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水質(zhì)系統(tǒng)信息學(xué)

劉鴻, 陳昭明著

北京: 科學(xué)出版社, 2025.12

ISBN 978-7-03-083603-8

《水質(zhì)系統(tǒng)信息學(xué)》融合水質(zhì)工程科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、信息科學(xué)的基礎(chǔ)理論和最新成果，在構(gòu)建以水質(zhì)和水質(zhì)系統(tǒng)為核心的概念體系基礎(chǔ)上，力圖運(yùn)用數(shù)學(xué)語(yǔ)言和定義規(guī)則，將水質(zhì)工程科學(xué)的單元過(guò)程與操作研究范式，變革為系統(tǒng)平衡與控制研究范式。前者專(zhuān)注單一環(huán)節(jié)、單一過(guò)程內(nèi)部物質(zhì)流、能量流的變化規(guī)律，后者則專(zhuān)注各環(huán)節(jié)、各過(guò)程之間信息流、信號(hào)流動(dòng)態(tài)依賴(lài)關(guān)系的變化規(guī)律。

WQS I研究?jī)?nèi)容及方法的關(guān)系

水質(zhì)系統(tǒng)信息學(xué)(water quality system informatics， WQSI)是在研究水質(zhì)的存續(xù)狀態(tài)、水質(zhì)變化的物理、化學(xué)和生物過(guò)程以及水質(zhì)的生態(tài)效應(yīng)等基礎(chǔ)上，以系統(tǒng)論為指導(dǎo)，將系統(tǒng)各部分、各環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)依賴(lài)關(guān)系等信息進(jìn)行信號(hào)化和數(shù)字化處理，并實(shí)現(xiàn)水質(zhì)系統(tǒng)有效管控的科學(xué)。其重點(diǎn)在于如何獲取多源異構(gòu)水質(zhì)系統(tǒng)信息，并據(jù)此構(gòu)建水質(zhì)系統(tǒng)的信息學(xué)表達(dá)方式和管控模型。

這種變革不僅深化了對(duì)水質(zhì)系統(tǒng)物質(zhì)流、能量流變化規(guī)律的理解，還提供了對(duì)信息流、信號(hào)流傳遞變化的分析方法和控制策略，為水質(zhì)工程科學(xué)的研究和實(shí)踐帶來(lái)全新視角。這種從單元過(guò)程與操作研究范式到系統(tǒng)平衡與控制研究范式的飛躍，有助于破解水質(zhì)管控過(guò)程面臨的復(fù)雜難題，推動(dòng)水質(zhì)工程科學(xué)的理論與技術(shù)發(fā)展。

本書(shū)中的水質(zhì)和水質(zhì)系統(tǒng)是兩個(gè)最為核心的基本概念，是全書(shū)的理論基石。

本書(shū)將水質(zhì)定義為：水受污染狀態(tài)信息與時(shí)間變量之間的映射關(guān)系。對(duì)水質(zhì)的這種時(shí)域函數(shù)型定義，不但揭示了水質(zhì)的理化特性，還體現(xiàn)了水質(zhì)的數(shù)學(xué)和信息學(xué)特征。也就是說(shuō)，水質(zhì)實(shí)際上是一個(gè)時(shí)域函數(shù)，且具有信號(hào)特征，能夠架起水質(zhì)理化空間與信息空間的“橋梁”，是水質(zhì)工程科學(xué)研究范式變革的理論基石。這種定義，還允許我們對(duì)水質(zhì)信號(hào)(函數(shù))進(jìn)行獨(dú)立的數(shù)學(xué)操作，建立水質(zhì)系統(tǒng)的微分方程和狀態(tài)空間表達(dá)式等，從而構(gòu)建水質(zhì)系統(tǒng)控制的理論基礎(chǔ)和技術(shù)方法體系。

本書(shū)將水質(zhì)系統(tǒng)定義為：由水質(zhì)存續(xù)狀態(tài)或變化過(guò)程中各部分、各環(huán)節(jié)構(gòu)成的相互依賴(lài)、具有特定功能的一個(gè)整體。研究水質(zhì)系統(tǒng)時(shí)，我們重點(diǎn)探討各部分、各環(huán)節(jié)之間相互依賴(lài)的動(dòng)態(tài)關(guān)系，盡管單一部分、單一環(huán)節(jié)內(nèi)部的過(guò)程與機(jī)制是水質(zhì)工程單元操作理論研究的核心內(nèi)容，也是系統(tǒng)控制理論的微觀基礎(chǔ)，本書(shū)也從理論上探討了系統(tǒng)控制理論與單元操作理論之間的內(nèi)在聯(lián)系，但關(guān)注的焦點(diǎn)，仍然是水質(zhì)系統(tǒng)科學(xué)的理論基礎(chǔ)和控制方法。

水質(zhì)系統(tǒng)信息的獲取過(guò)程示意

水質(zhì)系統(tǒng)是水質(zhì)信號(hào)隨時(shí)間和空間運(yùn)動(dòng)變化的過(guò)程網(wǎng)格，信號(hào)只是對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的抽象。水質(zhì)信號(hào)的變化速率，即水質(zhì)信號(hào)時(shí)域函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)，是衡量水質(zhì)系統(tǒng)各部分、各環(huán)節(jié)之間相互依賴(lài)的動(dòng)態(tài)關(guān)系的基本物理量。水質(zhì)信息是反映水質(zhì)物理、化學(xué)、生物學(xué)規(guī)律的具體內(nèi)容，而水質(zhì)信號(hào)是這些具體內(nèi)容的物理表現(xiàn)形式或承載形式，如電學(xué)或光學(xué)形式。水質(zhì)信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，完全超越了水質(zhì)信息原生的具體含義，是實(shí)現(xiàn)水質(zhì)系統(tǒng)有效控制的理論基礎(chǔ)。水質(zhì)信息和信號(hào)在本書(shū)中占有特殊的重要地位。

水質(zhì)系統(tǒng)復(fù)合管控模型示意

本書(shū)界定水質(zhì)系統(tǒng)的5種基本信號(hào)，并圍繞這些基本信號(hào)及其組合展開(kāi)論述。水質(zhì)信號(hào)的分析方法，包括時(shí)域、頻域、復(fù)頻域分析方法，是傳統(tǒng)信號(hào)分析方法在水質(zhì)系統(tǒng)中的最新應(yīng)用。水質(zhì)系統(tǒng)的控制理論也是建立在水質(zhì)信號(hào)的數(shù)學(xué)運(yùn)算基礎(chǔ)之上。

線(xiàn)性水質(zhì)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型分析過(guò)程示意

本書(shū)的基本思路是：在水質(zhì)概念基礎(chǔ)上，建立水質(zhì)系統(tǒng)的概念體系；在水質(zhì)系統(tǒng)物理、化學(xué)及生物學(xué)信息基礎(chǔ)上，建立描述線(xiàn)性水質(zhì)系統(tǒng)信號(hào)變化的微分方程以及狀態(tài)空間表達(dá)式，進(jìn)而建立水質(zhì)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)控制方法；針對(duì)非線(xiàn)性水質(zhì)系統(tǒng)，則主要討論描述函數(shù)法、相平面法等，并討論智能控制的若干算法；最后，結(jié)合實(shí)際水質(zhì)系統(tǒng)的常見(jiàn)問(wèn)題，討論水質(zhì)系統(tǒng)的隨機(jī)信號(hào)分析。

本書(shū)的方法學(xué)，是將水質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)部的物質(zhì)流、能量流信息，轉(zhuǎn)換為信息流、信號(hào)流的數(shù)學(xué)方程進(jìn)行專(zhuān)門(mén)研究。這些方程超越了具體的信息內(nèi)容，因此可以進(jìn)行獨(dú)立的數(shù)學(xué)運(yùn)算。

《水質(zhì)系統(tǒng)信息學(xué)》系統(tǒng)探討水質(zhì)系統(tǒng)信息學(xué)的理論架構(gòu)，深入闡述線(xiàn)性水質(zhì)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)控制與狀態(tài)空間分析，討論非線(xiàn)性水質(zhì)系統(tǒng)的描述函數(shù)法、相平面法等經(jīng)典分析手段，并前瞻性地引入多種智能控制策略。這些內(nèi)容既夯實(shí)了水質(zhì)系統(tǒng)科學(xué)的理論和方法基礎(chǔ)，又拓展和豐富了經(jīng)典控制理論的應(yīng)用邊界與技術(shù)體系。

作者憑借深厚的學(xué)術(shù)積淀與豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，將水質(zhì)工程科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)與信息科學(xué)的理論與實(shí)踐有機(jī)融合，致力于構(gòu)建一種理解水質(zhì)系統(tǒng)的全新認(rèn)知框架與研究范式。這一有益探索不僅深化了對(duì)水質(zhì)系統(tǒng)物質(zhì)流、能量流變化規(guī)律的認(rèn)知，更為解析與調(diào)控水質(zhì)系統(tǒng)中的信息流、信號(hào)流關(guān)系提供了新路徑。

曲久輝

中國(guó)工程院院士

2025年11月

結(jié)合本書(shū)的內(nèi)容可以看到，研究水質(zhì)系統(tǒng)控制的難點(diǎn)之一，在于如何建立這些數(shù)學(xué)方程，特別是如何獲得這些方程中表達(dá)物質(zhì)流、能量流、信息流變化特征的各個(gè)結(jié)構(gòu)系數(shù)。另一個(gè)難點(diǎn)在于，如何判定水質(zhì)系統(tǒng)的可觀性與可控性，這是由水質(zhì)系統(tǒng)的化學(xué)與生物學(xué)內(nèi)在特征決定的，同時(shí)也受到我們對(duì)水質(zhì)系統(tǒng)認(rèn)識(shí)的局限性制約。未來(lái)，深化對(duì)線(xiàn)性水質(zhì)系統(tǒng)可觀性與可控性的理論認(rèn)識(shí)，進(jìn)而探索創(chuàng)新的設(shè)計(jì)策略甚至是顛覆式的工藝設(shè)計(jì)方法，將是水質(zhì)系統(tǒng)信息學(xué)的重要發(fā)展方向。同時(shí)，對(duì)非線(xiàn)性水質(zhì)系統(tǒng)以及水質(zhì)隨機(jī)信號(hào)的分析利用原理與方法，也將是未來(lái)研究的挑戰(zhàn)。

本文摘編自《水質(zhì)系統(tǒng)信息學(xué)》（劉鴻, 陳昭明著. 北京: 科學(xué)出版社, 2025.12）一書(shū)“前言”“序”，有刪減修改，標(biāo)題為編者所加。

ISBN 978-7-03-083603-8

責(zé)任編輯: 劉 琳

本書(shū)是水質(zhì)工程科學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)、信息科學(xué)融合滲透的成果，旨在為讀者提供一個(gè)全面的理論框架和實(shí)踐指南，以應(yīng)對(duì)日趨復(fù)雜嚴(yán)峻的水質(zhì)管控挑戰(zhàn)。全書(shū)包括三篇：水質(zhì)系統(tǒng)的信息與信號(hào)、線(xiàn)性水質(zhì)系統(tǒng)、非線(xiàn)性水質(zhì)系統(tǒng)。本書(shū)從信息空間的新視野來(lái)認(rèn)知水質(zhì)系統(tǒng)，深入淺出地闡述水質(zhì)系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論和系統(tǒng)控制的原理方法，可為水質(zhì)系統(tǒng)的信息獲取與信號(hào)分析、精準(zhǔn)控制與智能控制等提供基本的理論知識(shí)和技術(shù)方法。

本書(shū)可作為高等學(xué)校環(huán)境工程、系統(tǒng)工程等專(zhuān)業(yè)高年級(jí)本科生與研究生的教材和參考用書(shū)，也可作為信息科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域科技工作者及工程技術(shù)人員的參考書(shū)。

（本文編輯：劉四旦）

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