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水質(zhì)系統(tǒng)信息學

劉鴻, 陳昭明著

北京: 科學出版社, 2025.12

ISBN 978-7-03-083603-8

《水質(zhì)系統(tǒng)信息學》融合水質(zhì)工程科學、系統(tǒng)科學、信息科學的基礎(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，力圖運用數(shù)學語言和定義規(guī)則，將水質(zhì)工程科學的單元過程與操作研究范式，變革為系統(tǒng)平衡與控制研究范式。前者專注單一環(huán)節(jié)、單一過程內(nèi)部物質(zhì)流、能量流的變化規(guī)律，后者則專注各環(huán)節(jié)、各過程之間信息流、信號流動態(tài)依賴關(guān)系的變化規(guī)律。

WQS I研究內(nèi)容及方法的關(guān)系

水質(zhì)系統(tǒng)信息學(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、化學和生物過程以及水質(zhì)的生態(tài)效應(yīng)等基礎(chǔ)上，以系統(tǒng)論為指導，將系統(tǒng)各部分、各環(huán)節(jié)動態(tài)依賴關(guān)系等信息進行信號化和數(shù)字化處理，并實現(xiàn)水質(zhì)系統(tǒng)有效管控的科學。其重點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)的信息學表達方式和管控模型。

這種變革不僅深化了對水質(zhì)系統(tǒng)物質(zhì)流、能量流變化規(guī)律的理解，還提供了對信息流、信號流傳遞變化的分析方法和控制策略，為水質(zhì)工程科學的研究和實踐帶來全新視角。這種從單元過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)管控過程面臨的復雜難題，推動水質(zhì)工程科學的理論與技術(shù)發(fā)展。

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

本書將水質(zhì)定義為：水受污染狀態(tài)信息與時間變量之間的映射關(guān)系。對水質(zhì)的這種時域函數(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)學和信息學特征。也就是說，水質(zhì)實際上是一個時域函數(shù)，且具有信號特征，能夠架起水質(zhì)理化空間與信息空間的“橋梁”，是水質(zhì)工程科學研究范式變革的理論基石。這種定義，還允許我們對水質(zhì)信號(函數(shù))進行獨立的數(shù)學操作，建立水質(zhì)系統(tǒng)的微分方程和狀態(tài)空間表達式等，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。

本書將水質(zhì)系統(tǒng)定義為：由水質(zhì)存續(xù)狀態(tài)或變化過程中各部分、各環(huán)節(jié)構(gòu)成的相互依賴、具有特定功能的一個整體。研究水質(zhì)系統(tǒng)時，我們重點探討各部分、各環(huán)節(jié)之間相互依賴的動態(tài)關(guān)系，盡管單一部分、單一環(huán)節(jié)內(nèi)部的過程與機制是水質(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，仍然是水質(zhì)系統(tǒng)科學的理論基礎(chǔ)和控制方法。

水質(zhì)系統(tǒng)信息的獲取過程示意

水質(zhì)系統(tǒng)是水質(zhì)信號隨時間和空間運動變化的過程網(wǎng)格，信號只是對系統(tǒng)狀態(tài)的抽象。水質(zhì)信號的變化速率，即水質(zhì)信號時域函數(shù)的一階導數(shù)，是衡量水質(zhì)系統(tǒng)各部分、各環(huán)節(jié)之間相互依賴的動態(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、生物學規(guī)律的具體內(nèi)容，而水質(zhì)信號是這些具體內(nèi)容的物理表現(xiàn)形式或承載形式，如電學或光學形式。水質(zhì)信號的數(shù)學表達式，完全超越了水質(zhì)信息原生的具體含義，是實現(xiàn)水質(zhì)系統(tǒng)有效控制的理論基礎(chǔ)。水質(zhì)信息和信號在本書中占有特殊的重要地位。

水質(zhì)系統(tǒng)復合管控模型示意

本書界定水質(zhì)系統(tǒng)的5種基本信號，并圍繞這些基本信號及其組合展開論述。水質(zhì)信號的分析方法，包括時域、頻域、復頻域分析方法，是傳統(tǒng)信號分析方法在水質(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)信號的數(shù)學運算基礎(chǔ)之上。

線性水質(zhì)系統(tǒng)數(shù)學模型分析過程示意

本書的基本思路是：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、化學及生物學信息基礎(chǔ)上，建立描述線性水質(zhì)系統(tǒng)信號變化的微分方程以及狀態(tài)空間表達式，進而建立水質(zhì)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)控制方法；針對非線性水質(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)合實際水質(zhì)系統(tǒng)的常見問題，討論水質(zhì)系統(tǒng)的隨機信號分析。

本書的方法學，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、信號流的數(shù)學方程進行專門研究。這些方程超越了具體的信息內(nèi)容，因此可以進行獨立的數(shù)學運算。

《水質(zhì)系統(tǒng)信息學》系統(tǒng)探討水質(zhì)系統(tǒng)信息學的理論架構(gòu)，深入闡述線性水質(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)容既夯實了水質(zhì)系統(tǒng)科學的理論和方法基礎(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。

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

曲久輝

中國工程院院士

2025年11月

結(jié)合本書的內(nèi)容可以看到，研究水質(zhì)系統(tǒng)控制的難點之一，在于如何建立這些數(shù)學方程，特別是如何獲得這些方程中表達物質(zhì)流、能量流、信息流變化特征的各個結(jié)構(gòu)系數(shù)。另一個難點在于，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)的化學與生物學內(nèi)在特征決定的，同時也受到我們對水質(zhì)系統(tǒng)認識的局限性制約。未來，深化對線性水質(zhì)系統(tǒng)可觀性與可控性的理論認識，進而探索創(chuàng)新的設(shè)計策略甚至是顛覆式的工藝設(shè)計方法，將是水質(zhì)系統(tǒng)信息學的重要發(fā)展方向。同時，對非線性水質(zhì)系統(tǒng)以及水質(zhì)隨機信號的分析利用原理與方法，也將是未來研究的挑戰(zhàn)。

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

ISBN 978-7-03-083603-8

責任編輯: 劉 琳

本書是水質(zhì)工程科學與系統(tǒng)科學、信息科學融合滲透的成果，旨在為讀者提供一個全面的理論框架和實踐指南，以應(yīng)對日趨復雜嚴峻的水質(zhì)管控挑戰(zhàn)。全書包括三篇：水質(zhì)系統(tǒng)的信息與信號、線性水質(zhì)系統(tǒng)、非線性水質(zhì)系統(tǒng)。本書從信息空間的新視野來認知水質(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)的信息獲取與信號分析、精準控制與智能控制等提供基本的理論知識和技術(shù)方法。

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

（本文編輯：劉四旦）

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