智慧环保前沿技术丛书--城市污水处理过程智能优化控制

本书介绍了城市污水处理过程建模方法、过程控制方法以及常见的污水处理过程优化方法等，提出了各类典型场景从设计到实现的整体解决方案，向读者展现污水处理优化运行方面近几十年涌现的新方法和新理论，如数据驱动、知识驱动的智能特征建模理论，自组织控制和模型预测控制等先进的控制理论，以及多目标智能优化理论等，形成了一套适用的优化控制系统，旨在解决污水处理过程的关键水质参数难以在线获取、过程难以精确控制以及运行难以优化决策等问题，助力实现人与自然和谐共生。

随着人类社会文明的进步和公众环保意识的增强，科学合理地利用自然资源，全面系统地保护生态环境已经成为世界各国可持续发展的必然选择。环境保护是指人类科学合理地保护并利用自然资源，防止自然环境受到污染和破坏的一切活动。环境保护的本质是协调人类与自然的关系，维持人类社会发展和自然环境延续的动态平衡。由于生态环境是一个复杂的动态大系统，实现人类与自然和谐共生是一项具有系统性、复杂性、长期性和艰巨性的任务，必须依靠科学理论和先进技术的支撑才能完成。
面向国家生态文明建设，聚焦污染防治国家重大需求，北京工业大学“环保自动化”研究团队瞄准人工智能与自动化学科前沿，围绕空气质量监控、水污染治理、城市固废处理等社会共性难题，从信息学科的视角研究环境污染防治自动化、智能化技术，助力国家打好“蓝天碧水净土”保卫战。作为环保自动化领域的拓荒者，研究团队经过二十多年的潜心钻研，在水环境智能感知与智慧监控、城市污水处理过程智能优化控制、城市供水系统智能优化与控制、城市固废焚烧过程智能优化控制以及空气质量智能感知、识别与监控等方面取得了重要进展，形成了具有自主知识产权的环境质量感知、自主优化决策、智慧监控管理等环境保护新技术。为了促进人工智能与自动化理论发展和环保自动化技术进步，更好地服务国家生态文明建设，团队在前期研究的基础上总结凝练成“智慧环保前沿技术丛书”，希望为我国环保智能化发展贡献一份力量。
本书的主要内容包括城市污水处理现状分析、运行指标智能特征检测、性能指标智能优化设定、单目标和多目标智能优化控制、动态目标智能优化控制、多任务智能优化控制、多时间尺度分层智能优化控制、全流程协同优化控制以及城市污水处理智能优化控制发展前景分析等，为城市污水处理过程优化运行提供了理论方法和技术基础。本书致力于科学治污、精准治污，研究以出水水质稳定达标、处理过程高效节能为目标的城市污水处理精细化控制基础理论和关键技术，旨在解决制约城市污水处理高效低成本运行中的共性问题，提升城市污水处理厂运营水平，助力国家持续深入打好碧水净土保卫战。
本书的研究工作得到了国家自然科学基金项目(62021003、61890930) 和科技创新2030—“新一代人工智能”重大项目(2021ZD0112301、2021ZD0112302) 的资助。感谢国家自然科学基金委员会、科技部长期以来的支持，使得我们团队能够心无旁骛地潜心研究。感谢我的团队教师李文静、杨翠丽、杜胜利和研究生刘洪旭、张嘉诚、陈聪、王童等，他们在资料查找、公式整理、图形绘制、数值试验等方面做了大量的工作，为本书的出版进程和出版质量提高做出了贡献。感谢自动化和水污染控制领域的专家学者，你们的成功实践激励了我们继续创新的勇气，你们的前期探索使本书内容得到进一步升华。鉴于自动化、人工智能、环境工程领域知识体系不断丰富和发展，而作者的知识积累有限，书中难免有不妥之处，敬请广大读者批评指正。

乔俊飞，北京工业大学教授、博士生导师，环保自动化领域专家。国家自然科学基金创新群体项目负责人，教育部“长江学者奖励计划”特聘教授，国家杰出青年基金获得者，国家级百千万人才工程入选者，享受国务院特殊津贴专家。现任智慧环保北京实验室主任、智能感知与自主控制教育部工程中心主任，兼任中国人工智能学会常务理事，中国自动化学会理事。
长期从事计算智能与智能优化控制领域研究工作，在污染防治过程智能特征检测、自组织控制和多目标动态优化方面取得开创性成果，多项成果已广泛应用于环保企业生产实践，取得了显著的经济、社会和生态效益。

韩红桂，北京工业大学研究生院副院长、教授、博士生导师。教育部工程研究中心主任、北京市重点实验室主任、中国自动化学会环境保护与自动化专业委员会秘书长。国家自然科学基金杰出青年基金获得者、国家自然科学基金优秀青年基金获得者、中国自动化学会青年科学家。研究方向为复杂系统智能控制理论与技术。主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重大项目课题等多项。在国内外权威期刊上发表论文100余篇，获得授权中国/美国发明专利50余项，主持/参与制定国家/团体/地方标准10余项，获国家科学技术进步奖二等奖、教育部科学技术进步奖一等奖等 。

伍小龙，北京工业大学副教授、硕土生导师。主要研究方向为城市污水处理过程智能控制。主持国家自然科学基金青年科学基金项目1项，参与国家自然科学基金重大项目、国家重点研发计划项目等。在国内外期刊及会议上发表学术论文16篇，获授权国家发明专利3项。获中国自动化学会优秀博士学位论文奖、中国发明协会发明创新奖一等奖(金奖)等。

本书介绍了我国城市污水处理运行现状以及污水处理系统特性，阐述了实施城市污水处理优化运行控制的重要意义，介绍了与城市污水处理过程中的优化运行过程建模、控制以及优化相关的理论、方法和技术。其中，依据实际污水处理厂运营和城市污水处理过程自动化系统建设的需求，从多角度详细阐述城市污水处理优化运行控制的内涵，并分别对城市污水处理过程建模、过程控制以及优化等方面的设计和应用案例进行了详述；另外对城市污水处理优化运行控制的前沿技术也进行了论述。
本书主要面向高校信息类与环保领域本科生和研究生、城市污水处理自动化运行管理人员，以及研究工业运行优化控制的科技人员。

第1章 绪论 001
1.1 城市污水处理现状 002
1.1.1 城市污水处理面临的问题 003
1.1.2 城市污水处理过程控制技术发展 005
1.2 城市污水处理过程运行特点 008
1.2.1 城市污水处理工艺简介 008
1.2.2 城市污水处理主要流程及特点 011
1.3 城市污水处理过程优化控制研究现状 016
1.3.1 机理驱动的城市污水处理过程优化控制研究现状 016
1.3.2 数据驱动的城市污水处理过程优化控制研究现状 019
1.3.3 知识驱动的城市污水处理过程优化控制研究现状 022
1.4 城市污水处理过程优化控制的主要挑战 025
1.4.1 城市污水处理过程运行指标模型构建 025
1.4.2 城市污水处理过程性能指标优化设定 026
1.4.3 城市污水处理过程优化设定值跟踪控制 027
1.5章节安排 027

第2章 城市污水处理过程运行指标智能特征检测 031
2.1 概述 032
2.2 城市污水处理过程运行指标特性分析 032
2.2.1 城市污水处理过程运行指标机理分析 032
2.2.2 城市污水处理过程运行指标关联度分析 037
2.3 城市污水处理过程运行指标特征变量挖掘 038
2.3.1 城市污水处理过程运行指标辅助变量选取 038
2.3.2 城市污水处理过程运行指标特征变量选取 041
2.4 城市污水处理过程运行指标智能特征检测模型设计 043
2.4.1 城市污水处理过程运行指标智能特征检测模型结构设计 043
2.4.2 城市污水处理过程运行智能特征检测模型参数设计 045
2.4.3 城市污水处理过程运行智能特征检测模型校正 049
2.5 城市污水处理过程典型运行指标智能特征检测实现 052
2.5.1 城市污水处理过程运行指标智能特征检测实验设计 053
2.5.2 城市污水处理过程运行指标智能特征检测结果分析 053
2.6 本章小结 058

第3章 城市污水处理过程性能指标智能优化设定 061
3.1 概述 062
3.2 城市污水处理过程性能指标特性分析 063
3.2.1 城市污水处理过程性能指标机理分析 063
3.2.2 城市污水处理过程性能指标关联度分析 065
3.3 城市污水处理过程性能指标优化目标构建 067
3.3.1 城市污水处理过程性能指标优化目标设计 067
3.3.2 城市污水处理过程性能指标优化目标参数更新 068
3.3.3 城市污水处理过程性能指标模型收敛性分析 069
3.4 城市污水处理过程性能指标智能优化设定方法设计 072
3.4.1 城市污水处理过程性能指标智能优化方法设计 072
3.4.2 城市污水处理过程性能指标优化设定 074
3.4.3 城市污水处理过程性能指标优化设定性能分析 080
3.5 城市污水处理过程性能指标智能优化设定实现 084
3.5.1 城市污水处理过程性能指标智能优化设定实验设计 084
3.5.2 城市污水处理过程性能指标智能优化设定结果分析 086
3.6 本章小结 099

第4章 城市污水处理过程单目标智能优化控制 101
4.1 概述 102
4.2 城市污水处理过程单目标智能优化控制基础 103
4.2.1 城市污水处理过程单目标智能优化控制基本架构 103
4.2.2 城市污水处理过程单目标智能优化控制特点分析 103
4.3 城市污水处理过程单目标智能优化设定方法设计 106
4.3.1 城市污水处理过程单目标影响因素分析 106
4.3.2 城市污水处理过程单目标优化模型构建 109
4.3.3 城市污水处理过程单目标智能优化设定方法 109
4.4 城市污水处理过程单目标智能优化控制方法设计 111
4.4.1 城市污水处理过程单目标智能优化控制算法设计 111
4.4.2 城市污水处理过程单目标智能优化控制算法实现 112
4.4.3 城市污水处理过程单目标智能优化控制性能分析 114
4.5 城市污水处理过程典型目标智能优化控制实现 115
4.5.1 城市污水处理过程典型目标智能优化控制实验设计 115
4.5.2 城市污水处理过程典型目标智能优化控制结果分析 117
4.6 本章小结 119

第5章 城市污水处理过程多目标智能优化控制 121
5.1 概述 122
5.2 城市污水处理过程多目标智能优化控制基础 123
5.2.1 城市污水处理过程多目标智能优化控制基本架构 123
5.2.2 城市污水处理过程多目标智能优化控制特点分析 125
5.3 城市污水处理过程多目标智能优化设定方法设计 127
5.3.1 城市污水处理过程多目标影响因素分析 127
5.3.2 城市污水处理过程多目标优化模型构建 128
5.3.3 城市污水处理过程多目标智能优化设定方法 129
5.4 城市污水处理过程多目标智能优化控制方法设计 134
5.4.1 城市污水处理过程多目标智能优化控制算法设计 134
5.4.2 城市污水处理过程多目标智能优化控制性能分析 136
5.5 城市污水处理过程典型多目标智能优化控制实现 136
5.5.1 城市污水处理过程典型多目标智能优化控制实验设计 137
5.5.2 城市污水处理过程典型多目标智能优化控制结果分析 137
5.6 本章小结 145

第6章 城市污水处理过程动态目标智能优化控制 147
6.1 概述 148
6.2 城市污水处理过程动态目标智能优化控制基础 149
6.2.1 城市污水处理过程动态目标智能优化控制基本架构 149
6.2.2 城市污水处理过程动态目标智能优化控制特点分析 150
6.3 城市污水处理过程动态目标构建 152
6.3.1 城市污水处理过程动态目标影响因素分析 152
6.3.2 城市污水处理过程动态目标优化模型构建 158
6.3.3 城市污水处理过程动态目标优化模型更新 161
6.4 城市污水处理过程动态目标智能优化设定方法设计 161
6.4.1 城市污水处理过程动态目标智能优化方法设计 161
6.4.2 城市污水处理过程动态目标智能优化设定 162
6.4.3 城市污水处理过程动态目标智能优化设定性能评价 164
6.5 城市污水处理过程动态目标智能优化控制方法设计 166
6.5.1 城市污水处理过程动态目标智能优化控制算法设计 166
6.5.2 城市污水处理过程动态目标智能优化控制算法实现 173
6.5.3 城市污水处理过程动态目标智能优化控制性能分析 173
6.6 城市污水处理过程典型动态目标智能优化控制实现 177
6.6.1 城市污水处理过程典型动态目标智能优化控制实验设计 177
6.6.2 城市污水处理过程典型动态目标智能优化控制结果分析 178
6.7 本章小结 181

第7章 城市污水处理过程多任务智能优化控制 183
7.1 概述 184
7.2 城市污水处理过程多任务智能优化控制基础 184
7.2.1 城市污水处理过程多任务智能优化控制基本架构 184
7.2.2 城市污水处理过程多任务智能优化控制特点分析 185
7.3 城市污水处理过程多任务优化目标构建 187
7.3.1 城市污水处理过程多任务影响因素分析 188
7.3.2 城市污水处理过程多任务目标优化模型构建 189
7.3.3 城市污水处理过程多任务目标优化模型调整 191
7.4 城市污水处理过程多任务智能优化设定方法设计 192
7.4.1 城市污水处理过程多任务智能优化方法设计 192
7.4.2 城市污水处理过程多任务智能优化设定 196
7.4.3 城市污水处理过程多任务智能优化设定性能评价 197
7.5 城市污水处理过程多任务智能优化控制方法设计 200
7.5.1 城市污水处理过程多任务智能优化控制算法设计 201
7.5.2 城市污水处理过程多任务智能优化控制算法实现 202
7.5.3 城市污水处理过程多任务智能优化控制性能分析 203
7.6 城市污水处理过程典型多任务智能优化控制实现 204
7.6.1 城市污水处理过程典型多任务智能优化控制实验设计 204
7.6.2 城市污水处理过程典型多任务智能优化控制结果分析 204
7.7 本章小结 215

第8章 城市污水处理过程多时间尺度分层智能优化控制 217
8.1 概述 218
8.2 城市污水处理过程多时间尺度分层智能优化控制基础 219
8.2.1 城市污水处理过程多时间尺度分层智能优化控制基本架构 219
8.2.2 城市污水处理过程多时间尺度分层智能优化控制特点分析 220
8.3 城市污水处理过程多时间尺度优化目标构建 221
8.3.1 城市污水处理过程多时间尺度性能指标影响因素分析 221
8.3.2 城市污水处理过程多时间尺度优化目标设计 221
8.3.3 城市污水处理过程多时间尺度优化目标动态更新 222
8.4 城市污水处理过程多时间尺度分层智能优化设定方法设计 223
8.4.1 城市污水处理过程多时间尺度分层智能优化方法设计 223
8.4.2 城市污水处理过程多时间尺度分层智能优化设定 224
8.4.3 城市污水处理过程多时间尺度分层优化设定性能评价 227
8.5 城市污水处理过程多时间尺度分层智能优化控制方法设计 228
8.5.1 城市污水处理过程多时间尺度分层智能优化控制算法设计 228
8.5.2 城市污水处理过程多时间尺度分层智能优化控制算法实现 229
8.5.3 城市污水处理过程多时间尺度分层智能优化控制性能分析 230
8.6 城市污水处理典型过程多时间尺度分层智能优化控制实现 232
8.6.1 城市污水处理过程多时间尺度分层智能优化控制实验设计 232
8.6.2 城市污水处理过程多时间尺度分层智能优化控制结果分析 232
8.7 本章小结 243

第9章 城市污水处理过程全流程协同优化控制 245
9.1 概述 246
9.2 城市污水处理过程全流程协同优化控制基础 246
9.2.1 城市污水处理过程全流程协同优化控制基本架构 247
9.2.2 城市污水处理过程全流程协同优化控制特点分析 249
9.3 城市污水处理过程全流程运行指标特性分析 250
9.3.1 城市污水处理过程全流程性能指标相关性分析 251
9.3.2 城市污水处理过程全流程性能指标相关性评价 252
9.4 城市污水处理过程全流程协同优化目标构建 252
9.4.1 城市污水处理过程全流程协同优化目标影响因素分析 253
9.4.2 城市污水处理过程全流程协同优化目标设计 255
9.4.3 城市污水处理过程全流程协同优化目标动态更新 256
9.5 城市污水处理过程全流程协同优化设定方法设计 257
9.5.1 城市污水处理过程全流程协同优化方法设计 257
9.5.2 城市污水处理过程全流程协同优化设定 258
9.5.3 城市污水处理过程全流程协同优化设定性能评价 263
9.6 城市污水处理过程全流程协同优化控制方法设计 264
9.6.1 城市污水处理过程全流程协同优化控制算法设计 264
9.6.2 城市污水处理过程全流程协同优化控制算法实现 264
9.6.3 城市污水处理过程全流程协同优化控制性能分析 271
9.7 城市污水处理过程全流程协同优化控制实现 275
9.7.1 城市污水处理过程全流程协同优化控制实验设计 275
9.7.2 城市污水处理过程全流程协同优化控制结果分析 276
9.8 本章小结 282

第10章 城市污水处理过程智能优化控制发展前景 285
10.1 概述 286
10.2 城市污水处理过程运行指标智能特征检测方法 286
10.3 城市污水处理过程性能指标智能优化设定方法 288
10.4 城市污水处理过程智能优化控制方法 289
10.5 城市污水处理过程智能优化控制系统 290

参考文献 291