摘要：化学机器视觉（ChV）技术是一种利用卷积光谱和机器视觉物质建模来实现物质转化过程高维智能控制的新型技术。该技术可以广泛应用于无废城市建设的各个环节，如城市固废分类、收运、协同处置，以及城市污水、饮用水、大气、土壤等环境介质的监测，以及城市生态系统的智能管理，城市环境风险的智能预警等。本文介绍了该技术的原理、特点、优势和应用实例，展示了其在提高城市资源利用效率、降低城市环境污染、提升城市生态质量、保障城市安全和健康等方面的巨大潜力。 关键词：化学机器视觉；机器视觉物质建模；无废城市；环境监测；智能控制

一、 引言

无废城市是指在城市规划、建设、管理和运行的全过程中，最大限度地减少固体废物的产生，最大限度地提高固体废物的回收利用和资源化水平，最大限度地降低固体废物的排放和危害，实现城市资源的循环利用和高效利用，保障城市环境的清洁和安全，提升城市生态的美丽和健康的一种城市发展模式。无废城市是实现生态文明建设和绿色发展的重要内容，也是应对固体废物污染和资源紧缺的有效途径，对于推动城市高质量发展和建设现代化经济体系具有重要意义。 传统的城市固体废物管理通常依赖于人工或仪表对固体废物的产生、收集、运输、处理和处置进行监测和控制。这种方式存在以下几个问题： 

（1）管理方法落后，效率低下，难以实现固体废物的分类和减量化； 

（2）管理设备老化，性能差，易造成固体废物的二次污染和资源浪费；

 （3）管理人员缺乏，素质低，难以保证固体废物的规范和安全管理； 

（4）管理数据分散，质量差，难以实现固体废物的全程追溯和精准管理。

 为了解决这些问题，提高城市固体废物管理的数字化、智能化水平，需要引入新型的感知和控制技术。其中，一种具有广阔应用前景的技术是化学机器视觉技术。

二、 化学机器视觉技术概述

化学机器视觉技术是一种利用卷积光谱成像和机器视觉物质建模来实现物质转化过程高维智能控制的新型技术。该技术自主研发，并已获得多项国家专利和软件著作权。该技术的原理、特点、优势和应用实例如下：         （一）原理 

化学机器视觉技术的核心是卷积光谱成像和机器视觉物质建模。该技术首创了高维并行光场的高通量器件模式和连续谱化学扰动的新型大数据信息生产手段，建立了客观世界到人工智能的大数据新通道。卷积光谱成像是一种将光谱信息和空间信息同时记录的成像技术，可以获得物质的化学组成和形态结构。卷积光谱成像可以利用不同的光源和探测器，覆盖从紫外到红外的广泛光谱范围，适用于各种类型的物质分析。 机器视觉物质建模是一种利用机器学习算法对卷积光谱成像数据进行处理和分析的技术，可以实现物质的识别、分类、定量、预测等功能。机器视觉物质建模可以利用不同的机器学习方法，如支持向量机、人工神经网络、深度学习等，根据不同的应用需求，构建不同的物质模型。机器视觉物质建模可以利用云计算平台，实现大规模的数据存储、处理和共享，提高计算效率和智能水平。 

ChV技术将卷积光谱成像和机器视觉物质建模相结合，形成了一种效应卷积映射模式，即利用高通量组合化学扰动将难于分别定量测定的指标分量变换到高维空间，然后通过深度学习实现解卷积获得目标指标组。该技术通过两个主要的信号调制技术路径来实现：一是二维光场调制，即利用组合滤光片构建二维平行光场，在短光程里将不同光源之间的差异性通过定量补偿的方法得到精确校正；二是高通量组合化学扰动，即利用特殊设计的化学反应池或反应器，在不同波长下对物质进行不同程度的化学扰动，产生不同的光谱响应。 

（二）特点 

化学机器视觉技术具有以下几个特点：

 ①高效：化学机器视觉技术可以实现对物质的快速、准确、无损、无污染的分析，大大提高了分析效率和效果；

 ②高维：化学机器视觉技术可以实现对物质的多维度、多层次、多尺度的分析，大大拓展了分析范围和深度； 

③高通量：化学机器视觉技术可以实现对物质的高通量、高密度、高频次的分析，大大增加了分析数据和信息； 

④高智能：化学机器视觉技术可以实现对物质的智能识别、智能分类、智能定量、智能预测等功能，大大提升了分析智能

三、化学机器视觉技术在无废城市建设中的应用实例

（一）城市固废分类

城市固废分类是无废城市建设的重要基础，也是提高固废资源化利用水平的关键环节。化学机器视觉技术可以对城市固废进行快速、准确、无损的分类识别，提高分类效率和质量，减少人工干预和误分。例如，深圳市利用化学机器视觉技术，对生活垃圾、建筑垃圾、危险废物等进行分类识别，实现了垃圾分类投放、收运、处理的智能化管理，提高了垃圾分类回收利用率，降低了垃圾处理成本和环境风险。

（二）城市污水监测

城市污水监测是无废城市建设的重要内容，也是保障城市水环境安全的关键环节。化学机器视觉技术可以对城市污水进行在线实时监测，获取其pH值、浊度、色度、COD、BOD、氨氮、总磷、总氮等指标，以及其有机物和无机物的种类和含量。根据这些信息，可以对城市污水的处理工艺进行智能控制，如投加剂量、反应时间、分离方式等，以提高处理效果和资源回收率。同时，可以对城市污水的排放标准进行实时监测，如达标率、超标情况等，以及时采取整改和处罚措施。例如，北京市利用化学机器视觉技术，对城市污水处理厂的进出水进行在线实时监测，实现了污水处理过程的智能化调控，提高了污水处理效率和水质稳定性。

（三）城市饮用水监测

城市饮用水监测是无废城市建设的重要保障，也是保障城市居民健康的关键环节。化学机器视觉技术可以对城市饮用水进行在线实时监测，获取其硬度、碱度、氯离子、硫酸根离子、铁离子等指标，以及其杂质和微生物的种类和含量。根据这些信息，可以对城市饮用水的净化工艺进行智能控制，如软化剂量、脱盐方式、消毒方法等，以提高净化效率和水质稳定性。同时，可以对城市饮用水的用途进行实时监测，如冷却水、锅炉水、注入水等，以及时调整水质参数和流量大小。例如，上海市利用化学机器视觉技术，对城市自来水厂的进出水进行在线实时监测，实现了饮用水质量的智能化管理，提高了饮用水安全性和满意度。

（四）城市大气监测

城市大气监测是无废城市建设的重要手段，也是保障城市空气质量的关键环节。化学机器视觉技术可以对城市大气进行在线实时监测，获取其PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3、CO等指标，以及其颗粒物和气态污染物的种类和含量。根据这些信息，可以对城市大气的治理措施进行智能控制，如限行、停产、错峰等，以降低大气污染物的排放和浓度。同时，可以对城市大气的预报预警进行实时监测，如空气质量指数、重污染天气等，以及时采取应对和防范措施。

（五）城市土壤监测

城市土壤监测是无废城市建设的重要手段，也是保障城市土壤质量的关键环节。化学机器视觉技术可以对城市土壤进行在线实时监测，获取其有机质、全氮、全磷、全钾、重金属等指标，以及其污染物的种类和含量。根据这些信息，可以对城市土壤的治理措施进行智能控制，如修复剂量、修复方式、修复效果等，以提高治理效率和土壤质量。同时，可以对城市土壤的风险评估进行实时监测，如土壤污染源、土壤污染程度、土壤污染扩散等，以及时采取防治和应急措施。例如，南京市利用化学机器视觉技术，对城市土壤进行在线实时监测，实现了土壤污染防治的智能化管理，提高了土壤安全性和生态功能。

（六）城市生态监测

城市生态监测是无废城市建设的重要内容，也是保障城市生态系统的关键环节。化学机器视觉技术可以对城市生态进行在线实时监测，获取其植被覆盖度、生物多样性、生态服务价值等指标，以及其生态压力和生态风险等信息。根据这些信息，可以对城市生态的保护措施进行智能控制，如绿化规划、生态修复、生态补偿等，以提高保护效果和生态效益。同时，可以对城市生态的预报预警进行实时监测，如生态灾害、生态退化、生态安全等，以及时采取应对和防范措施。例如，杭州市利用化学机器视觉技术，对城市生态进行在线实时监测，实现了生态文明建设的智能化管理，提高了城市生态美誉度和幸福感。

四、结语

化学机器视觉技术是一种利用卷积光谱成像和机器视觉物质建模来实现物质转化过程高维智能控制的新型技术。该技术具有高效、高维、高通量、高智能等特点，相比于传统的感知和控制技术具有低成本、低干扰、低依赖、低风险等优势。该技术可以广泛应用于无废城市建设的各个环节，如城市固废分类、收运、协同处置，以及城市污水、饮用水、大气、土壤、生态等环境介质的监测，以及城市生态系统的智能管理，城市环境风险的智能预警等。本文介绍了该技术在无废城市建设中的应用实例，展示了其在提高城市资源利用效率、降低城市环境污染、提升城市生态质量、保障城市安全和健康等方面的巨大潜力。希望本文能够为无废城市建设的理论研究和实践探索提供一些参考和启示。