AI可賦能污水處理 打造智慧水廠
千龍網(wǎng)2025-04-01 02:07
作為2025中關(guān)村論壇年會的重要組成部分，中關(guān)村國際技術(shù)交易大會“全球高�？萍汲晒D(zhuǎn)化促進(jìn)大會”近日在北京工業(yè)大學(xué)奧林匹克體育館舉辦。除了信息量“爆炸”的3場主題論壇外，現(xiàn)場觀眾把眼光和鏡頭對向全球高�？萍汲晒D(zhuǎn)化主題展。
在主題展綜合展區(qū)，有一個服務(wù)京津冀城市水環(huán)境治理的城市污水處理全流程智能優(yōu)化運行平臺。在北京工業(yè)大學(xué)智慧環(huán)保北京實驗室里，這個平臺連接著數(shù)十公里外的污水處理廠，工作人員通過操作調(diào)控，污水在程序控制中逐漸凈化，最后由廢水變?yōu)樯钣盟?/span>
讓本已失去應(yīng)用功能的水變成可以用的再生水，這是件利國利民的事。在這條路上，北京工業(yè)大學(xué)黨委副書記喬俊飛帶著團(tuán)隊走了二十多年。在污水處理中，如何讓處理成本更低，怎么才能使污染物排放更少，是個永久的課題。近日，喬俊飛在接受新京報記者專訪時表示，人工智能（AI）在完成污水處理調(diào)控任務(wù)中展現(xiàn)出強大的能力和優(yōu)勢，是打好污染防治攻堅戰(zhàn)的利器。“只要有人類存在，污染治理這個事業(yè)就永無止境。”
北京工業(yè)大學(xué)黨委副書記喬俊飛�！∈茉L者供圖
談人工智能
人工智能可以應(yīng)對污水處理的復(fù)雜過程
新京報：你的研究突出人工智能要與環(huán)保融合，曾表示“人工智能是以更高標(biāo)準(zhǔn)打贏污染防治攻堅戰(zhàn)的重要‘法寶’”。人工智能在污水處理中的核心價值到底是什么？
喬俊飛：我們知道污水處理過程最突出的特點是入水不確定性、隨機性，生化反應(yīng)過程復(fù)雜。這種依靠微生物生命活動來降解有機污染物的過程，難以建立起精確數(shù)學(xué)表達(dá)模型。而人工智能是處理數(shù)據(jù)的有力工具，可以通過過程數(shù)據(jù)來解析和調(diào)控污水處理過程。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，污水處理過程中很多數(shù)據(jù)得到實時測量，這些數(shù)據(jù)可以及時地反映出污水的流量、組分和各類污染物的含量。及時處理好這些數(shù)據(jù)，并從中挖掘出有用的信息，對污水處理調(diào)控至關(guān)重要。
此外，污水處理過程相對緩慢，完全滿足人工智能迭代學(xué)習(xí)的時間要求。因此，人工智能在完成污水處理調(diào)控任務(wù)中展現(xiàn)出強大的能力和優(yōu)勢，可以說是打好污染防治攻堅戰(zhàn)的利器。
新京報：你如何看待當(dāng)前備受關(guān)注的人形機器人？在未來人形機器人和污水處理會有相關(guān)的應(yīng)用前景嗎？
喬俊飛：近年來，人形機器人越來越受到社會的關(guān)注。但從應(yīng)用角度來看，機器人的造型不是關(guān)鍵，關(guān)鍵是機器人所具備的功能和解決問題的能力。當(dāng)然，對于服務(wù)機器人，特別是家政服務(wù)機器人，用戶可能會更接受人形機器人。在同樣性能的前提下，人形機器人可能會比其他形式的機器人更具有挑戰(zhàn)性。
當(dāng)前，人形機器人本身就有商業(yè)價值，有些場景需要的不是用機器人來工作，而是需要有個人形機器人參與，吸引顧客。我個人認(rèn)為，隨著機器人廣泛介入生活，人們對機器人形狀的關(guān)注熱度會逐步下降，各行各業(yè)最終還是會選用自己最合適的智能機器來完成工作。在污水處理廠，其特殊的環(huán)境對人來說并不是很友好，所以肯定存在用智能機器人來參與污水處理過程的場景，但我們也不一定必須把它做成人形。
從實用角度來講，當(dāng)自動化機械能夠進(jìn)入千家萬戶的時候，最終還是要考慮性價比。但不可否認(rèn)的是，目前機器人的需求量是很大的，并會逐步進(jìn)入服務(wù)行業(yè)。
談“卡脖子”問題
污水處理出水水質(zhì)檢測是行業(yè)共同面臨的難題
新京報：在今年的中關(guān)村論壇上，你和團(tuán)隊研發(fā)的城市污水處理全流程智能優(yōu)化運行系統(tǒng)閃耀亮相展會。這個系統(tǒng)工作原理和優(yōu)勢是什么？
喬俊飛：從現(xiàn)場的工藝流程模型上可以看到，污水經(jīng)過粗格柵和細(xì)格柵過濾進(jìn)入初沉池，經(jīng)過物理處理后的廢水進(jìn)入生化反應(yīng)池，這是污水處理中最重要的環(huán)節(jié)。在生化反應(yīng)池中，水里的微生物通過生命活動對污水中的有機物實現(xiàn)降解。之后，處理后的水進(jìn)入二沉池，實現(xiàn)泥水分離。被凈化的水再通過膜進(jìn)行深度處理后，就成了再生水，可以重新回到人們的生活中。
具體來說，這個城市污水處理智慧運行系統(tǒng)，就是要實現(xiàn)污水處理全流程的優(yōu)化運行。這個技術(shù)先后攻克了污染物實時檢測、裝備適時配置和全流程優(yōu)化控制等共性難題，率先實現(xiàn)了城市污水處理過程“智能感知-動態(tài)優(yōu)化-自主調(diào)控”，為城市污水高效資源化利用提供了智慧大腦�？梢哉f，智能優(yōu)化運行系統(tǒng)有力地推動行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，引領(lǐng)污水處理行業(yè)智能化發(fā)展。
新京報：在你看來，當(dāng)前中國污水處理行業(yè)智慧運行亟待突破的“卡脖子”問題是什么？
喬俊飛：污水處理的目標(biāo)是出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)且處理成本最低。要想實現(xiàn)這個目標(biāo)，就必須對污水處理過程進(jìn)行適時最佳調(diào)控。要做到適時最佳調(diào)控就要知道污水處理過程狀態(tài)和出水水質(zhì)的信息。而出水水質(zhì)檢測多數(shù)需要經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)，檢測時間長。比如COD（化學(xué)需氧量）需要3到4個小時才能獲得，BOD（生化需氧量）的精確測量需要5天左右。關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)不能實時檢測，就無法做到對污水處理過程實時調(diào)控。因此，污水處理出水水質(zhì)檢測是行業(yè)共同面臨的“卡脖子”難題。
污水處理過程調(diào)控的另一個難題是由于進(jìn)入污水處理廠的入水處于開放的狀態(tài)，水質(zhì)水量、污染物成分和污染負(fù)荷一直都在變化，導(dǎo)致污水處理一直沒有一個穩(wěn)定的過程。這就要求過程控制器要隨著污水的變化而不斷地調(diào)整，對這樣的非平穩(wěn)過程實施穩(wěn)定控制本身就是控制界的難題。再加上污水處理是一個公益事業(yè)，在穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的前提下，希望運行的成本最低，這就要求對工藝設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化配置，實現(xiàn)約束條件下的優(yōu)化運行。想去給這種非平穩(wěn)、隨機變動劇烈的對象做精準(zhǔn)控制，難度很大。
另外，從社會要求來看，不管是污水排放，還是再生水回用都要達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。隨著環(huán)保意識的加強，國家標(biāo)準(zhǔn)也在提高，其運行成本也會上漲，就必須尋求更好的技術(shù)去滿足要求。這樣，處理成本和達(dá)標(biāo)運行在博弈中助推技術(shù)迭代進(jìn)步。
談愿景
打造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智慧水廠 實現(xiàn)數(shù)字共享
新京報：本屆中關(guān)村論壇上，有來自全球20個國家的93所高校，其各自探索的大學(xué)科技園建設(shè)機制、科技成果轉(zhuǎn)化模式被大會組委會匯編成冊，收錄了105個案例。讓污染防治的中國方案走向世界，你如何看待當(dāng)前中國環(huán)保技術(shù)在國際上的地位和影響力？
喬俊飛：早期，我們主要引進(jìn)發(fā)達(dá)國家污水處理技術(shù)，處于跟著別人學(xué)習(xí)的階段。進(jìn)入新世紀(jì)以來，隨著國家對環(huán)境治理的重視，污水處理廠也越建越多，我們開始自主探索核心技術(shù)。由于我國人口多，污水量大，污水處理廠也最多，這就為我們提供了一個天然優(yōu)勢場景。經(jīng)過近二十年的發(fā)展，我國企業(yè)不僅解決了國內(nèi)的污水處理問題，有部分企業(yè)甚至走出國門，開始給別的國家建設(shè)污水處理廠，去運營管控污水處理。
目前，世界上百萬噸以上的大型水廠，中國占到了百分之七八十，我們已經(jīng)積累了較為豐富的治理經(jīng)驗。未來，在大型水廠運營管理方面，我們完全有可能引領(lǐng)該行業(yè)的發(fā)展。再比如在水廠建設(shè)方面，我們也逐步取得領(lǐng)先地位。目前環(huán)境友好式的下沉式水廠我國是最多的。下沉式水廠建在地下節(jié)省了空間，水廠上面可以規(guī)劃景觀綠化、運動場地等，鄰避效應(yīng)好，周邊老百姓接受程度也高。從這種新的運營模式來看，我們走到了前面。
新京報：對于智慧環(huán)保領(lǐng)域的未來發(fā)展，你還有哪些期望和建議？
喬俊飛：關(guān)于污水處理，不論是達(dá)標(biāo)排放，還是再生利用，應(yīng)該說是沒有最好，只有更好。怎么把成本做得更低，怎樣把污染物降到更少，這是一個永恒的課題。所以我覺得，只要文明的人類存在，這個事業(yè)就永無止境。就像剛剛提到的，隨著社會的發(fā)展，人們對環(huán)境的要求越來越高，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)也越來越高，這就需要不斷提升技術(shù)，更新裝備�？梢�，污水處理事業(yè)任重道遠(yuǎn)。
現(xiàn)在污水處理行業(yè)的運營模式還是以廠為單位，而我們想做的是打造一個工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，把每一個智慧水廠掛到這個互聯(lián)網(wǎng)上運營。因為從未來發(fā)展來看，數(shù)據(jù)共享力度越大，經(jīng)濟(jì)成本就會越低。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)上面研發(fā)一個垂直大模型，通過“云邊端”結(jié)合，把各個智慧水廠管控起來。共性化的任務(wù)放在“云”側(cè)完成，個性化的任務(wù)則放在“邊”側(cè)和“端”側(cè)完成。這樣一來，數(shù)字化智能化開發(fā)成本就會大幅降低，實現(xiàn)數(shù)字共享。當(dāng)然，這個設(shè)想肯定不是10年或8年就能做到的，它需要長期的努力。
我覺得正向激勵對科研工作者來說至關(guān)重要。在我們初期做污水處理優(yōu)化控制時，由于沒有太多的研究成果能借鑒，也有忐忑不安的心理，但還是硬著頭皮堅持下來了。
經(jīng)過幾十年奮斗，在控制領(lǐng)域里，只要提到污水處理控制，大家就會想到北工大，可能會閃現(xiàn)出“喬俊飛”這個名字，我覺得這是我科研生涯中最大的成就。（記者 張建林）
