重慶研究院劉鴻、陳昭明：構建一種理解水質系統的全新認知框架與研究范式——水質系統信息學

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水質系統信息學

劉鴻, 陳昭明著

北京: 科學出版社, 2025.12

ISBN 978-7-03-083603-8

《水質系統信息學》融合水質工程科學、系統科學、信息科學的基礎理論和最新成果，在構建以水質和水質系統為核心的概念體系基礎上，力圖運用數學語言和定義規則，將水質工程科學的單元過程與操作研究范式，變革為系統平衡與控制研究范式。前者專注單一環節、單一過程內部物質流、能量流的變化規律，后者則專注各環節、各過程之間信息流、信號流動態依賴關系的變化規律。

WQS I研究內容及方法的關系

水質系統信息學(water quality system informatics， WQSI)是在研究水質的存續狀態、水質變化的物理、化學和生物過程以及水質的生態效應等基礎上，以系統論為指導，將系統各部分、各環節動態依賴關系等信息進行信號化和數字化處理，并實現水質系統有效管控的科學。其重點在于如何獲取多源異構水質系統信息，并據此構建水質系統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系統物質流、能量流變化規律的理解，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平衡與控制研究范式的飛躍，有助于破解水質管控過程面臨的復雜難題，推動水質工程科學的理論與技術發展。

本書中的水質和水質系統是兩個最為核心的基本概念，是全書的理論基石。

本書將水質定義為：水受污染狀態信息與時間變量之間的映射關系。對水質的這種時域函數型定義，不但揭示了水質的理化特性，還體現了水質的數學和信息學特征。也就是說，水質實際上是一個時域函數，且具有信號特征，能夠架起水質理化空間與信息空間的“橋梁”，是水質工程科學研究范式變革的理論基石。這種定義，還允許我們對水質信號(函數)進行獨立的數學操作，建立水質系統的微分方程和狀態空間表達式等，從而構建水質系統控制的理論基礎和技術方法體系。

本書將水質系統定義為：由水質存續狀態或變化過程中各部分、各環節構成的相互依賴、具有特定功能的一個整體。研究水質系統時，我們重點探討各部分、各環節之間相互依賴的動態關系，盡管單一部分、單一環節內部的過程與機制是水質工程單元操作理論研究的核心內容，也是系統控制理論的微觀基礎，本書也從理論上探討了系統控制理論與單元操作理論之間的內在聯系，但關注的焦點，仍然是水質系統科學的理論基礎和控制方法。

水質系統信息的獲取過程示意

水質系統是水質信號隨時間和空間運動變化的過程網格，信號只是對系統狀態的抽象。水質信號的變化速率，即水質信號時域函數的一階導數，是衡量水質系統各部分、各環節之間相互依賴的動態關系的基本物理量。水質信息是反映水質物理、化學、生物學規律的具體內容，而水質信號是這些具體內容的物理表現形式或承載形式，如電學或光學形式。水質信號的數學表達式，完全超越了水質信息原生的具體含義，是實現水質系統有效控制的理論基礎。水質信息和信號在本書中占有特殊的重要地位。

水質系統復合管控模型示意

本書界定水質系統的5種基本信號，并圍繞這些基本信號及其組合展開論述。水質信號的分析方法，包括時域、頻域、復頻域分析方法，是傳統信號分析方法在水質系統中的最新應用。水質系統的控制理論也是建立在水質信號的數學運算基礎之上。

線性水質系統數學模型分析過程示意

本書的基本思路是：在水質概念基礎上，建立水質系統的概念體系；在水質系統物理、化學及生物學信息基礎上，建立描述線性水質系統信號變化的微分方程以及狀態空間表達式，進而建立水質系統的傳遞函數控制方法；針對非線性水質系統，則主要討論描述函數法、相平面法等，并討論智能控制的若干算法；最后，結合實際水質系統的常見問題，討論水質系統的隨機信號分析。

本書的方法學，是將水質系統內部的物質流、能量流信息，轉換為信息流、信號流的數學方程進行專門研究。這些方程超越了具體的信息內容，因此可以進行獨立的數學運算。

《水質系統信息學》系統探討水質系統信息學的理論架構，深入闡述線性水質系統的傳遞函數控制與狀態空間分析，討論非線性水質系統的描述函數法、相平面法等經典分析手段，并前瞻性地引入多種智能控制策略。這些內容既夯實了水質系統科學的理論和方法基礎，又拓展和豐富了經典控制理論的應用邊界與技術體系。

作者憑借深厚的學術積淀與豐富的工程經驗，將水質工程科學、系統科學與信息科學的理論與實踐有機融合，致力于構建一種理解水質系統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系統物質流、能量流變化規律的認知，更為解析與調控水質系統中的信息流、信號流關系提供了新路徑。

曲久輝

中國工程院院士

2025年11月

結合本書的內容可以看到，研究水質系統控制的難點之一，在于如何建立這些數學方程，特別是如何獲得這些方程中表達物質流、能量流、信息流變化特征的各個結構系數。另一個難點在于，如何判定水質系統的可觀性與可控性，這是由水質系統的化學與生物學內在特征決定的，同時也受到我們對水質系統認識的局限性制約。未來，深化對線性水質系統可觀性與可控性的理論認識，進而探索創新的設計策略甚至是顛覆式的工藝設計方法，將是水質系統信息學的重要發展方向。同時，對非線性水質系統以及水質隨機信號的分析利用原理與方法，也將是未來研究的挑戰。

本文摘編自《水質系統信息學》（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

本書是水質工程科學與系統科學、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，以應對日趨復雜嚴峻的水質管控挑戰。全書包括三篇：水質系統的信息與信號、線性水質系統、非線性水質系統。本書從信息空間的新視野來認知水質系統，深入淺出地闡述水質系統的基礎理論和系統控制的原理方法，可為水質系統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方法。

本書可作為高等學校環境工程、系統工程等專業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領域科技工作者及工程技術人員的參考書。

（本文編輯：劉四旦）

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