的整体。每一个环节离开了它和周围条件的联系和相互作用,便立即失去存在的意义。例 如地表水的分析数据再精确也代表不了地下水水质一样,因为它离开了布点、采样等环 节的联系;如果布点错误或者采样不符合规范要求,或者样品没有保存好不具代表性的 话,数据再精确也没有用,或者是很有害的;再如果数据处理方法不对或者综合评价的 模型错误,数据的精确也元济于事。如果只对实验室进行质控考核,而对环境监测的其 它环节不进行质控和全过程质量保证,会严重的影响环境监测为环境管理服务的水平。因 此,可以说环境监测系统论相关性的原则就是环境监测的全过程各环节的联系原则。 4.有序性原则:环境监测系统是有序的,要提高环境監测系统的运行机制,必须把 握其有序性。从监测活动的全过程来说,从现场调查→设计布点→样品采集→运送保存 分析测试→数据处理→综合评价。一环扣一环,缺一不可,也不可超越,互为前提,依 次排列。从宏观上来说,环境监测是获取、解释、运用数据资料的过程。这三者联系十 分密切,相互依存、互为前提,如果不注意到它们之间的必然联系,监测工作是要失败 的。比如不顾布点技术水平状况,数据的空间代表性没有解决好,一味地追求高、精、尖 仪器设备,即使是数据很准确也不可能对环境质量作出正确的评价。 5.动态性原则:环境监测管理不仅要研究环境监测发展的方向和趋势,而且应该探 索其发展的动力,环境监测发展的动力应是不断提高为环境管理服务的水平。集中体现 是这种服务的及时性、针对性、准确性和科学性。从环境分析到环境监测,从手工监测 到自动监測,从定性到定量,从浓庋控制到总量控制,从单要素评价到综合评价等等,都 是在这种动力下推动前进的。静止的观点,没有动态眼光不是完善的系统方法。加强监 测管理,使监测工作适应新形势的要求,必须要有时间观念把握住动态原则,充分发挥 监测活动各环节的内涵作用,严格按环境监测系统的内在规律办事(见表1-3 衰1-3环境监测系统特征 系统特征 系统科学的含义 环境监测的含义 整体性系统必须是由三个以上单元组成的全环境监测是由布点、采梯、测试,数据处 体,一个构不成系统 理、综合评价等环节共同构成,环境监测系 统缺一不可 相关性系统中各单元有各自的存在月的而且环境监测各环节相互依赖、相互制约、相 会相互影响 互关联,任何个环节都会对其它环节或总 体结果有影响 目的性每一个系统都以完成某种特定功能、作环境监测的目的是及时、准确、全面地掌 用为目的而存在 握环境质量的变化规律。各环节也有各自目 的,没有目的监测是不存在的 有序性每一单元与单元之间有机的联系,有序环境监测的每个过程是有机联系的,按序 的排列组合 排到的。如有布点一采样一测试一数据处理 综合评价 系统不仅是一种状态,且有时间性 环境质量存在着时空差异性,是随时间和 系统不是静止的,存在于运动之中空间而改变的,所以监测不是一劳永逸的, 瞬时监测不能反映变化 二、环境监测管理的控制论基础 控制是一种普遍现象,存在于一切系统之中,任何系统都有控制问题。控制论主要
是研究系统状念的运动规律和改变这种运动规律的方法和可能性。所谓运动规律是指它 们在一定的內外条件下所必然产生的相应运动。我们可以通过分析来认识系统的运动规 律。综合的目的就是改造系统的运动·以满足需要。所以控制的旧的就是通过揭示机器 生物、社会在内的各种不同的控制系统的共同规律。它包括自然科学和社会科学,横跨 各个学科,超出了各个学科的局限性,为各个学科找到了一个统一的东西。所以“控制 论”是研究各种系统共冏控制规律的科学,又称为“横断科学”。比如环境污染冋題,是 自然科学问题,但因其是当今社会关系到人类生存的大间题,又是社会科学问题。据统 计,全世界汽车每年排出的二氧化碳气体就有?亿多吨,碳氢化合物500万吨,照这个 速度发展下去,到2100年,人类在地球上无法生存。如何解决这个大问题,绝对不能单 靠一门科学硏究就可解决,这就需要把人与环境作为一个大系统加以认识和研究,消除 使生态平衡破坏的各种因素。从“控制论”米看,这个问题就是采取全面控制、综合治 理的办法。环境监测管理是一门理工结合·文理交叉的边缘分支学科,也必须用控制理 论来硏究和解决问题。 控制论”是以研究各种系统(大系统、小系统、巨系统)共同存在的控制规律与对 象的科学,它的基本原则是“同构理论”和“信息反馈论”原则。信息是控制论的一个 基本概念。如果把控制过程中的“同构性”比喻为控制的“骨骼”,那么控制过程中的信 息就如同“血液”在控制反馈的网络屮流动。 1、控制的“同构性”:控制论的奠基人维纳定义控制论为:关于动物和机器中控制和 通讯的科学。通讯就是信息的传递或交换。一切控制系统所共有的基本特点就是信息交 换和反馈,可以说系统的控制过程就是信息的交换过程。这里特别注意的是尽管机器与 动物(或人)在质上有着天壤之别,存在着无生命和有生命的差别,但经机器控制的动 作和人的行为过程,它们都有一个相当确切的“同构性”。这就是在实现机器的动作和人 的行为过程屮,无例外要经过如下三个环节 (1)效应器官:它执行某种特定的任务或若干特定任务。如人的手和脚 (2)感觉器官:它负责和外界交往、搜集当前环境及自已已完成任务的信息。如人 的耳、目。 (3)中枢决策器官:它从事加工、选择以及估价信息的工作,并根据所接收到的信 息和它记忆的信息决定自身的行为和功作。如人的大脑。 就是把历来属于人文科学研究的行为、目的概念,引入机器,斌予机器在功能上以 人的属性。说明机器(指具有控制功能的机器)经其行为和目的看成是与人的控制行为、 目的相同的。这为我们监测管理、科学研究模拟方法指出了功能模拟的方向。如控制的 机器也像人脑样有加工、处理、发出信息的功能,机器就会像人一样“自觉”地去工 作,即通过计算机与通讯的结合,建立个系统:控制系统、情报系统和信息管理系统, 逐步实现监测管理的自动控制 2、控制的反馈性:控制的对象是系统,控制靠信息,实现控制靠反馈。就是将已实 施控制的效果(如与我们预期的目标同误差的变化情况)作为我们决定或修改下一步控 制作用的依据 信息反馈是一个闭合回路,其最大特点是:任何误差不论来源都可以利用“反馈原 理”加以消除,特别是当系统工作受到种种于扰时运用反馈原理就更有用(见图13) 16
被调整的 独期日的 误奁 控制决策 执行枞构 令控对豪输出变化 抗 反馈通遑 討件 图【3倍息拴制反馈示意图 挖制反馈性就是自适应控制。对实践有重要价值。如机器可以利用控制的正负反馈 作用原理,臼己及时別迅速变化的外界条件和机器自身的变化,能自己作出正确的判 断,随机应变自己发出反馈信号以控制白已完成规定的任务。人可以靠对反馈机制的认 识,开展各种各样的控制抆术研究·特别是对生物反馈机制的分析和模拟。监测管理是 种控制活动,同禅需要抓住锫息反馈这个环节。管理没有反馈只有上情下述而无下情 上述,就要脱离实际,岀乱子。犯官僚主义瞎指挥、主观主义错误。有效的管理,信息 反馈是重要的原则,克服反馈失调和電视反馈调节是冋等重要的。通过反馈把握控制事 物发展过程,掌握事物的变化规律,使其向有益于人类的方向发展。环境监测要向有益 于环境管理的方向发展,其过程必须处于受控状态。这里所说的“控”不是任何个人主 观意向的“控”,而是一整套符合监测发隈规律的理论—一控制理论。 监测控制理论主要是研究环境监测系统状态的活动规律和改变这种活动规律的方法 和可能性。活动规律是指它们在一定內外部条件下所必然产生的相应活动。内外条件与 活动过程之间存在着固定的因果关系,这种关系大部分可用数学形式表示出来。我们可 以通过系统分析方法找出監测活动各过程的活动规律,有必要建立系统的数学方程。建 立模型的方法有三种:解析法、实测法和统计法。解析法就是把一一个复杂的受控系统按 照它的结构分解为若干独立的单元或组合,每个单元或组合又分为元件或环节。根据每 个环节的物理化学性质(包括水文、气象等)或过程特点,用分析方法写出其数学模型 运动方程,最后把这些方程式按系统的结构原理和相互作用关系联系起来成为一个 方程组。这种方法只能用于易分解为独立部分受控对象的。事实上并不是所有受控对象 都能做到如此分解。因为分解后的环节和在系统屮的该环节有质的差别,当不能分解时 就可借助于实验实测法如釆样系统。环境样品是随着时间和空间的改变而动态变化的,我 们控制的目的是具有代表性,受控对象的输入端的控制量不是确定的,是一个已知其统 计特性的随机过程。可用统计实验法,达到环境监测要逐渐实现以最少的测点和频率取 得最有代表性的数据的目的。要提高监测效率,达到及时、准确、针对性地为环境管理 服务,就必须寻求、研究、探素实现这一目标的控制规律。诸郊建立优化冇点的理论和 方法;发展简易、快速、高效的分析测试理论和方法;研究环境质量描述理论和方法等 等。这些理论和方法的建立又都是建立在它的监测目标影响规律的基础上,同时还必须 看到,环境监测各环节在运动中会不断出现矛盾。环境监测工作的发展过程是各环节不 断产生矛盾又不断解决矛盾的过程。问题在于利用控制反馈理论和系统分析的方法,适 时能动的掌握这种矛盾的规律,控制、运用好这个规律,使监测朝着有益方面发展。系 统分析方法是种专门的科学认识方法和社会实践方法。它是把人的认识、研究、设计
的对象当作一个系统来看待,目的是剖析研究对象的整体,以保障这种整体性能得到发 挥,特别是结构复杂的对象。环境监测活动就是一个较复杂的系统对象,要找到它的多 种多样的联系。具体的说,就是从系统的观点出发,在系统与单元、单元与单元、系统 与外部环境的相互关系中揭示对象的系统性质和运动规律,以达到最优地处理问题的 种方法。如用系统方法适合研究复杂的系统。 反杂 混沌 系统科学 无组织 有组织 教理统计 物理科学 概率论简单 图1-4学科关系示意图 环境监测管理就是运用控制理论和方法使监测活动处于受控状态,而不是失控状态。 其手段是建立一整套控制理论和方法。其各环节的控制要点如表1-4。 表1-4环境监测活动控制要点 监测系 统过程 控制要点 控制主要方法 监测目标体系的控制 挖制空间 功能区划法 布点系统点数的优化控制 的代表性 数理统计法 点位的优化控制 及可比性 计算机摸拟法 综合法 采样对象的控制 控制时间 模型控制法 采样频率的优化控制 代表性及 概率数理法 采样系统样品传输过程的控制 可比性 及优化控制法 (1)试差代入法 (2)双代法 (3)多代法 测试方法准确度、精密度的控制 控制 测试系统 测试方法可比性、等效性的控制 准确性 统计检验及概率 实验室及实验室间的质量控制 精密性 数理统计分析 监测人员素质的控制 可靠性 数据分布类型的控制 数据处理数据处理方法的控制 精确性 系统数据精度的控制 可靠性 数据管理的制度控制 科学性 信息量的控制 控制 综合评价系统分析方法的控制 完整性 系统结论完整性、透彻性的控制 的性 功能模拟法 对策控制 科学性 18·
目前“控制论”向大系统理论发展,向智能科学发展。大系统与一般系统的区别在 于,经典的一般系统往往只是解决总目标中某一个关键性因素的控制,即使扩展到几个 关键因素的控制也有局限性。而大系统控制的是整个体系,总的性能指标,往往具有规 模庞大,结构复杂的功能综合,因素众多的特点。如整个监测系统、管理系统,或者整 个地球自然界视为一个大系统来研究控制其资源环境及生态变化规律 向智能科学发展,人工智能就是研究人的智能的机制及人的智能在机器中的再现当 环境发生变化时,机器可直接用已有的认识结果得到适当的控制方案,无须重新进行摸 索和计算 控制论”不断向各门学科渗透,尤其是《21世纪议程》提出:要求经济与环境持续 发展,扦展清洁生产使生产过程的污染控制与环境信息管理联为一体,实现发展生产与 保护环境的真止协调统¨,开辟了人类认识世界,保护好环境的新途径。可以预见,控 制论在人类认识世界和改造世界的实践中必将发挥巨大作用。 、环境监测管理的信息论基础 “信息”从狭义理解就是“消息”,就是通信的内容,通信的作用是消除通信者的某 种知识的不定性。作为通信内容的信息就是用以消除这种不定性的东西。从广义理解, 信息”是人类感党所能感知的切有意义的东西。维纳说:“信息就是我们对外界进行 调节并使我们为外界所了解而与外界交换来的东西。”管理科学认为:信息是经过加工处 理之后的一种数据形式,它能提高人们对事物的认识程度,可以用来帮助工作计划制定、 执行与控制 信息”有自然和文化信息、功能和非功能信息、自然科学与社会科学信息等。环境 信息就是其中之一,人类生活工作在信息的海洋中,时刻不能离开信息,因为要有效的 工作就必须要有足够的信息。所以又可理解为“信息”是知识,“信息”是资源,是财富。 信息具有如下属性: 1.信息是有价值的:环境信息是通过一系列的监测活动最后经过加工处理得到的, 使其能对环境管理决策活动产生影响的数据或依据形式。对保护环境带来效益。因此具 有应用价值。信息的价值大小,取决于由获取该信息而产生的决策行为得到的效益,要 大于为得到该信息而付出的代价多少。如果信息本身的成本大于由它引起的决策行为变 化而取得的效益,该信息就无价值 2.信息能减少对事物认识的不确定性:信息的作用在于它能告诉接收者原来所不知 或不能预言的情况,在一个充满不定因素的环境中,信息能够减少这种不定因素。能够 改善决策活动中达到预期的结果的概率,如环境信息存在的必要性就在于环境管理活动 中挟择决策的需要,如果不存在抉择和决策,信息就没有存在的价值了。因此,它是对 事物有序性的一种量度,有人也把信息称为事物的一种“负熵”。 3.信息的滞后性与生命期:信息的滞后(期)性是指构成该信息的各种基本数据产 生之后,到处理加工以至于用于决策活动之间的时间延迟。这种延迟通常是由两种因素 造成的:一是加工处理需要花费一定时间;二是很多管理决策活动是按固定周期(月、季 年等)进行的,与此相适应,对信息的需要也是周期性的,尽管有了计算机数据库及自 动监测系统等数据采集设备的应用,加工处理过程是在较短时间内完成,几乎无滞后地