水電智慧化建設(shè)中基于人機(jī)雙域模式的智慧化度評(píng)估

梁 庚，李 文，崔青汝

（1.華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京市 102206；2.國(guó)能智深控制技術(shù)有限公司，北京市 102209；3.北京市電站自動(dòng)化工程技術(shù)研究中心，北京市 102209；4.國(guó)電新能源技術(shù)研究院有限公司，北京市 102209）

0 引言

智慧化建設(shè)現(xiàn)正在我國(guó)水電行業(yè)蓬勃開(kāi)展。智慧化建設(shè)水平的評(píng)估是伴隨水電智慧化建設(shè)中逐步出現(xiàn)的一個(gè)重要問(wèn)題，也逐漸成為水電智慧化建設(shè)的必要組成。國(guó)內(nèi)部分大型發(fā)電企業(yè)制定并頒布了企業(yè)級(jí)的水電智能電站建設(shè)規(guī)范[1]，其中也涉及了智慧化建設(shè)的評(píng)價(jià)體系，從智慧化分級(jí)和基礎(chǔ)類(lèi)、功能類(lèi)、智能類(lèi)指標(biāo)等方面設(shè)計(jì)和規(guī)范了水電站智能化、智慧化建設(shè)水平的評(píng)價(jià)依據(jù)，并給出了水電企業(yè)智能化評(píng)分細(xì)則，從基礎(chǔ)設(shè)備、智能平臺(tái)、管理平臺(tái)等多個(gè)方面設(shè)計(jì)規(guī)范了各項(xiàng)功能的權(quán)重得分，對(duì)國(guó)內(nèi)水電智慧化建設(shè)具有重要的參考價(jià)值，對(duì)智慧化建設(shè)評(píng)估的實(shí)施也具有指導(dǎo)性的意義。

同時(shí)注意到，目前這種基于指標(biāo)和得分的評(píng)價(jià)體系在可持續(xù)性發(fā)展、可擴(kuò)展性等方面仍存在顯著的不足，不能很好地滿足智慧電廠在功能擴(kuò)展、系統(tǒng)升級(jí)等方面技術(shù)進(jìn)步的要求，在智慧化評(píng)價(jià)方面無(wú)法實(shí)現(xiàn) “與時(shí)俱進(jìn)”的有效性和可持續(xù)性。

本文提出一種基于“流和流域”的智慧域定義，給出了智慧域中人腦型智慧子域和機(jī)器智慧子域的概念，同時(shí)探討基于人腦型智慧子域和機(jī)器智慧子域相互發(fā)展關(guān)系的智慧化基本發(fā)展方向，給出了基于“雙域”模式的智慧化度評(píng)估的基本策略。

1 流與流域

流可看作是運(yùn)行或傳遞在物理空間、信息空間中具有連續(xù)性、實(shí)時(shí)性的集合體，常見(jiàn)的流形包括如能量流（能流）、信息流、物質(zhì)流（物流）等多種不同的形態(tài)。物理空間和信息空間中的流形可以相互獨(dú)立或是具有一定的聯(lián)系，如CPS。信息流是在信息空間中傳遞的具有連續(xù)性、實(shí)時(shí)性的信息或數(shù)據(jù)；能量流是在物理空間中運(yùn)行和傳遞的具有連續(xù)性、實(shí)時(shí)性的能量；物流是在物理空間中運(yùn)行和傳遞的具有連續(xù)性、實(shí)時(shí)性的物質(zhì)。信息流主要出現(xiàn)在管理系統(tǒng)中，如智慧化建設(shè)中的智慧黨建、智慧工會(huì)等形式都是面向信息流的；能流則通常是生產(chǎn)過(guò)程，也是智慧電廠建設(shè)所涉及的主要流形。能流常常和物流聯(lián)系在一起，如智慧煤場(chǎng)管理，煤炭既是物流，又是能量的載體，所以也可視為能流。

流是在流通道中運(yùn)行和傳遞的。流通道是能流傳遞需要依托的介質(zhì)以及介質(zhì)傳送所進(jìn)一步依托的物理設(shè)備及其控制機(jī)構(gòu)，如火電廠中的給風(fēng)、給水、水蒸氣等，以及機(jī)組的水冷壁、過(guò)熱器、再熱器、汽輪機(jī)等。又如水電站機(jī)組的引水隧洞、水輪機(jī)、尾水洞以及各類(lèi)閥門(mén)等設(shè)備也是能流通道。能流通道包括多個(gè)層次，各層次間呈現(xiàn)支撐關(guān)系。能流在能流通道上流動(dòng)時(shí)二者會(huì)發(fā)生交互，引起能流通道的各類(lèi)問(wèn)題，如振動(dòng)、偏移、滲漏、蠕變等，這些也都構(gòu)成智能化、智慧化中故障診斷、報(bào)警和預(yù)警等需要解決的主要問(wèn)題。

流及其通道所經(jīng)過(guò)的具有一定物理空間或信息空間的范圍形成“流域”。流域既可以是狹義的小空間的，也可以使廣義的大空間的，需要視與流域相關(guān)的問(wèn)題屬性而定。工業(yè)生產(chǎn)的生產(chǎn)過(guò)程是一種典型的能流流域。例如，在水電站生產(chǎn)中，能流流域可以從進(jìn)水口開(kāi)始直到尾水渠，這個(gè)過(guò)程及其周邊的所有設(shè)備都可認(rèn)為在流域內(nèi)。

2 智慧域與人機(jī)智慧子域

如果在流域中具有數(shù)字化處理設(shè)備，則依托流域形成了智慧域。智慧域的智慧水平是由智慧化度描述和界定的。智慧域中包括人腦型智慧子域（簡(jiǎn)稱人域）和機(jī)器智慧子域（簡(jiǎn)稱機(jī)域）。機(jī)器智慧子域由多個(gè)機(jī)器智慧主體和通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，機(jī)器智慧主體是系統(tǒng)的各級(jí)處理器，包括各類(lèi)電子設(shè)備和數(shù)字化設(shè)備；人腦型智慧子域則由各級(jí)人員（如監(jiān)控人員，維護(hù)人員，決策者等）構(gòu)成，特點(diǎn)是信息流必須經(jīng)過(guò)人腦的分析處理才能進(jìn)入下一環(huán)節(jié)。

機(jī)器智慧子域的構(gòu)成呈現(xiàn)層次化，自底向上依次是基礎(chǔ)級(jí)數(shù)字化測(cè)控儀表、基礎(chǔ)級(jí)控制系統(tǒng)、智能化平臺(tái)，而聯(lián)系各組成部分的是各類(lèi)高速數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)，如5G網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)以太網(wǎng)等。其中基礎(chǔ)級(jí)數(shù)字化測(cè)控儀表和基礎(chǔ)級(jí)控制系統(tǒng)構(gòu)成基礎(chǔ)級(jí)閉環(huán)控制，是機(jī)器域的基本組成部分，例如分散控制系統(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)（現(xiàn)場(chǎng)級(jí)智能儀表）和控制級(jí)（過(guò)程控制站），邊緣計(jì)算設(shè)備等；智能化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)原由人腦智慧子域智慧體完成的復(fù)雜的分析、決策等功能，并逐漸實(shí)現(xiàn)信息流在機(jī)器域內(nèi)的閉環(huán)性、實(shí)時(shí)性、連續(xù)性。數(shù)字化電廠可以建立和實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的機(jī)器域，因此成為智慧化電廠建設(shè)的基礎(chǔ)。

流、流域、智慧域、人/機(jī)智慧子域的關(guān)聯(lián)和演進(jìn)關(guān)系如圖1所示。

圖1 流、流域、智慧域、人/機(jī)智慧子域的關(guān)聯(lián)和演進(jìn)Figure 1 The relationship between flow，flow area，smartization domain and human/machine smartization subdomains with their evolution

對(duì)“機(jī)器域”和“人域”及其相互關(guān)系的理解可以從工業(yè)4.0的發(fā)展史得到啟發(fā)。工業(yè)4.0的發(fā)展史反映了工業(yè)的發(fā)展過(guò)程，實(shí)際上也是一個(gè)機(jī)器與人關(guān)系的發(fā)展過(guò)程，如表1所示。

表1很好地體現(xiàn)了工業(yè)技術(shù)的發(fā)展目的是由機(jī)器逐漸取代人類(lèi)勞動(dòng)，在更大的范圍和更高層面上減輕人類(lèi)勞動(dòng)強(qiáng)度。這一發(fā)展過(guò)程也在儀控系統(tǒng)的發(fā)展中得到了很好的體現(xiàn)。從最早的基地式儀表、單元組合式儀表、組裝式儀表，直到后來(lái)的分散控制系統(tǒng)，再到今天的智能工廠，無(wú)不體現(xiàn)著這一發(fā)展規(guī)律，這也為智能化、智慧化技術(shù)的發(fā)展提供了指引：智能化、智慧化技術(shù)的發(fā)展也呈現(xiàn)為在智慧域內(nèi)逐漸擴(kuò)大機(jī)器智慧子域而減小人腦智慧子域，原來(lái)由人腦智慧子域完成的工作逐漸交由機(jī)器智慧子域完成，直至人腦智慧子域縮小為機(jī)器智慧子域邊界上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，也即實(shí)現(xiàn)人域?qū)C(jī)器域干預(yù)的最小化。在高度智慧化度的系統(tǒng)中，人腦型智慧主體僅作為只讀節(jié)點(diǎn)或組態(tài)節(jié)點(diǎn)，對(duì)實(shí)時(shí)信息流的干預(yù)度達(dá)到最小?，F(xiàn)階段智慧化建設(shè)中智慧域、人/機(jī)智慧子域仍然存在較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)和信息交流，人腦型智慧子域中的人腦智慧體仍然發(fā)揮著不可替代的作用[2-8]?，F(xiàn)階段智慧化建設(shè)中智慧域、人/機(jī)智慧子域的關(guān)聯(lián)和結(jié)構(gòu)體系如圖2所示。

表1 工業(yè)4.0的發(fā)展過(guò)程Table 1 The development of Industry 4.0

圖2 現(xiàn)階段智慧化建設(shè)中智慧域、人/機(jī)智慧子域的關(guān)聯(lián)和結(jié)構(gòu)體系Figure 2 Relationship and architecture of smartization ，human/machine smartization sub-domains in their current forms

現(xiàn)階段智慧化建設(shè)中存在的主要問(wèn)題是在檢修方面仍然依賴人工技術(shù)，需要進(jìn)入人腦智慧子域來(lái)解決問(wèn)題。目前的智慧化技術(shù)仍然是操作指導(dǎo)模式（OGM）的，智慧化程度還遠(yuǎn)不夠徹底。3D打印、智慧倉(cāng)庫(kù)管理、智慧物流、檢修機(jī)器人等先進(jìn)智慧化技術(shù)的普及和應(yīng)用將很好地解決這個(gè)問(wèn)題。

智慧化建設(shè)高級(jí)階段中，機(jī)器智慧子域基本取代人腦智慧子域的功能，人腦智慧子域進(jìn)一步縮小為機(jī)器智慧子域邊緣的節(jié)點(diǎn)。智慧化建設(shè)高級(jí)階段中智慧域、人/機(jī)智慧子域的關(guān)聯(lián)和結(jié)構(gòu)體系如圖3、圖4所示。

圖3 智慧化建設(shè)高級(jí)階段中智慧域、人/機(jī)智慧子域的關(guān)聯(lián)變化Figure 3 Changes of relationship between smartization，human/machine smartization sub-domains in their developed forms

圖4 智慧化建設(shè)高級(jí)階段智慧域、人/機(jī)智慧子域的新型關(guān)系Figure 4 New relationship and architecture of smartization，human/machine smartization sub-domains in their developed forms

3 基于人機(jī)雙域模式的智慧化度評(píng)估

基于上述提出的智慧域、人/機(jī)智慧子域及以其為基礎(chǔ)的智慧化建設(shè)目標(biāo)，智慧域的智慧化度評(píng)估的前提條件是保證能流的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行以及流域的安全和經(jīng)濟(jì)性，在相同或相似的能流運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性指標(biāo)和流域的安全、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的基礎(chǔ)上，可以采用下列策略對(duì)智慧域的智慧化度進(jìn)行評(píng)估。

考慮到智慧化建設(shè)的發(fā)展主要趨勢(shì)是機(jī)器智慧子域的不斷擴(kuò)大和人腦型智慧子域的不斷縮小，因此在采用確定的智慧域范圍的前提下，對(duì)人腦型智慧子域范圍大小的評(píng)估可以較好地表征相關(guān)智慧域的智慧化度，評(píng)估機(jī)制可采用如下總體策略：

（1）根據(jù)能流運(yùn)行及能流通道情況確定智慧域范圍。但智慧域的范圍在選取時(shí)不易界定，廣義的流域包括能流流經(jīng)區(qū)域的過(guò)程層、監(jiān)控層、管理層等多個(gè)層次[9-12]；狹義的流域只包括生產(chǎn)相關(guān)的層次，不包含管理層等。作為簡(jiǎn)化手段，可取為電力生產(chǎn)的機(jī)組容量（如水電機(jī)組容量）作為智慧域評(píng)估的界定。

（2）建立生產(chǎn)運(yùn)行指標(biāo)集合I，包括：

1）安全性指標(biāo)子集IS：包括事故指標(biāo)、設(shè)備事故、一類(lèi)障礙、大壩狀態(tài)等；

2）生產(chǎn)運(yùn)行指標(biāo)子集IP：包括等效可用系數(shù)、機(jī)組停運(yùn)率、自動(dòng)開(kāi)機(jī)成功率、AGC投入率等；

3）運(yùn)營(yíng)指標(biāo)子集IM：包括評(píng)價(jià)容量、實(shí)際發(fā)電量、發(fā)電利用小時(shí)、計(jì)劃發(fā)電量等；

4）水能指標(biāo)子集IE：包括水能提高利用率、棄水損失電量、水量利用率、水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)暢通率等。

從而有

（3）建立生產(chǎn)運(yùn)行指標(biāo)集合I的得分P(I)

針對(duì)以上各項(xiàng)指標(biāo)子集內(nèi)的各元素，可設(shè)置分值P，如P(IS)表示安全指標(biāo)子集得分。從而可以得到指標(biāo)集I的總得分，如下：

（4）建立人腦型智慧子域的權(quán)重分值P(M)。P(M)的本質(zhì)是考察智慧域中經(jīng)由人腦處理環(huán)節(jié)M的信息量或數(shù)據(jù)量，用于表征人腦型智慧子域在智慧域內(nèi)的抽象的范圍的大小。M應(yīng)為信息處理閉合環(huán)路中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)M為開(kāi)環(huán)的信息通道的中間點(diǎn)或終點(diǎn)時(shí)，則此M節(jié)點(diǎn)不予考慮。同時(shí)，需要指出的是，M的閉環(huán)是廣義的，即嚴(yán)格的信息連續(xù)處理的閉環(huán)或者是操作指導(dǎo)型（OGM）的閉環(huán)。為簡(jiǎn)化計(jì)算和便于實(shí)施，P(M)的數(shù)值可以取為電站值班員對(duì)生產(chǎn)過(guò)程處理記錄數(shù)據(jù)量，包括運(yùn)行、檢修等多個(gè)人工環(huán)節(jié)的處理記錄。在智慧化度評(píng)價(jià)時(shí)，對(duì)各智慧域內(nèi)各人腦型智慧體節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功能分析時(shí)需明確各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息流的來(lái)向與去向，從而準(zhǔn)確獲得人腦智慧子域及的機(jī)器智慧子域分布及關(guān)聯(lián)關(guān)系，有助于P(M)的準(zhǔn)確確定。

（5）使用如下表達(dá)式對(duì)能流通道智慧域的智慧化度W進(jìn)行評(píng)估：

式中：f1、f2為轉(zhuǎn)換函數(shù)，f1功能是將P(M)值等價(jià)轉(zhuǎn)換為與P(I)相同意義的分值；即從所以智慧域的總智慧得分中扣除人腦型智慧子域中人腦智慧體作用下的得分；f2功能是將機(jī)組容量轉(zhuǎn)為等效的在智慧域的完全智慧度情況下的應(yīng)得得分。W值是無(wú)量綱的，是一個(gè)百分比例的形式，用于描述智慧域中的機(jī)器智慧子域的占比，也即機(jī)器智慧化的程度。

在智慧化度評(píng)估具體實(shí)施時(shí)，可以大體從電站值班員的數(shù)量、值班時(shí)數(shù)來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)易評(píng)估，但存在準(zhǔn)確度不夠高的問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

智慧化電站建設(shè)是當(dāng)前水電建設(shè)的主要方向和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。水電建設(shè)的智慧化度評(píng)估對(duì)于水電智慧化建設(shè)具有重要的推動(dòng)和促進(jìn)作用。當(dāng)前的水電智慧化建設(shè)的評(píng)估工作也正處于起步階段，目前的相關(guān)研究和企業(yè)規(guī)范仍主要著眼于智慧電站本身的設(shè)備、系統(tǒng)、功能、特征等角度。本文從能流流域所在智慧域中的機(jī)器智慧子域和人腦型智慧子域出發(fā)，通過(guò)分析智慧化建設(shè)的發(fā)展方向以及智慧兩域的相互關(guān)系，給出了基于人機(jī)雙域模式的智慧化度評(píng)估的總體策略和實(shí)施步驟，希望能夠從一個(gè)新的、更廣泛、直觀的角度上看待智慧化建設(shè)。本文所提出的評(píng)估策略仍存在較多未充分考慮的問(wèn)題，尤其是轉(zhuǎn)換函數(shù)f1、f2的科學(xué)合理的確定仍然需要深入探討。從應(yīng)用和發(fā)展的角度，目前的水電智慧化建設(shè)可沿用指標(biāo)形式的評(píng)估模式，未來(lái)隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，可逐步過(guò)渡到依據(jù)人機(jī)雙域模型的智慧化度評(píng)估模式，并最終實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的評(píng)估模式。