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“全球高校科技成果轉(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校科技成果轉(zhuǎn)化主題展。

在該主題展綜合展區(qū)的正前方，是一個服務(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(yùn)行平臺。在北京工業(yè)大學(xué)智慧環(huán)保北京實(shí)驗(yàn)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?/p>

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。二十多年前，污水處理過程控制在國內(nèi)還是“學(xué)術(shù)荒漠”，城市污水治理是個難題，運(yùn)行不穩(wěn)定且成本高。經(jīng)過近些年的艱苦攻關(guān)，形成了一些新技術(shù)并得以運(yùn)用。

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)強(qiáng)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。受訪者供圖

人工智能可以應(yīng)對污水處理的復(fù)雜過程

新京報：從冶金領(lǐng)域轉(zhuǎn)向環(huán)保領(lǐng)域，是什么契機(jī)促使你研究的領(lǐng)域發(fā)生了變化？這兩個領(lǐng)域之間有哪些相通之處？

喬俊飛：我博士就讀于東北大學(xué)，師從于冶金自動化領(lǐng)域知名專家柴天佑教授，我的博士課題是做關(guān)于冷軋板帶板形控制的研究。博士畢業(yè)后，進(jìn)入天津大學(xué)博士后流動站，研究方向也沒改變。直到2000年，我入職北京工業(yè)大學(xué)后，才開始涉入環(huán)保領(lǐng)域。

那個年代，隨著城市化進(jìn)程的加快，城市污水的產(chǎn)生量越來越大，但城市污水處理率比較低。一些大城市陸續(xù)建起了污水處理廠，但小地方的污水就直接排放了，對環(huán)境造成了比較大的影響。我記得，當(dāng)時全國約有超過半數(shù)的河流湖泊水質(zhì)受到不同程度的污染，環(huán)境保護(hù)顯得愈發(fā)緊迫。可以說，我國的污水治理也是從這個時候開始得到了各級政府的重視。

北京的城市發(fā)展更快，人口急劇增加，導(dǎo)致水資源嚴(yán)重短缺。當(dāng)年北京市啟動了“首都二四八重大創(chuàng)新工程”，水資源可持續(xù)利用是產(chǎn)業(yè)化示范項目之一。此外，隨著北京產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，鋼鐵工業(yè)逐步向周邊城市疏散。問題在哪里，我們就要去哪里研究。作為北工大的老師，我們的研究必須緊跟北京市發(fā)展的需要。多方面的因素，促使我轉(zhuǎn)入城市污水治理研究領(lǐng)域。令人欣慰的是，在今天再生水已經(jīng)成為北京“第二大水源”，約占北京淡水資源的近三分之一。

板帶軋制和污水處理都屬于流程工業(yè)，具有流程工業(yè)的共同屬性，但二者又有明顯的差異。板帶軋制過程物理特性相對明確，軋制速度相當(dāng)“快”，要求軋出的產(chǎn)品不僅要薄，且內(nèi)部應(yīng)力要均勻，否則在使用時就會變形。而污水處理不一樣，它的處理過程相對較“慢”，但其變化劇烈，生化反應(yīng)過程復(fù)雜，難以刻畫出其動力學(xué)特性，常規(guī)控制方法無法使用。

新京報：你的研究突出人工智能要與環(huán)保融合，你是從什么時候開始研究人工智能的？你也曾表示“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：我在讀博士期間就從過程數(shù)據(jù)的角度探索板形缺陷識別，提出了用自適應(yīng)諧振神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)做薄板板形模式分類，算起來從事人工智能研究已近三十年了。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種旨在模擬人腦結(jié)構(gòu)和功能的信息處理系統(tǒng)，是人工智能的主要分支。大約在15年前，我們提出的《人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自組織設(shè)計方法及應(yīng)用研究》項目就曾獲得國家自然科學(xué)基金資助，是國內(nèi)較早研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計的學(xué)者，我們通過建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)元素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，設(shè)計結(jié)構(gòu)動態(tài)在線學(xué)習(xí)算法，使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠根據(jù)承擔(dān)的任務(wù)來自主設(shè)計、自動調(diào)整。這也是“生成式人工智能”的一種實(shí)現(xiàn)方式。

我們知道污水處理過程最突出的特點(diǎn)是入水不確定性、隨機(jī)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(jī)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(shí)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)強(qiáng)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：在你看來，當(dāng)前中國污水處理行業(yè)智慧運(yùn)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(shí)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(shí)時檢測，就無法做到對污水處理過程實(shí)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(shí)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(yùn)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(shí)現(xiàn)約束條件下的優(yōu)化運(yùn)行。想去給這種非平穩(wěn)、隨機(jī)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(qiáng)，國家標(biāo)準(zhǔn)也在提高，其運(yùn)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(yùn)行在博弈中助推技術(shù)迭代進(jìn)步。

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(yùn)行平臺。新京報記者 張 建林 攝

污水處理需要機(jī)器人能參與，但不一定要把它做成人形

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(yùn)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(jī)物實(shí)現(xiàn)降解。之后，處理后的水進(jìn)入二沉池，實(shí)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(yùn)行系統(tǒng)，就是要實(shí)現(xiàn)污水處理全流程的優(yōu)化運(yùn)行。這個技術(shù)先后攻克了污染物實(shí)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(shí)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。這些研究成果公開發(fā)表后，得到國際同行借鑒使用，相關(guān)技術(shù)也獲得國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎二等獎、日內(nèi)瓦國際發(fā)明金獎等。可以說，智能優(yōu)化運(yùn)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：你長期從事計算智能與智能優(yōu)化控制領(lǐng)域研究工作。你如何看待當(dāng)前備受關(guān)注的人形機(jī)器人？在未來人形機(jī)器人和污水處理會有相關(guān)的應(yīng)用前景嗎？

喬俊飛：實(shí)際上，機(jī)器人介入制造過程并不是新鮮事。很早以前在流程工業(yè)生產(chǎn)線上就使用了機(jī)器人技術(shù)，像機(jī)械臂這類設(shè)備，只不過它只是模擬人身體的部分功能，而不是以人的形態(tài)出現(xiàn)。近年來，人形機(jī)器人越來越受到社會的關(guān)注。但從應(yīng)用角度來看，機(jī)器人的造型不是關(guān)鍵，關(guān)鍵是機(jī)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(jī)器人，特別是家政服務(wù)機(jī)器人，用戶可能會更接受人形機(jī)器人。在同樣性能的前提下，人形機(jī)器人可能會比其他形式的機(jī)器人更具有挑戰(zhàn)性。比如把機(jī)械臂固定安置在一個操作臺上，你不擔(dān)心操作臺重心的變化。但人形機(jī)器人不一樣，機(jī)器人本體也在靈活變動，這就對研制提出了更高的要求。

當(dāng)前，人形機(jī)器人本身就有商業(yè)價值，有些場景需要的不是用機(jī)器人來工作，而是需要有個人形機(jī)器人參與，吸引顧客。我個人認(rèn)為，隨著機(jī)器人廣泛介入生活，人們對機(jī)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(jī)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(jī)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(shí)用角度來講，當(dāng)自動化機(jī)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(jī)器人的需求量是很大的，并會逐步進(jìn)入服務(wù)行業(yè)。

新京報：數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)是人工智能應(yīng)用中的重要問題，在污水治理領(lǐng)域，存在涉及數(shù)據(jù)安全和隱私的問題嗎？

喬俊飛：環(huán)境數(shù)據(jù)確實(shí)帶有保密性質(zhì)。不是任何個人或者任何單位都可以隨意向外界公布環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)，目前環(huán)境的數(shù)據(jù)都由相關(guān)政府部門來發(fā)布。我們研究的目標(biāo)是做工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下的智慧水廠運(yùn)行，顛覆現(xiàn)在的運(yùn)營管理模式，實(shí)現(xiàn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)分享功能。在接觸企業(yè)過程中，不少企業(yè)就擔(dān)心數(shù)據(jù)泄露問題，所以數(shù)據(jù)安全對于污水治理尤其重要。因此，一方面需要通過協(xié)議約定數(shù)據(jù)的使用管理，另一方面需要采用區(qū)塊鏈等技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、傳送，具備操作權(quán)限的人才能夠看到數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)安全。

打造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智慧水廠，降低數(shù)字化智能化開發(fā)成本

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(jī)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：在早期，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。需要是技術(shù)最好的驅(qū)動源，實(shí)踐運(yùn)行是技術(shù)精進(jìn)的主要路徑。就像醫(yī)生看病一樣，病例見得越多，水平提高也就越快。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(yùn)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(yàn)。未來，在大型水廠運(yùn)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，我國也是最多的。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(yùn)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(yùn)營模式來看，我們反而走到前面。

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。可見，污水處理事業(yè)任重道遠(yuǎn)。

現(xiàn)在污水處理行業(yè)的運(yùn)營模式還是以廠為單位，而我們現(xiàn)在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(yùn)營。因?yàn)閺奈磥戆l(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(shí)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。從經(jīng)濟(jì)回報和數(shù)據(jù)安全來選擇，大家肯定會把數(shù)據(jù)安全放到更加優(yōu)先的位置，數(shù)據(jù)安全問題是實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營的核心問題。

新京報：做這一行有哪些成就感？另外，你有什么經(jīng)驗(yàn)和建議可以分享給青年科研人員？

喬俊飛：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。直到2006年，有一家大型環(huán)保企業(yè)主動找到我談合作，我才感覺到自己的工作得到別人認(rèn)可，更加增強(qiáng)信心，科研工作也慢慢進(jìn)入了良性發(fā)展階段。再到2011年，我負(fù)責(zé)的《城市污水處理過程建模、控制與優(yōu)化》獲得國家杰出青年基金資助，更加堅定了從事這個事業(yè)的決心。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。

對于學(xué)生和現(xiàn)在的青年科研人員來講，我覺得首先還是要找到自己真正的興趣，因?yàn)橄矚g的事情干起來不覺得累。其次是能夠“坐得住”，任何成績的取得都不是一蹴而就的，必須付出艱辛的努力。我時常和自己的學(xué)生說，你們要是管理不好時間，就按照我的時間來，我什么時候來，你們就什么時候來，我什么時候走，你們就什么時候走。當(dāng)然，我的學(xué)生都非常務(wù)實(shí)能干。

新京報記者 張建林

編輯 張磊 校對 劉越