做城市污水处理自动化领域的引领者——访北京工业大学教授、博士生导师乔俊飞

　　获奖人物介绍

　　乔俊飞，北京工业大学教授、博士生导师。计算智能与智能系统北京市重点实验室主任，中国人工智能学会常务理事，科普工作委员会主任，中国自动化学会理事。担任自动化学报、信息与控制、控制工程等刊物编委。教育部长江学者特聘教授，国家杰出青年基金获得者，国家级百千万人才工程入选者，享受国务院特殊津贴专家。长期从事计算智能与智能优化控制领域研究工作，在智能特征建模、自组织控制和多目标动态优化方面取得系列成果，发表高水平学术论文100余篇，获得授权发明专利30余项。提出的污水处理过程建模与智能控制方法处于国际先进水平，研究成果曾获得教育部科技进步一等奖。2016年，凭借“城市污水处理过程智能优化控制关键技术及应用”成果，获得第六届吴文俊人工智能科学技术奖进步奖一等奖。

　　乔俊飞教授是自动化领域的知名学者，多年来一直从事复杂过程智能控制领域的研究工作，特别是在城市污水处理过程优化运行控制方面取得了突出成绩。

　　我国淡水资源短缺且污染严重，城市及主要经济带水生态恶化问题十分突出，已成为制约经济社会可持续发展的瓶颈问题。乔俊飞教授和他的研究团队一起，通过产学研深度融合，进行了长达15年的关键技术研究和攻关，打破了国外技术垄断，取得了系列创新成果。在城市污水处理厂优化运行控制方面获得授权国家发明专利30余项，形成了具有自主知识产权的城市污水处理过程控制技术，开发的城市污水处理优化控制系统在东北、华北和华南不同地区不同工艺的20多家污水处理厂得到成功应用，取得明显社会经济效益。

　　从入门到成为实验室带头人

　　乔俊飞2000年博士后出站后，来到北京工业大学电子信息与控制工程学院工作。本想继续从事博士期间关于冶金自动化方面的研究工作，迫于当时北京经济结构调整，首都钢铁厂整体搬迁。乔俊飞不得不中断冶金自动化方面的研究工作，寻求新的研究方向。通过大量的调研，最终决定以城市污水处理过程为研究对象，专攻智能优化控制理论和流程工业自动化技术研究。经过十多年的潜心钻研，乔俊飞已经在城市污水处理自动化领域颇有见树。

　　乔俊飞在北工大率先创建了环境感知与保护自动化研究所，并以此为基础建成了计算智能与智能系统北京市重点实验室。实验室致力于建设计算智能和智能系统开发的共享平台，整合北京工业大学智能技术与智能系统研发力量，在重点实验室运行机制下形成合力，探索计算智能的基础理论与实用技术，寻求新的计算与处理方式，促进信息科学发展，特别是计算智能理论的发展。研究团队在智能自组织建模与控制方面达到国际先进水平，在该领域形成了良好的社会影响。实验室力争在计算智能理论研究和智能系统技术开发方面达到国内先进水平，在神经计算、智能信息处理和机器智能等方向形成特色，个别方向达到国际先进水平。乔俊飞率领研究团队先后在《自动化学报》、《Automatica》等权威期刊及重要会议发表学术论文近200篇，申请获得国家发明专利近40项，研究成果在多家城市污水处理厂得到成功应用。

　　城市污水处理过程优化运行控制

　　当前，我国城市污水处理过程中存在的主要问题是能耗大，运行成本高，排放超标现象严重。我国淡水资源短缺且污染严重，城市及主要经济带水生态恶化问题十分突出，处理并对城市污水循环利用，既可以缓减对淡水资源的需求，又可以减少对水环境的再次污染，因此，实施城市污水处理已经成为我国淡水资源综合利用的战略举措。

　　城市污水处理过程不确定性严重，关键水质指标不能实时测量，用于有机物降解的生化反应过程缓慢且具有大惯性特点，致使污水处理系统经常运行于非平稳状态，常规的控制方法无法直接使用，致使当前污水处理厂普遍存在处理能耗高、水质超标严重等问题。因此，寻求不依赖于动力学模型且具有超强自适应能力的智能优化控制方法，对于提高污水排放达标率，降低运行成本至关重要。在多年研究的基础上，乔俊飞和他的研究团队，研究出了一种可行的智能建模、优化方法，为实现城市污水处理节能降耗提供了技术支撑，取得了系列创新成果。

　　针对污水信息分析所涉及的时变不确定性问题，提出并获得了神经网络结构自组织设计方法，提高了处理时变不确定性信息的能力，发展了智能信息处理理论和方法;提出了基于数据的智能多目标优化方法，有效解决了非平稳系统的动态优化问题;获得了基于特征参量的关键水质指标的智能自组织测量模型，突破了城市污水处理关键水质指标无法在线测量的技术难题;率先提出了规则自适应模糊控制方法并形成实用技术，解决了污水处理过程中溶解氧、硝态氮等关键过程变量的精准控制问题;建立了基于出水水质的城市污水处理过程多目标智能优化方法，降低了吨水处理能耗，实现了污水处理厂低成本运行;研发出具有自主知识产权的城市污水处理智能优化控制系统，已经在全国不同地区、不同工艺的城市污水处理厂得到实际应用，取得了显著的经济效益和社会效益。

　　教育部组织的成果鉴定专家组认为：“乔俊飞教授及团队取得的研究成果对于提高城市污水处理技术水平，保护水环境和实现水资源循环利用具有重要意义，所提出的城市污水处理过程智能优化控制技术处于国际先进水平，关键水质指标智能特征测量技术达到国际领先水平。”这一研究成果于2016年获得吴文俊人工智能科学技术奖进步奖一等奖。成果研发期间共申请专利65项，已获得授权49项，获得软件著作权25项;在IEEE Transactions on Industrial Electronics、IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems等国际权威期刊和会议上发表学术论文140篇，撰写相关著作2部;研究成果已在华北、东北、华东和华南等地区20多家不同工艺的城市污水处理厂应用，吨水处理电耗平均降低5%左右，累计处理污水497090万吨，经济效益达到6.5亿元。

　　乔俊飞虽然在城市污水处理这个领域已经取得了优秀的研究成果，但他认为城市污水处理优化控制技术没有最好，只有更好。因此，他还会在这个领域继续研究下去，用他的一生去成就这项伟大的事业。

　　人工智能人才培养

　　乔俊飞是自动化领域的知名学者，也是全国优秀博士学位论文提名奖获得者的指导教师。多年来，他专注于人工智能领域人才培养，先后为本科生、研究生讲授“智能控制技术”、“神经网络分析与设计”等课程，长期坚守教学一线。乔俊飞认为，科研是教师巩固知识、积累知识、创造知识的最好途径，也创新人才培养的必备条件。适时地将科研成果融入课堂教学中，可以促进人才培养质量的提高。一名优秀的大学教师应该做到教学科研相长。

　　近期，乔俊飞负责的“以智能服务为培养方向的机器人工程专业学科融合建设”项目入选教育部公布的首批“新工科”研究与实践项目名单，该项目旨在积极响应教育部印发的《高等学校人工智能创新行动计划》，大力培养人工智能紧缺人才。新工科对应的是新兴产业，针对新兴产业的专业，如人工智能、智能制造、机器人、云计算等，也包括传统工科专业的升级改造。新工科以新经济、新产业为背景，新工科的建设，一方面要设置和发展一批新兴工科专业，另一方面要推动现有工科专业的改革创新。新工科建设是主动应对新一轮科技革命与产业变革的战略行动，旨在培养新兴领域工程科技人才，改造升级传统工科专业，布局未来战略必争领域人才培养。

　　乔俊飞致力于打造人工智能领域高水平研究基地。2018年1月，北京工业大学成立了北京人工智能研究院，学校提供近5000多平方米的实验室，投入近百名教师，乔俊飞教授任首任人工智能研究院院长。研究院致力于人工智能前沿基础理论研究，主动适应北京功能定位和高精尖经济结构调整，重点围绕智能服务机器人、智慧医疗、环保智能化等北京市重大需求展开研究，为北京经济社会发展和人工智能师资队伍培养提供强大的保障。

　　获奖项目成果及进展

　　北京工业大学研究团队与中国科学院沈阳自动化所、北京城市排水集团有限责任公司的研究团队紧密协作，通过产学研深度融合，及共同承担国家863计划项目、国家自然科学基金重点项目和北京市科技攻关项目等，进行了长达15年的城市污水处理优化控制关键技术研究和攻关，打破了国外技术垄断，取得了系列创新成果。

　　主要成果包括：针对污水信息分析所涉及的时变不确定性问题，提出并获得了神经网络结构自组织设计方法，提高了处理时变不确定性信息的能力，发展了智能信息处理理论和方法;提出了基于数据的智能多目标优化方法，有效解决了非平稳系统的动态优化问题;获得了基于特征参量的关键水质指标的智能自组织测量模型，突破了城市污水处理关键水质指标无法在线测量的技术难题;率先提出了规则自适应模糊控制方法并形成实用技术，解决了污水处理过程中溶解氧、硝态氮等关键过程变量的精准控制问题;建立了基于出水水质的城市污水处理过程多目标智能优化方法，降低了吨水处理能耗，实现了污水处理厂低成本运行;研发出具有自主知识产权的城市污水处理智能优化控制系统，已经在全国不同地区、不同工艺的城市污水处理厂得到实际应用，取得了显著的经济效益和社会效益。

　　成果研发期间共申请专利65项，已获得授权49项(发明/实用新型40/9)，获得软件著作权25项;在IEEE Transactions on Industrial Electronics、IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems等国际权威期刊和会议上发表学术论文140篇(SCI/EI 收录40/109)，撰写相关著作2部。研究成果已在华北、东北、华东和华南等地区24家不同工艺的城市污水处理厂应用，吨水处理电耗平均降低5%左右，累计处理污水497090万吨，经济效益达到6.5亿元(近三年3.2亿元)。该项目已通过2018年国家科技进步奖二等奖评审。

　　获奖者寄语

　　乔俊飞：人工智能——科技创新的源头活水，技术进步的灵丹妙药。