重庆研究院刘鸿、陈昭明：构建一种理解水质系统的全新认知框架与研究范式——水质系统信息学

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水质系统信息学

刘鸿, 陈昭明著

北京: 科学出版社, 2025.12

ISBN 978-7-03-083603-8

《水质系统信息学》融合水质工程科学、系统科学、信息科学的基础理论和最新成果，在构建以水质和水质系统为核心的概念体系基础上，力图运用数学语言和定义规则，将水质工程科学的单元过程与操作研究范式，变革为系统平衡与控制研究范式。前者专注单一环节、单一过程内部物质流、能量流的变化规律，后者则专注各环节、各过程之间信息流、信号流动态依赖关系的变化规律。

WQS I研究内容及方法的关系

水质系统信息学(water quality system informatics， WQSI)是在研究水质的存续状态、水质变化的物理、化学和生物过程以及水质的生态效应等基础上，以系统论为指导，将系统各部分、各环节动态依赖关系等信息进行信号化和数字化处理，并实现水质系统有效管控的科学。其重点在于如何获取多源异构水质系统信息，并据此构建水质系统的信息学表达方式和管控模型。

这种变革不仅深化了对水质系统物质流、能量流变化规律的理解，还提供了对信息流、信号流传递变化的分析方法和控制策略，为水质工程科学的研究和实践带来全新视角。这种从单元过程与操作研究范式到系统平衡与控制研究范式的飞跃，有助于破解水质管控过程面临的复杂难题，推动水质工程科学的理论与技术发展。

本书中的水质和水质系统是两个最为核心的基本概念，是全书的理论基石。

本书将水质定义为：水受污染状态信息与时间变量之间的映射关系。对水质的这种时域函数型定义，不但揭示了水质的理化特性，还体现了水质的数学和信息学特征。也就是说，水质实际上是一个时域函数，且具有信号特征，能够架起水质理化空间与信息空间的“桥梁”，是水质工程科学研究范式变革的理论基石。这种定义，还允许我们对水质信号(函数)进行独立的数学操作，建立水质系统的微分方程和状态空间表达式等，从而构建水质系统控制的理论基础和技术方法体系。

本书将水质系统定义为：由水质存续状态或变化过程中各部分、各环节构成的相互依赖、具有特定功能的一个整体。研究水质系统时，我们重点探讨各部分、各环节之间相互依赖的动态关系，尽管单一部分、单一环节内部的过程与机制是水质工程单元操作理论研究的核心内容，也是系统控制理论的微观基础，本书也从理论上探讨了系统控制理论与单元操作理论之间的内在联系，但关注的焦点，仍然是水质系统科学的理论基础和控制方法。

水质系统信息的获取过程示意

水质系统是水质信号随时间和空间运动变化的过程网格，信号只是对系统状态的抽象。水质信号的变化速率，即水质信号时域函数的一阶导数，是衡量水质系统各部分、各环节之间相互依赖的动态关系的基本物理量。水质信息是反映水质物理、化学、生物学规律的具体内容，而水质信号是这些具体内容的物理表现形式或承载形式，如电学或光学形式。水质信号的数学表达式，完全超越了水质信息原生的具体含义，是实现水质系统有效控制的理论基础。水质信息和信号在本书中占有特殊的重要地位。

水质系统复合管控模型示意

本书界定水质系统的5种基本信号，并围绕这些基本信号及其组合展开论述。水质信号的分析方法，包括时域、频域、复频域分析方法，是传统信号分析方法在水质系统中的最新应用。水质系统的控制理论也是建立在水质信号的数学运算基础之上。

线性水质系统数学模型分析过程示意

本书的基本思路是：在水质概念基础上，建立水质系统的概念体系；在水质系统物理、化学及生物学信息基础上，建立描述线性水质系统信号变化的微分方程以及状态空间表达式，进而建立水质系统的传递函数控制方法；针对非线性水质系统，则主要讨论描述函数法、相平面法等，并讨论智能控制的若干算法；最后，结合实际水质系统的常见问题，讨论水质系统的随机信号分析。

本书的方法学，是将水质系统内部的物质流、能量流信息，转换为信息流、信号流的数学方程进行专门研究。这些方程超越了具体的信息内容，因此可以进行独立的数学运算。

《水质系统信息学》系统探讨水质系统信息学的理论架构，深入阐述线性水质系统的传递函数控制与状态空间分析，讨论非线性水质系统的描述函数法、相平面法等经典分析手段，并前瞻性地引入多种智能控制策略。这些内容既夯实了水质系统科学的理论和方法基础，又拓展和丰富了经典控制理论的应用边界与技术体系。

作者凭借深厚的学术积淀与丰富的工程经验，将水质工程科学、系统科学与信息科学的理论与实践有机融合，致力于构建一种理解水质系统的全新认知框架与研究范式。这一有益探索不仅深化了对水质系统物质流、能量流变化规律的认知，更为解析与调控水质系统中的信息流、信号流关系提供了新路径。

曲久辉

中国工程院院士

2025年11月

结合本书的内容可以看到，研究水质系统控制的难点之一，在于如何建立这些数学方程，特别是如何获得这些方程中表达物质流、能量流、信息流变化特征的各个结构系数。另一个难点在于，如何判定水质系统的可观性与可控性，这是由水质系统的化学与生物学内在特征决定的，同时也受到我们对水质系统认识的局限性制约。未来，深化对线性水质系统可观性与可控性的理论认识，进而探索创新的设计策略甚至是颠覆式的工艺设计方法，将是水质系统信息学的重要发展方向。同时，对非线性水质系统以及水质随机信号的分析利用原理与方法，也将是未来研究的挑战。

本文摘编自《水质系统信息学》（刘鸿, 陈昭明著. 北京: 科学出版社, 2025.12）一书“前言”“序”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-083603-8

责任编辑: 刘 琳

本书是水质工程科学与系统科学、信息科学融合渗透的成果，旨在为读者提供一个全面的理论框架和实践指南，以应对日趋复杂严峻的水质管控挑战。全书包括三篇：水质系统的信息与信号、线性水质系统、非线性水质系统。本书从信息空间的新视野来认知水质系统，深入浅出地阐述水质系统的基础理论和系统控制的原理方法，可为水质系统的信息获取与信号分析、精准控制与智能控制等提供基本的理论知识和技术方法。

本书可作为高等学校环境工程、系统工程等专业高年级本科生与研究生的教材和参考用书，也可作为信息科学与技术领域科技工作者及工程技术人员的参考书。

（本文编辑：刘四旦）

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