环境仿真综述

环境仿真综述

环境污染、生态破坏和资源耗竭是随着工业化和城市化进程的加快，而给人类带来的一系列全球性环境问题。人类从这一系列严重的环境问题中，逐渐清醒地认识到环境污染和生态破坏，归根到底来自于人类过度的和盲目的社会经济活动。在这种新形式下，作为协调人类环境和发展的环境系统仿真技术成为当代发展迅速和引人注目的高科技技术，在科学技术史上，占有很重要的地位，并且已越来越引起各国的重视，它在环境问题中的应用将是环境学科及环境工程发展的一个重要研究方向。

1环境系统仿真的概念与范畴

顾名思义，仿真就是对真实的模仿。系统仿真是根据被研究的真实系统的数学模型研究系统性能的一门学科，现在主要是指求解实际问题的方法，与试验对立统一。在系统仿真中算法与程序设计是重要环节目前的系统仿真主要是采用计算机研究模型，其基本内容包括系统的确定、建立模型、确定算法、计算机程序设计与仿真结果显示、分析与验证等环节。仿真离不开系统，所谓系统是指客观世界中实体与实体间的相互作用和相互依赖关系构成的具有某种特定功能的有机整体。

系统模型分为物理模型与数字模型。物理仿真是通过对过程建立的物理模型来进行的，数字仿真是通过对过程建立的数学模型来进行的。由于计算机的发展与普及，同时由于数字仿真的简易、迅捷和巨大包容性以及相对试验而言的低成本和互补性，数字仿真在包括环境工程在内的各个领域正迅速推进，被称为是一项“无孔不入”的技术。随着计算机技术的迅速发展，数字模型应用越来越普遍。

系统仿真的优点是使原型试验被替代成为可能把系统综合成模型方式；可研究模型长期效应；促进对系统的客观检查。

系统仿真的缺点是往往比较费钱费时；可能由于对系统基本结构缺乏足够了解而对已不适当的形式进行推广或对提出的数据进行解释；模型验证也会遇到一些问题。

用环境系统仿真技术可以解决许多环境问题，大的方面包括：环境污染控制与预测(水污染控制与预测、大气污染控制与预测和噪声污染控制与预测等等)、环境规划、环境管理；小的方面包括暴气控制、活性污泥过程故障诊断污泥脱水

模糊控制等等，它的应用前景是非常广阔的。

2环境仿真现状

环境系统仿真主要研究环境问题的仿真与模拟仿真与模拟技术是环境工程中应用的重要技术，也是环境工程学科发展的一个重要方向。在我国主要应用于水污染控制系统的仿真。环境工程是以污染物的处理和处置为主要内容的，环境工程仿真与控制的目的，是了解污染物处理过程的机制、提高污染物的处理效率、降低污染物的处理费用。这对保护环境具有重要作用。同时，我国目前在环境工程设施的工艺开发、工程设计和运行管理中，还未普遍应用仿真与控制技术，因而存在一个环境工程仿真与控制的开发市场。开发这个市场具有重要价值，学习环境工程仿真与控制，还有助于环境工程专业毕业生与自动控制专业技术人员之间的理解与沟通。

3环境系统仿真的方法、步骤及应用的理论

环境工程领域的控制行为属于过程控制，它是自动控制的一个分支。使用过程控制时，在受控过程进行中，要不断对过程的状态或参数如：温度、压力、浓度等进行测量，并将测量值与设定值进行比较，然后根据一定的控制方案对过程的有关参数进行调整，使该过程按照既定的一组设定值运行，达到确保过程运行稳定、安全、经济的目的。

环境工程过程的仿真即过程建模及求解的方法，可以用于活性污泥过程、二沉池、二维流态等模型的建模和求解过程。它有三个基本步骤：一是对环境工程过程进行仿真、建模，二是对过程进行控制，三是进行动态分析，这一步要导出过程的传递函数，然后要利用传递函数对环境工程的过程动态进行定性和定量的分析。这一步是比较重要的，当模型建立后，还要对模型进行分析，即在不同边界条件或参数设定下对模型求解，从求得的解中获得所研究对象或过程的动态性质。其中对具有集总参数特征的过程，其数学模型一般为微分方程(组)，可采用四阶龙格-库塔法求解；对具有分布参数特征的过程，其数学模型一般为偏微分方程(组)，可采用有限差分法求解。

环境工程仿真与控制应用的主要理论是人工智能。人工智能是20世纪50年代中期开始出现的一个概念，目前已发展成一门学科，主要内容是研究如何使用计算机来实现人的智能。人的智能是指人的学习、推理、规划等活动的能力，

是人的大脑的复杂运动的过程及结果。用计算机来实现人的智能，可以提高信息处理速度，节省人力资源，因此有很大的发展空间。但是，目前的计算机技术水平相对于人脑的功能还有相当的差距，因此，人工智能的研究及应用，目前还处于初级发展阶段。

同传统的计算机不同，人工智能主要研究以符号表示的知识而不是数值表示的知识，人工智能采用的主要是启发式推理方法而不是常规的数值算法。此外，人工智能常将知识领域与推理控制结构分离开，能允许数据具有不完整性。

目前人工智能就是通过物理符号的推理或是通过人工神经元的联接机制来实现的。神经网络、专家系统和模糊逻辑是目前人工智能研究和应用的三个主要领域。

神经网络又称人工神经网络，是在模拟人脑神经网络的基础上所构建的一种信息处理网络。它提取了生物神经网络的基本特征，试图用计算机的软件或硬件来模拟细胞体、树突和轴突，以实现信息处理技术的新进展。

专家系统是人工智能的重要分支，于20世纪70年代中期开始出现，80年代以来已在包括环境工程在内的许多领域获得广泛应用。它是一个计算机软件，由知识库、推理机以及辅助部件构成。

模糊控制是一类应用模糊集理论的控制方法，主要目的是通过模拟人的思维方式中的模糊性，来控制难以建立常规数学模型的过程。它是一种对系统的宏观控制方法，其核心是用语言描述的控制规则。模糊控制的最大特征是将专家的控制经验表示成语言控制规则，然后用这些规则去控制系统，因此，它适用于复杂的、非线性的系统的控制。

4环境系统仿真在水污染控制的应用

水污染控制系统一般分为污染源子系统、污染物的输送子系统、污水处理子系统和接受污水的水体子系统。根据规划的方法，将水污染控制系统规划分为三类：排放口处理最优规划、均匀处理最优规划和区域处理最优规划。

水污染控制系统仿真就是先建立水质、水环境容量、水污染控制规划物理模型，然后用计算机语言把它写成能在计算机上运行的数学模型。通过改变不同的水质参数和水力参数，模拟不同水平年的水质变化，计算相应的环境容量，对水污染控制系统规划进行优化。早期的水质模拟多采用BASIC、FORTRAN等计算