挑战不确定性--环境科技发展的关键（原创）

随着世界范围内环境保护意识的提高，环保已经成为全球的热点。我国作为一个快速崛起的新兴大国，环保在中国尤其的被关注，许多的高校都设立有与环境相关的专业，学科发展很快，形势喜人。但是，喜中有忧：其一，环境专业的毕业生的就业较难；其二，虽然经过大家多年的努力，但是当国家大规模的开始实施环保计划来解决一系列重大环境问题的时候，许多核心技术，关键技术却还没有掌握，还是需要依赖国外的技术。这也是大家困惑的地方。

那是什么原因使得环境学科的发展面临这样的情况呢？首先就环境学科本身而言，环保学科属于新兴学科，发展时间并不长，然而环境学科面对的却是“保护环境”这一庞大而又复杂的任务，涉及到从科学、技术、工程到人文、哲学等学科，并不是像传统学科那样，譬如，物理学是研究物质结构和基本运动规律的科学；化学是研究物质的性质、组成、结构、变化和应用的学科；数学史研究数量、形状和他们之间关系的科学。对于环保学科，其目标是明确的，即保护环境，但是环境保护的研究目标就不是很明确了。这点在环境工程领域更为明显，目前，所设立的环境工程专业大都基于过去的化工，能源，给排水等传统学科的知识，并采用工程方法来解决环境问题。这也就意味着，环境工程专业的学生要学习所有这些专业的相关内容，但是学生的学习时间是有限的，如果学习的专业范围很宽泛，那么所学的内容就不会很深入，所以用人单位的印象就是环境专业的毕业生学习不够深入，在解决实际问题方面不如传统专业的毕业生。

   事实的情况是这样的，首先，这既不是意味着环保学科不重要，也不是环保学科不能解决问题，而是环保学科在利用工程解决问题的时候，环保的概念就被挪移到最后的工程实施上。无论是哪个行业，工程实施的全部工作不是一个学科的内容所能包含的，也不是一个专业的人才所能解决的。比如，建造化工厂，除了需要化工专业的学生之外，更需要土建，机电，建筑，暖通，给排水，环保，甚至还要有安全质检等专业人才构成的团队。所以，在一个大型的化工厂建设的时候，大家可能对于化工工程师是否精通所有的这些内容不会有太多的要求。但是环保专业由于发展的时间还很短，社会各界对环保专业的认识还比较模糊，所以，大众的期望就是环保工程师能够独自解决环境问题，实际上这也是不现实的。

另一方面也与环保专业自身核心价值的提炼、关键点的寻找、以及对关键点的研究工作积累不足有关。因为现在的环境工程专业大多是从给排水和土木等传统专业分离出来的，所以环境工程都带有原来专业的色彩背景，大家虽然都运用各自的专业知识，努力去解决环保的问题，但是对于环保专业核心价值的提炼却还是远远不够的。以化工专业来说，大部分的环保过程，特别是大气污染问题的治理过程，实际上是一个以化工为主，理化结合的过程，这个化工过程，如果仅仅从表象上看其复杂的程度，可能远远低于我们现在大型的化工联合装置。这样看来，貌似由化工专业的人士来做这项工作应该是轻车熟路，但实际上，情况并非如此。环保和化工的约束条件相差比较大，对化工而言，化工产业是以一定的原料生产一定的产品，目的性很明确，而且产品的价值还可以获得丰厚的回报，所以在过程中往往以获得产品为目标，在过程设计中间，成本的空间也很大，可以根据过程的各种要求设置各种单元，进而形成由各个单元组成的复杂系统。比如在化工装置进入核心反应阶段的物料往往已经是工业级的产品，其性状、组分都是相对稳定的，其末端出口的产品也是有相关的要求标准，性能也是稳定的，对能源等消耗的限制也是不太严格的，因为通过产品的出售可以回收消耗的成本，一般的化工装置通过的工质的量也是不大的，一般在每小时几十吨到几百吨的范围。

但是环境污染的处理装置，特别是大气污染治理的装置，面对的对象是上游工艺产生的烟气，如，燃煤电厂产生的烟气。由于烟气是燃煤直接产生的，所以烟气本身的化学组成很复杂，而煤的品种也会经常变化，这一点在中国尤为突出，这种变化的直接后果就是使得烟气的组分和特性产生变化。另外，锅炉运行模式的改变也会改变烟气的组分和特性。这样有数百种烟气组分组成的复杂体系，是一种变化幅度很大的处理对象，这对于核心反应器的挑战是不可言喻的。其次，大气污染的治理，特别是二氧化硫和氮氧化物的治理所面对的对象往往是火电厂、冶炼厂等大型重工业的燃烧设备。目前火电厂60万的机组，其烟气量接近每小时两百万标准立方，就是意味着在两个小时之内，我们的装置要处理两百万立方米的烟气量，可想而知，这样的装备尺度和一般的化工厂是不能相提并论的，也是难以比拟的。由于尺度的扩大，各种畸变，不均匀性，不确定性也将随之而来。用于污染物脱除的脱除剂等，有些也不是工业级的产品，而是自然矿产，其组分和特性也极为复杂，有很大的不确定性。对于环境污染处理装置，除了被处理对象体系的复杂性，对最后处理的结果的要求也是很严格的。

这些仅仅是从一个方面来讲，实际情况比这种更为复杂，除了火电厂的烟气，工业的废水等有固定源的污染物之外，还有汽车等移动源的排放，甚至是无组织的排放，这样造成的不确定性就更大。实际上，产生污染物不一定就会造成环境的破坏，而是产生的污染物超越了环境本身的净化能力，这时候才造成了真正的环境破坏。从另一个侧面来讲，环境自净能力的不确定性也非常大，这点在环境科学的研究上来讲，虽然我们做过了大量的工作，但是还有很多事情有待完善，环境保护和环境容量两个层次都存在着巨大的不确定性。

环境保护学科面临的最大挑战，就是如何去面对这些不确定性，因为我们只要去实施工程，就要求有初始条件，如果这个条件不能确定，工程就无法进行；如果条件确定是错误的，就得不到预期的结果。对于存在如此不确定性的条件下，如何去确定准确的条件，是个很复杂的问题，在此我仅提几点思路。

首先，不确定性是由于体系过于复杂，是的很多事情难于预期，在这其中的不确定性可以分为两种，一种本质上就是不可预期的，另一种则是由于我们目前的分析能力不足，所以不足以应付如此复杂的问题，就变成了不可知的问题。对于第一种本身就是不预期的问题，难于解决，但是对于第二种情况问题，我们可以通过提高我们的研究能力，应用好现在高速发展的IT计算能力的大好时机，以更多的全方位的系统仿真模拟来把这些不确定性的范围缩小。对于本质就是不确定的因素，我们可以通过数学模型来加以研究，如蒙德卡罗模型等，在这个模型的基础上引入风险机制，把这种不确定性的风险计算出来，然后把这种风险对体系结果的影响计算出来，在体系设计的时候加以考虑。

落实到具体实施的情况的时候，要求在实际工程中要做到五个方面：

第一，要做到精确定量的优化，把可确定化的不确定因素用理论研究、建模模拟，仿真，要点实验支撑的方法来加以确定化，在此基础上实现多方案的优化，基于精确数字的多元的优化，实现方案的最优。

第二，增加设计的精度，对研究对象的控制点和采样样本要尽量的多，利用更多的采样样本和更多数据的采集，从时间和空间两个来充实我们的经验，来降低不确定性。就这点而言，已经高速发展的以DCS为基础的控制系统为我们采集大量的数据提供了物质条件。近来兴起的互联网和物联网技术为我们进行更多层次更点的数据采集创造了可能性。

第三，准确，我们要超越以往以经验模型为主的分析设计模式，以计算机的发展和相关理论的进步，尽量多的用理论的方法去建立模型，排出经验型模型本身包含的由于样本范围不足等因素造成的缺陷。

第四，充分考虑系统的泼辣性。因为无论怎样精确模拟，系统本身总归有一些因素是无法确定的，是一些本质上的不确定性因素，对于这种不确定性因素，我们只能根据它发生的条件，分析发生以后对系统带来的影响，来进行风险控制，这些风险控制落实到实际上就是要设计系统有足够的泼辣性，就是要有足够的鲁棒性，所谓的鲁棒性就是系统状态偏离设计点的时候还能正常工作的能力。

最后一点，就是在装置的设计过程中要有全寿命设计的思想，就是要考虑装置从生产到消亡的全过程的所有的生产和约束，通过尽量多的考虑到已有的约束去考虑到人为的不确定性。