faktoren berücksichtigen, die den Gehalt an Restchlor beeinflussen. Diese neue probabilistische Modellierung ersetzt die derzeit verwendete universelle Richtlinie für die Verwendung von Chlor hat sich als unwirksam erwiesen“, sagt Ali.

Faktoren wie die örtliche Temperatur, wie das Wasser gespeichert und von Haus zu Haus gehandhabt wird, die Art und Qualität der Wasserleitungen, die Wasserqualität und ob ein Kind seine Hand in den Wasserbehälter getaucht hat, können alle eine Rolle dabei spielen, wie sicher das Wasser ist ist zu trinken.

„Es ist jedoch wirklich wichtig, dass diese probabilistischen Modelle auf Daten einer bestimmten Siedlung trainiert werden, da jedes so einzigartig wie eine Schneeflocke ist“, sagt De Santi. „Zwei Personen könnten am selben Tag das gleiche Wasser sammeln, beide sechs Stunden lang aufbewahren, und bei der einen könnte noch das gesamte Chlor im Wasser verbleiben und bei der anderen fast keins mehr. Weitere 10 Personen könnten unterschiedliche Reichweiten haben von Chlor.“

Die Forscher verwendeten routinemäßige Überwachungsdaten zur Wasserqualität aus zwei Flüchtlingssiedlungen in Bangladesch und Tansania, die im Rahmen des Safe Water Optimization Tool Project gesammelt wurden. In Bangladesch wurden die Daten von Médecins Sans Frontières aus Lager 1 des Kutupalong-Balukhali Extension Site, Cox’s Bazaar, zwischen Juni und Dezember 2019 aus 2.130 Proben gesammelt, als es 83.000 Rohingya-Flüchtlinge aus dem benachbarten Myanmar beherbergte.

Die Bestimmung, wie dem ANN-EFS beigebracht werden kann, realistische Wahrscheinlichkeitsprognosen mit dem kleinstmöglichen Fehler zu erstellen, erforderte ein unkonventionelles Denken.

„Wie dieser Fehler gemessen wird, ist entscheidend, da er bestimmt, wie sich das Modell im Kontext der probabilistischen Modellierung verhält“, sagt De Santi. „Durch die Verwendung von kostensensitivem Lernen, einem Tool, das die Kostenfunktion beim Einsatz von maschinellem Lernen in ein zielgerichtetes Verhalten umwandelt, haben wir festgestellt, dass es probabilistische Prognosen und Zuverlässigkeit verbessern könnte. Uns ist nicht bekannt, dass dies in diesem Zusammenhang zuvor getan wurde.“

Dieses Modell kann beispielsweise sagen, dass unter bestimmten Bedingungen am Wasserhahn bei einer bestimmten Menge an freiem Restchlor im Wasser eine 90-prozentige Chance besteht, dass das verbleibende Chlor im gespeicherten Wasser nach 15 Stunden unter dem Sicherheitsniveau für liegt Trinken.

„Das ist die Art von probabilistischer Bestimmung, die uns diese Modellierung geben kann“, sagt De Santi. „Wie bei Wettervorhersagen sollten Sie bei einer 90-prozentigen Regenwahrscheinlichkeit einen Regenschirm mitbringen. Anstelle eines Regenschirms können wir die Wasserversorger bitten, die Chlorkonzentration zu erhöhen, damit ein größerer Prozentsatz von Menschen über sauberes Trinkwasser verfügt .“

„Unser Safe Water Optimization Tool übernimmt diese maschinelle Lernarbeit und stellt sie Hilfskräften vor Ort zur Verfügung. Der einzige Unterschied für die Wasserversorger besteht darin, dass wir sie bitten, Wasserproben aus dem Behälter am Wasserhahn und aus demselben Behälter zu Hause zu entnehmen nach mehreren Stunden“, sagt Ali.

„Diese Arbeit, die Michael leistet, treibt den Stand der Praxis von maschinellen Lernmodellen voran. Dies kann nicht nur verwendet werden, um sicheres Trinkwasser in Flüchtlings- und Binnenvertriebenensiedlungen zu gewährleisten, sondern auch in anderen Anwendungen.“