电影《流浪地球》中，“超级智能体”角色“MOSS（莫斯）”展现了人工智能的超强能力——作为领航员空间站中的“智慧大脑”，它能够支持数万座发动机协同运作，为“数字生命”计划提供所需的算力。
在北京工业大学智慧环保北京实验室，也有一个“智慧大脑”——城市污水处理全流程智能优化运行平台。它连接着数十公里外的污水处理厂，在它的优化调控下，工艺设备高效运转，滚滚污水变为汩汩清流。
20多年来，北工大教授乔俊飞带领团队深耕智慧环保领域，致力于人工智能前沿理论研究和污染治理关键技术攻关。从污水处理到固废焚烧、大气治理，他攻克了污染物实时精准检测与污染治理过程协同优化控制等多项技术难关，获得近百项国内外发明专利，填补了行业领域技术空白，使污染防治的中国方案走向世界。
上个月，乔俊飞入选2024年度中国人工智能学会会士，成为20位入选者中唯一一位“跨界”环保专家。面对荣誉，他腼腆地笑了：“我只是希望用人工智能技术‘治愈’环境，解码碧水，织就绿色。这条路没有捷径，也会永无止境。”
乔俊飞（左）和学生在智慧环保北京实验室里探讨研究进展 李昊骅 摄
这条“跨界”环保之路的起点在哪？“就在北工大一间小小的办公室，可比不上现在。”乔俊飞的办公室窗明几净，布置得很简单——一张办公桌、一台电脑、一张待客用的沙发，各种书籍和文献报告整整齐齐地堆成“小山”。邀请记者在这些“小山”中间坐下，他笑着答道：“2000年，我入职北工大，误打误撞进入了一个全新的研究领域。”
乔俊飞不属于赢在起跑线上的人。他在东北大学获得博士学位，师从我国冶金自动化专家柴天佑，主要从事冷轧板带板形控制研究。博士毕业后，他又进入天津大学博士后流动站，延续了这一研究方向。
“找工作很顺利，那时候信心满满，觉得自己有很好的研究基础。”乔俊飞回忆，来到北工大申报研究课题时，他却发现，受北京产业结构调整的影响，冶金工业被疏解到京外，自己此前从事的研究在京城已无“用武之地”。
然而，乔俊飞并没有因为起跑“受阻”而气馁。“作为北京市属高校，我们的研究必须紧跟北京的城市发展需要。要想在这里立足、更好地继续做科研，唯有转型。”他的语气中透着坚定。
北京得天独厚的科技创新氛围，为乔俊飞这样的科研工作者提供了广阔的平台。他当即开始全面调研和综合分析，寻找这座城市亟待解决的重大需求。
当时，北京市启动“首都248重大创新工程”，提出实施数字北京工程、能源结构调整、绿色食品及良种工程、水资源可持续利用等8个产业化示范项目。乔俊飞敏锐地察觉到：北京对水资源可持续利用的需求更加迫切。
“2000年，北京仍有超过半数的监测河段不符合相应功能的水质标准，密云、怀柔水库蓄水量持续下降，局部库区出现过轻度富营养化迹象，城市污水处理率依然偏低。”结合自己的调研结果，乔俊飞瞄准了城市污水治理这一难题。
“污水处理”和“板带轧制”看似风马牛不相及，乔俊飞却洞悉了两者的共通之处。他认为，智能控制是解决问题的利器，这正是他擅长的。
“环境污染治理不仅关乎国家的生态安全，更直接影响到居民的生活质量。”乔俊飞说，在北京，淡水资源量是可持续发展的瓶颈问题，“如果将信息技术、人工智能技术与污染治理深度融合，探索出一套独特的环保自动化、智能化解决方案，将从根本解决长期困扰城市污水处理的行业难题。”
研究课题启动之初，摆在乔俊飞面前的，是一张白纸。
当时，国内污水处理刚刚起步，污水处理运行相关技术几乎无人涉猎，环保自动化技术研发无疑是高难度挑战。乔俊飞迎难而上，在全新的领域做起了“拓荒者”。在他看来，通过创新引领环保产业技术变革，让浑浊的污水变成“蓝天碧水净土”的一部分，是一件“很有趣”的事。
面对污水治理这一从未涉足过的领域，乔俊飞必须从基本原理学起，“啃”文献、查资料，积累大量研究数据。“环保自动化是一个典型的交叉研究领域，既需要我们熟练掌握信息技术，也要摸清水处理过程中产生的生化反应。只有了解了生化反应过程的本质特性，才能为污水处理制定最佳的控制方案。”他说。
找不到真实场景，是乔俊飞和团队遇到的最大难题。“城市污水处理厂的规模很大，很难在实验室里建一个那么大的生化反应装置。唯一的办法就是到水厂寻求帮助。”乔俊飞还记得，为了获取生产数据和现场操作经验，他几乎跑遍了北京附近的污水处理厂，希望寻求合作，却屡屡碰壁。
工厂给出的理由如出一辙：“我们人手足够，不需要搞什么自动化。”
乔俊飞坦言，尽管当时大部分污水处理企业都面临着能耗高、出水水质不稳定等问题，但人们对使用新技术仍持保守态度，觉得还是人工操作更保险。
没有企业支持，只能自己干。五六年间，乔俊飞扎根在实验室，带领学生艰苦攻关。两台电脑，就是团队最贵重的家底——从数据获取到算法优化，从系统集成到硬件调试，团队反复推演每一个可能的技术方案。无数个挑灯夜战的夜晚，乔俊飞和团队成员紧盯着实验数据的变化。“每一次失败，再迅速调整思路，重新设计方案，逐一攻克技术瓶颈。”他说。
凭借不懈努力，乔俊飞带领团队最终在智能特征检测与协同优化控制系统的研发上取得重要突破。他们还搭建了一个比较完整的污水处理智能运行测试平台。该平台不仅能够模拟污水处理厂的实际运行环境，还可以用于智能特征检测、自组织控制、多目标动态优化等算法与系统的测试与验证。
那段时间，小小的办公室，就是乔俊飞潜心研究的一片小天地。每天结束工作已经是后半夜，“我总是最后一个离开，值班老师干脆交给我一把教学楼钥匙，由我负责锁门。”
夜幕中的校园，是他最熟悉的景色。
厚积薄发，行稳致远。凭着一股不服输的韧劲儿，乔俊飞陆续发表了一些高水平研究成果，获得了国家自然科学基金项目资助。这也让团队收获了知名度。2006年，一家外地的大型环保企业主动向他抛出橄榄枝。
出水水质是衡量城市污水处理出水质量优劣程度和变化趋势的重要指标，也是城市污水处理厂达标运行的重要依据，然而，如何实现出水水质的智慧检测与控制，一直是国内外悬而未决的问题。
当时，污水处理厂普遍存在“大马拉小车”的现象。“具体表现就是能耗高、出水水质不稳定。”乔俊飞说，当时，这家环保企业承接了污水处理厂，希望通过科技手段优化水处理方案，在保证出水水质达标率的同时，使成本降到最低。“这是研究成果走出实验室的好机会！”那时的喜悦，乔俊飞至今仍记忆犹新。双方一拍即合，开始了合作。
乔俊飞带领团队动身前往外地的污水处理厂，在露天的生化反应池中布设传感器，采集数据，再围绕水处理过程特征设计算法、建模分析……根据每座污水处理厂的实际情况，不断调整控制方法。
污水处理厂环境恶劣。生化反应池里的污水散发着恶臭，需要经过物理处理、生物处理、深度处理等10多道工序，再通过消毒、杀菌，才变得清澈透亮。而采集数据的仪器布设在哪儿、放多少个，都有讲究，乔俊飞反复请教工厂的技术工人，一遍遍对比电脑上的检测和分析结果，优化技术方案。
“污水处理是典型复杂工业过程，污水的流量、组分和各类污染物的含量随时变化，不确定性、随机性一直伴随着污水处理的全过程，这意味着控制方法永远要跟着污水的变化不断调整。”乔俊飞说，技术方案中需要调整的内容涵盖多方面，包括如何实时检测污水动态和污水出水水质、如何实现污水处理与治污耗能间的动态平衡、污水处理厂的大规模设备与工艺如何搭配才能达成效率最大化等。
有了在这家处理厂的实践经验，乔俊飞的智慧环保新技术很快飞出“象牙塔”，逐渐在实际应用中崭露头角。北京多家环保企业也与团队达成合作协议。乔俊飞和团队成员更忙了。他们的脚步踏遍京城多家污水处理厂，帮助这些工厂进行智能化升级改造。
“国家排放标准中，总磷、总氮等污水处理核心指标的检测，都要在化验室中进行，整个生化反应过程需要3至120个小时。”乔俊飞解释，要想实现污水处理的低成本高效运行，污水处理厂需要一个智慧“大脑”，每时每刻获取污水的排放信息，及时调控相关特征变量。
就这样一个工厂一个工厂地跑，在沉淀池、生化池、沼气锅炉等大型设备之间重复着调试工作，再回到实验室建模型、写算法、跑数据、做分析等等。
经过10余年攻坚，乔俊飞带领团队在国际上首次提出了城市污水处理过程智能特征检测方法，研发了水质智能检测技术，能够在污水生化反应过程中原位提取特征信息，实现对出水水质的实时检测，解决了长期困扰城市污水处理行业的难题。
这一突破不仅颠覆了传统的检测原理，甚至改变了传统的检测方法。目前，这套“城市污水处理出水水质实时检测技术”经过迭代更新，检测速度可以达到毫秒级。检测仪器也突破了传统触水式直接测量的方式，采用接入水厂的多个探头收集参数，通过过程数据实时计算出水水质的生化需氧量、化学需氧量、总磷、总氮等全部指标。
同时，团队研发的城市污水处理智能优化控制系统，不仅显著提高了出水水质的稳定性，也大幅降低了吨水处理能耗，填补了国际相关领域的技术空白。
污水处理再生利用，社会效益充分展现。现在，北京每年再生水用量达到12万亿立方米，占年度水资源总量配置的三分之一，再生水已成为北京稳定的第二水源。通惠河、凉水河等一条条碧波荡漾的河道背后，都有乔俊飞团队做出的积极贡献。相关技术成果还推广至全国30多家污水处理厂，使吨水处理电耗平均减少5%、新增运营能力约20%，显著提高了我国城市污水处理行业的智能化水平。
在污水处理领域取得突破，乔俊飞又将目光聚焦另一个亟待解决的环保难题——固废焚烧。“同样属于环保领域，但固废焚烧与污水处理的原理截然不同。前者是高温化学反应，后者是生物化学反应。”乔俊飞坦言，面对新的研究课题，团队又需要从零开始学习，逐一攻克技术难点。“相对来说，燃烧的反应过程更快、更不稳定，控制起来难度更大。”
我国固废焚烧技术起步晚，且受制于国情差异，面临着燃烧效率低、污染物排放超标、运行过程严重依赖人工经验等难题。为了突破这些技术瓶颈，乔俊飞成立了技术攻坚课题组，团队全员驻守在固废焚烧厂，深入一线，精准把握行业痛点。
将论文写在大地上，“跑现场”是必修课。乔俊飞始终以身作则。“我们只要在现场，一定要爬脱酸塔。”蒙西是固废焚烧课题组的负责人，也是乔俊飞的学生。乔老师的言传身教，也深深影响着她。
“夏天去现场调研，很辛苦。焚烧炉的温度非常高，即使有隔热层，爬上30多米高的脱酸塔，对我们的身心都是一种考验。”蒙西说，只有和工人一起，实际爬到焚烧炉的顶端去看，才能真正了解焚烧反应过程进行得是否充分，看哪里需要调试或改进，“在技术迭代升级的过程中，我们也要结合实际情况去不断调整方案。希望工厂引入我们的技术后，就不再需要人辛苦地爬上爬下了。”
须臾不敢停歇，一刻不敢懈怠。经过多轮技术迭代升级，团队最终研发出固废焚烧协同优化控制系统与装置。该系统可以对氮氧化物、一氧化碳、二氧化硫等特征污染物进行实时检测，实现了对炉膛温度和烟气含氧量的精准控制，显著提升了燃烧效率和烟气净化效果。这些创新成果不仅在垃圾焚烧领域树立了新标杆，也为我国固废焚烧产业的数字化转型注入了强大动力，赢得了行业内的广泛认可和高度评价。
如今，走进北工大的智慧环保北京实验室，固废焚烧智能化平台里，巨大的显示屏上，一座垃圾焚烧厂的数字孪生模型清晰呈现，实时显示各类监测数据。乔俊飞正在带领团队打造一座“智慧工厂”。“我们已经把一些现场的实际数据接入实验室，通过虚实结合的前沿技术，一些学术上的研究成果可以在平台上测试和验证。”他解释，随着技术手段的提升，学生们不用像自己年轻时那样在各个工厂间奔波，“但他们都很勤奋，到现场踏勘丝毫不怵。”
“乔老师丰富的知识储备和研究经验是我们的宝藏，大家不管有什么问题、在什么时间找他请教，他都会倾尽所能帮忙解决。”蒙西说，令她最佩服的是，乔俊飞每天都保持着“早8晚11”的工作模式，“几十年如一日的坚持，我们很多年轻人都做不到。”
听到学生这样说，乔俊飞笑着摆摆手：“这不就是科研工作的常态嘛？”
现在，乔俊飞搬到了夜间不再锁门的科学楼，他的办公室仍像往常一样彻夜通明。“我们的目标是想搭建一个固废焚烧行业的工业互联网，接入一座座‘固废焚烧智慧工厂’，通过一套核心操作系统，使各个工厂的运行成本变得更低。”乔俊飞说，为了这个目标，他愿意付出更多时间和精力。
智慧环保北京实验室固废焚烧智能化平台 李昊骅 摄
在“智”愈环境的征途上，乔俊飞正带领团队，一步一个脚印前进着。多久才能到达终点？他给出的答案温暖而有力：“环境保护只有起点，没有终点。我们的研究还要不断升级迭代，从1.0版升到2.0版、3.0版，乃至N.0版。”只为蓝天永驻、碧水长流、青山常在。
来源：《北京日报》
记者：李祺瑶