第1章 緒論 001
1.1 城市污水處理現狀 002
1.1.1 城市污水處理面臨的問題 003
1.1.2 城市污水處理過程控制技術發展 005
1.2 城市污水處理過程運行特點 008
1.2.1 城市污水處理工藝簡介 008
1.2.2 城市污水處理主要流程及特點 011
1.3 城市污水處理過程優化控制研究現狀 016
1.3.1 機理驅動的城市污水處理過程優化控制研究現狀 016
1.3.2 數據驅動的城市污水處理過程優化控制研究現狀 019
1.3.3 知識驅動的城市污水處理過程優化控制研究現狀 022
1.4 城市污水處理過程優化控制的主要挑戰 025
1.4.1 城市污水處理過程運行指標模型構建 025
1.4.2 城市污水處理過程性能指標優化設定 026
1.4.3 城市污水處理過程優化設定值跟蹤控制 027
1.5章節安排 027

第2章 城市污水處理過程運行指標智能特征檢測 031
2.1 概述 032
2.2 城市污水處理過程運行指標特性分析 032
2.2.1 城市污水處理過程運行指標機理分析 032
2.2.2 城市污水處理過程運行指標關聯度分析 037
2.3 城市污水處理過程運行指標特征變量挖掘 038
2.3.1 城市污水處理過程運行指標輔助變量選取 038
2.3.2 城市污水處理過程運行指標特征變量選取 041
2.4 城市污水處理過程運行指標智能特征檢測模型設計 043
2.4.1 城市污水處理過程運行指標智能特征檢測模型結構設計 043
2.4.2 城市污水處理過程運行智能特征檢測模型參數設計 045
2.4.3 城市污水處理過程運行智能特征檢測模型校正 049
2.5 城市污水處理過程典型運行指標智能特征檢測實現 052
2.5.1 城市污水處理過程運行指標智能特征檢測實驗設計 053
2.5.2 城市污水處理過程運行指標智能特征檢測結果分析 053
2.6 本章小結 058

第3章 城市污水處理過程性能指標智能優化設定 061
3.1 概述 062
3.2 城市污水處理過程性能指標特性分析 063
3.2.1 城市污水處理過程性能指標機理分析 063
3.2.2 城市污水處理過程性能指標關聯度分析 065
3.3 城市污水處理過程性能指標優化目標構建 067
3.3.1 城市污水處理過程性能指標優化目標設計 067
3.3.2 城市污水處理過程性能指標優化目標參數更新 068
3.3.3 城市污水處理過程性能指標模型收斂性分析 069
3.4 城市污水處理過程性能指標智能優化設定方法設計 072
3.4.1 城市污水處理過程性能指標智能優化方法設計 072
3.4.2 城市污水處理過程性能指標優化設定 074
3.4.3 城市污水處理過程性能指標優化設定性能分析 080
3.5 城市污水處理過程性能指標智能優化設定實現 084
3.5.1 城市污水處理過程性能指標智能優化設定實驗設計 084
3.5.2 城市污水處理過程性能指標智能優化設定結果分析 086
3.6 本章小結 099

第4章 城市污水處理過程單目標智能優化控制 101
4.1 概述 102
4.2 城市污水處理過程單目標智能優化控制基礎 103
4.2.1 城市污水處理過程單目標智能優化控制基本架構 103
4.2.2 城市污水處理過程單目標智能優化控制特點分析 103
4.3 城市污水處理過程單目標智能優化設定方法設計 106
4.3.1 城市污水處理過程單目標影響因素分析 106
4.3.2 城市污水處理過程單目標優化模型構建 109
4.3.3 城市污水處理過程單目標智能優化設定方法 109
4.4 城市污水處理過程單目標智能優化控制方法設計 111
4.4.1 城市污水處理過程單目標智能優化控制算法設計 111
4.4.2 城市污水處理過程單目標智能優化控制算法實現 112
4.4.3 城市污水處理過程單目標智能優化控制性能分析 114
4.5 城市污水處理過程典型目標智能優化控制實現 115
4.5.1 城市污水處理過程典型目標智能優化控制實驗設計 115
4.5.2 城市污水處理過程典型目標智能優化控制結果分析 117
4.6 本章小結 119

第5章 城市污水處理過程多目標智能優化控制 121
5.1 概述 122
5.2 城市污水處理過程多目標智能優化控制基礎 123
5.2.1 城市污水處理過程多目標智能優化控制基本架構 123
5.2.2 城市污水處理過程多目標智能優化控制特點分析 125
5.3 城市污水處理過程多目標智能優化設定方法設計 127
5.3.1 城市污水處理過程多目標影響因素分析 127
5.3.2 城市污水處理過程多目標優化模型構建 128
5.3.3 城市污水處理過程多目標智能優化設定方法 129
5.4 城市污水處理過程多目標智能優化控制方法設計 134
5.4.1 城市污水處理過程多目標智能優化控制算法設計 134
5.4.2 城市污水處理過程多目標智能優化控制性能分析 136
5.5 城市污水處理過程典型多目標智能優化控制實現 136
5.5.1 城市污水處理過程典型多目標智能優化控制實驗設計 137
5.5.2 城市污水處理過程典型多目標智能優化控制結果分析 137
5.6 本章小結 145

第6章 城市污水處理過程動態目標智能優化控制 147
6.1 概述 148
6.2 城市污水處理過程動態目標智能優化控制基礎 149
6.2.1 城市污水處理過程動態目標智能優化控制基本架構 149
6.2.2 城市污水處理過程動態目標智能優化控制特點分析 150
6.3 城市污水處理過程動態目標構建 152
6.3.1 城市污水處理過程動態目標影響因素分析 152
6.3.2 城市污水處理過程動態目標優化模型構建 158
6.3.3 城市污水處理過程動態目標優化模型更新 161
6.4 城市污水處理過程動態目標智能優化設定方法設計 161
6.4.1 城市污水處理過程動態目標智能優化方法設計 161
6.4.2 城市污水處理過程動態目標智能優化設定 162
6.4.3 城市污水處理過程動態目標智能優化設定性能評價 164
6.5 城市污水處理過程動態目標智能優化控制方法設計 166
6.5.1 城市污水處理過程動態目標智能優化控制算法設計 166
6.5.2 城市污水處理過程動態目標智能優化控制算法實現 173
6.5.3 城市污水處理過程動態目標智能優化控制性能分析 173
6.6 城市污水處理過程典型動態目標智能優化控制實現 177
6.6.1 城市污水處理過程典型動態目標智能優化控制實驗設計 177
6.6.2 城市污水處理過程典型動態目標智能優化控制結果分析 178
6.7 本章小結 181

第7章 城市污水處理過程多任務智能優化控制 183
7.1 概述 184
7.2 城市污水處理過程多任務智能優化控制基礎 184
7.2.1 城市污水處理過程多任務智能優化控制基本架構 184
7.2.2 城市污水處理過程多任務智能優化控制特點分析 185
7.3 城市污水處理過程多任務優化目標構建 187
7.3.1 城市污水處理過程多任務影響因素分析 188
7.3.2 城市污水處理過程多任務目標優化模型構建 189
7.3.3 城市污水處理過程多任務目標優化模型調整 191
7.4 城市污水處理過程多任務智能優化設定方法設計 192
7.4.1 城市污水處理過程多任務智能優化方法設計 192
7.4.2 城市污水處理過程多任務智能優化設定 196
7.4.3 城市污水處理過程多任務智能優化設定性能評價 197
7.5 城市污水處理過程多任務智能優化控制方法設計 200
7.5.1 城市污水處理過程多任務智能優化控制算法設計 201
7.5.2 城市污水處理過程多任務智能優化控制算法實現 202
7.5.3 城市污水處理過程多任務智能優化控制性能分析 203
7.6 城市污水處理過程典型多任務智能優化控制實現 204
7.6.1 城市污水處理過程典型多任務智能優化控制實驗設計 204
7.6.2 城市污水處理過程典型多任務智能優化控制結果分析 204
7.7 本章小結 215

第8章 城市污水處理過程多時間尺度分層智能優化控制 217
8.1 概述 218
8.2 城市污水處理過程多時間尺度分層智能優化控制基礎 219
8.2.1 城市污水處理過程多時間尺度分層智能優化控制基本架構 219
8.2.2 城市污水處理過程多時間尺度分層智能優化控制特點分析 220
8.3 城市污水處理過程多時間尺度優化目標構建 221
8.3.1 城市污水處理過程多時間尺度性能指標影響因素分析 221
8.3.2 城市污水處理過程多時間尺度優化目標設計 221
8.3.3 城市污水處理過程多時間尺度優化目標動態更新 222
8.4 城市污水處理過程多時間尺度分層智能優化設定方法設計 223
8.4.1 城市污水處理過程多時間尺度分層智能優化方法設計 223
8.4.2 城市污水處理過程多時間尺度分層智能優化設定 224
8.4.3 城市污水處理過程多時間尺度分層優化設定性能評價 227
8.5 城市污水處理過程多時間尺度分層智能優化控制方法設計 228
8.5.1 城市污水處理過程多時間尺度分層智能優化控制算法設計 228
8.5.2 城市污水處理過程多時間尺度分層智能優化控制算法實現 229
8.5.3 城市污水處理過程多時間尺度分層智能優化控制性能分析 230
8.6 城市污水處理典型過程多時間尺度分層智能優化控制實現 232
8.6.1 城市污水處理過程多時間尺度分層智能優化控制實驗設計 232
8.6.2 城市污水處理過程多時間尺度分層智能優化控制結果分析 232
8.7 本章小結 243

第9章 城市污水處理過程全流程協同優化控制 245
9.1 概述 246
9.2 城市污水處理過程全流程協同優化控制基礎 246
9.2.1 城市污水處理過程全流程協同優化控制基本架構 247
9.2.2 城市污水處理過程全流程協同優化控制特點分析 249
9.3 城市污水處理過程全流程運行指標特性分析 250
9.3.1 城市污水處理過程全流程性能指標相關性分析 251
9.3.2 城市污水處理過程全流程性能指標相關性評價 252
9.4 城市污水處理過程全流程協同優化目標構建 252
9.4.1 城市污水處理過程全流程協同優化目標影響因素分析 253
9.4.2 城市污水處理過程全流程協同優化目標設計 255
9.4.3 城市污水處理過程全流程協同優化目標動態更新 256
9.5 城市污水處理過程全流程協同優化設定方法設計 257
9.5.1 城市污水處理過程全流程協同優化方法設計 257
9.5.2 城市污水處理過程全流程協同優化設定 258
9.5.3 城市污水處理過程全流程協同優化設定性能評價 263
9.6 城市污水處理過程全流程協同優化控制方法設計 264
9.6.1 城市污水處理過程全流程協同優化控制算法設計 264
9.6.2 城市污水處理過程全流程協同優化控制算法實現 264
9.6.3 城市污水處理過程全流程協同優化控制性能分析 271
9.7 城市污水處理過程全流程協同優化控制實現 275
9.7.1 城市污水處理過程全流程協同優化控制實驗設計 275
9.7.2 城市污水處理過程全流程協同優化控制結果分析 276
9.8 本章小結 282

第10章 城市污水處理過程智能優化控制發展前景 285
10.1 概述 286
10.2 城市污水處理過程運行指標智能特征檢測方法 286
10.3 城市污水處理過程性能指標智能優化設定方法 288
10.4 城市污水處理過程智能優化控制方法 289
10.5 城市污水處理過程智能優化控制繫統 290

參考文獻 291

隨著人類社會文明的進步和公眾環保意識的增強，科學合理地利用自然資源，全面繫統地保護生態環境已經成為世界各國可持續發展的必然選擇。環境保護是指人類科學合理地保護並利用自然資源，防止自然環境受到污染和破壞的一切活動。環境保護的本質是協調人類與自然的關繫，維持人類社會發展和自然環境延續的動態平衡。由於生態環境是一個復雜的動態大繫統，實現人類與自然和諧共生是一項具有繫統性、復雜性、長期性和艱巨性的任務，必須依靠科學理論和先進技術的支撐纔能完成。
面向國家生態文明建設，聚焦污染防治國家重大需求，北京工業大學“環保自動化”研究團隊瞄準人工智能與自動化學科前沿，圍繞空氣質量監控、水污染治理、城市固廢處理等社會共性難題，從信息學科的視角研究環境污染防治自動化、智能化技術，助力國家打好“藍天碧水淨土”保衛戰。作為環保自動化領域的拓荒者，研究團隊經過二十多年的潛心鑽研，在水環境智能感知與智慧監控、城市污水處理過程智能優化控制、城市供水繫統智能優化與控制、城市固廢焚燒過程智能優化控制以及空氣質量智能感知、識別與監控等方面取得了重要進展，形成了具有自主知識產權的環境質量感知、自主優化決策、智慧監控管理等環境保護新技術。為了促進人工智能與自動化理論發展和環保自動化技術進步，更好地服務國家生態文明建設，團隊在前期研究的基礎上總結凝練成“智慧環保前沿技術叢書”，希望為我國環保智能化發展貢獻一份力量。
本書的主要內容包括城市污水處理現狀分析、運行指標智能特征檢測、性能指標智能優化設定、單目標和多目標智能優化控制、動態目標智能優化控制、多任務智能優化控制、多時間尺度分層智能優化控制、全流程協同優化控制以及城市污水處理智能優化控制發展前景分析等，為城市污水處理過程優化運行提供了理論方法和技術基礎。本書致力於科學治污、精準治污，研究以出水水質穩定達標、處理過程高效節能為目標的城市污水處理精細化控制基礎理論和關鍵技術，旨在解決制約城市污水處理高效低成本運行中的共性問題，提升城市污水處理廠運營水平，助力國家持續深入打好碧水淨土保衛戰。
本書的研究工作得到了國家自然科學基金項目(62021003、61890930) 和科技創新2030—“新一代人工智能”重大項目(2021ZD0112301、2021ZD0112302) 的資助。感謝國家自然科學基金委員會、科技部長期以來的支持，使得我們團隊能夠心無旁騖地潛心研究。感謝我的團隊教師李文靜、楊翠麗、杜勝利和研究生劉洪旭、張嘉誠、陳聰、王童等，他們在資料查找、公式整理、圖形繪制、數值試驗等方面做了大量的工作，為本書的出版進程和出版質量提高做出了貢獻。感謝自動化和水污染控制領域的專家學者，你們的成功實踐激勵了我們繼續創新的勇氣，你們的前期探索使本書內容得到進一步升華。鋻於自動化、人工智能、環境工程領域知識體繫不斷豐富和發展，而作者的知識積累有限，書中難免有不妥之處，敬請廣大讀者批評指正。