水電智慧化建設中基于人機雙域模式的智慧化度評估

梁 庚，李 文，崔青汝

（1.華北電力大學控制與計算機工程學院，北京市 102206；2.國能智深控制技術有限公司，北京市 102209；3.北京市電站自動化工程技術研究中心，北京市 102209；4.國電新能源技術研究院有限公司，北京市 102209）

0 引言

智慧化建設現正在我國水電行業蓬勃開展。智慧化建設水平的評估是伴隨水電智慧化建設中逐步出現的一個重要問題，也逐漸成為水電智慧化建設的必要組成。國內部分大型發電企業制定并頒布了企業級的水電智能電站建設規范[1]，其中也涉及了智慧化建設的評價體系，從智慧化分級和基礎類、功能類、智能類指標等方面設計和規范了水電站智能化、智慧化建設水平的評價依據，并給出了水電企業智能化評分細則，從基礎設備、智能平臺、管理平臺等多個方面設計規范了各項功能的權重得分，對國內水電智慧化建設具有重要的參考價值，對智慧化建設評估的實施也具有指導性的意義。

同時注意到，目前這種基于指標和得分的評價體系在可持續性發展、可擴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展、系統升級等方面技術進步的要求，在智慧化評價方面無法實現 “與時俱進”的有效性和可持續性。

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器智慧子域的概念，同時探討基于人腦型智慧子域和機器智慧子域相互發展關系的智慧化基本發展方向，給出了基于“雙域”模式的智慧化度評估的基本策略。

1 流與流域

流可看作是運行或傳遞在物理空間、信息空間中具有連續性、實時性的集合體，常見的流形包括如能量流（能流）、信息流、物質流（物流）等多種不同的形態。物理空間和信息空間中的流形可以相互獨立或是具有一定的聯系，如CPS。信息流是在信息空間中傳遞的具有連續性、實時性的信息或數據；能量流是在物理空間中運行和傳遞的具有連續性、實時性的能量；物流是在物理空間中運行和傳遞的具有連續性、實時性的物質。信息流主要出現在管理系統中，如智慧化建設中的智慧黨建、智慧工會等形式都是面向信息流的；能流則通常是生產過程，也是智慧電廠建設所涉及的主要流形。能流常常和物流聯系在一起，如智慧煤場管理，煤炭既是物流，又是能量的載體，所以也可視為能流。

流是在流通道中運行和傳遞的。流通道是能流傳遞需要依托的介質以及介質傳送所進一步依托的物理設備及其控制機構，如火電廠中的給風、給水、水蒸氣等，以及機組的水冷壁、過熱器、再熱器、汽輪機等。又如水電站機組的引水隧洞、水輪機、尾水洞以及各類閥門等設備也是能流通道。能流通道包括多個層次，各層次間呈現支撐關系。能流在能流通道上流動時二者會發生交互，引起能流通道的各類問題，如振動、偏移、滲漏、蠕變等，這些也都構成智能化、智慧化中故障診斷、報警和預警等需要解決的主要問題。

流及其通道所經過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，需要視與流域相關的問題屬性而定。工業生產的生產過程是一種典型的能流流域。例如，在水電站生產中，能流流域可以從進水口開始直到尾水渠，這個過程及其周邊的所有設備都可認為在流域內。

2 智慧域與人機智慧子域

如果在流域中具有數字化處理設備，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（簡稱人域）和機器智慧子域（簡稱機域）。機器智慧子域由多個機器智慧主體和通信網絡構成，機器智慧主體是系統的各級處理器，包括各類電子設備和數字化設備；人腦型智慧子域則由各級人員（如監控人員，維護人員，決策者等）構成，特點是信息流必須經過人腦的分析處理才能進入下一環節。

機器智慧子域的構成呈現層次化，自底向上依次是基礎級數字化測控儀表、基礎級控制系統、智能化平臺，而聯系各組成部分的是各類高速數字化通信網絡，如5G網絡、工業以太網等。其中基礎級數字化測控儀表和基礎級控制系統構成基礎級閉環控制，是機器域的基本組成部分，例如分散控制系統中的現場級（現場級智能儀表）和控制級（過程控制站），邊緣計算設備等；智能化平臺實現原由人腦智慧子域智慧體完成的復雜的分析、決策等功能，并逐漸實現信息流在機器域內的閉環性、實時性、連續性。數字化電廠可以建立和實現更大規模的機器域，因此成為智慧化電廠建設的基礎。

流、流域、智慧域、人/機智慧子域的關聯和演進關系如圖1所示。

圖1 流、流域、智慧域、人/機智慧子域的關聯和演進Figure 1 The relationship between flow，flow area，smartization domain and human/machine smartization subdomains with their evolution

對“機器域”和“人域”及其相互關系的理解可以從工業4.0的發展史得到啟發。工業4.0的發展史反映了工業的發展過程，實際上也是一個機器與人關系的發展過程，如表1所示。

表1很好地體現了工業技術的發展目的是由機器逐漸取代人類勞動，在更大的范圍和更高層面上減輕人類勞動強度。這一發展過程也在儀控系統的發展中得到了很好的體現。從最早的基地式儀表、單元組合式儀表、組裝式儀表，直到后來的分散控制系統，再到今天的智能工廠，無不體現著這一發展規律，這也為智能化、智慧化技術的發展提供了指引：智能化、智慧化技術的發展也呈現為在智慧域內逐漸擴大機器智慧子域而減小人腦智慧子域，原來由人腦智慧子域完成的工作逐漸交由機器智慧子域完成，直至人腦智慧子域縮小為機器智慧子域邊界上的一個節點，也即實現人域對機器域干預的最小化。在高度智慧化度的系統中，人腦型智慧主體僅作為只讀節點或組態節點，對實時信息流的干預度達到最小。現階段智慧化建設中智慧域、人/機智慧子域仍然存在較強的關聯和信息交流，人腦型智慧子域中的人腦智慧體仍然發揮著不可替代的作用[2-8]。現階段智慧化建設中智慧域、人/機智慧子域的關聯和結構體系如圖2所示。

表1 工業4.0的發展過程Table 1 The development of Industry 4.0

圖2 現階段智慧化建設中智慧域、人/機智慧子域的關聯和結構體系Figure 2 Relationship and architecture of smartization ，human/machine smartization sub-domains in their current forms

現階段智慧化建設中存在的主要問題是在檢修方面仍然依賴人工技術，需要進入人腦智慧子域來解決問題。目前的智慧化技術仍然是操作指導模式（OGM）的，智慧化程度還遠不夠徹底。3D打印、智慧倉庫管理、智慧物流、檢修機器人等先進智慧化技術的普及和應用將很好地解決這個問題。

智慧化建設高級階段中，機器智慧子域基本取代人腦智慧子域的功能，人腦智慧子域進一步縮小為機器智慧子域邊緣的節點。智慧化建設高級階段中智慧域、人/機智慧子域的關聯和結構體系如圖3、圖4所示。

圖3 智慧化建設高級階段中智慧域、人/機智慧子域的關聯變化Figure 3 Changes of relationship between smartization，human/machine smartization sub-domains in their developed forms

圖4 智慧化建設高級階段智慧域、人/機智慧子域的新型關系Figure 4 New relationship and architecture of smartization，human/machine smartization sub-domains in their developed forms

3 基于人機雙域模式的智慧化度評估

基于上述提出的智慧域、人/機智慧子域及以其為基礎的智慧化建設目標，智慧域的智慧化度評估的前提條件是保證能流的穩定、可靠運行以及流域的安全和經濟性，在相同或相似的能流運行穩定、可靠性指標和流域的安全、經濟性指標的基礎上，可以采用下列策略對智慧域的智慧化度進行評估。

考慮到智慧化建設的發展主要趨勢是機器智慧子域的不斷擴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，對人腦型智慧子域范圍大小的評估可以較好地表征相關智慧域的智慧化度，評估機制可采用如下總體策略：

（1）根據能流運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不易界定，廣義的流域包括能流流經區域的過程層、監控層、管理層等多個層次[9-12]；狹義的流域只包括生產相關的層次，不包含管理層等。作為簡化手段，可取為電力生產的機組容量（如水電機組容量）作為智慧域評估的界定。

（2）建立生產運行指標集合I，包括：

1）安全性指標子集IS：包括事故指標、設備事故、一類障礙、大壩狀態等；

2）生產運行指標子集IP：包括等效可用系數、機組停運率、自動開機成功率、AGC投入率等；

3）運營指標子集IM：包括評價容量、實際發電量、發電利用小時、計劃發電量等；

4）水能指標子集IE：包括水能提高利用率、棄水損失電量、水量利用率、水情自動測報系統暢通率等。

從而有

（3）建立生產運行指標集合I的得分P(I)

針對以上各項指標子集內的各元素，可設置分值P，如P(IS)表示安全指標子集得分。從而可以得到指標集I的總得分，如下：

（4）建立人腦型智慧子域的權重分值P(M)。P(M)的本質是考察智慧域中經由人腦處理環節M的信息量或數據量，用于表征人腦型智慧子域在智慧域內的抽象的范圍的大小。M應為信息處理閉合環路中的一個節點。當M為開環的信息通道的中間點或終點時，則此M節點不予考慮。同時，需要指出的是，M的閉環是廣義的，即嚴格的信息連續處理的閉環或者是操作指導型（OGM）的閉環。為簡化計算和便于實施，P(M)的數值可以取為電站值班員對生產過程處理記錄數據量，包括運行、檢修等多個人工環節的處理記錄。在智慧化度評價時，對各智慧域內各人腦型智慧體節點進行功能分析時需明確各個節點信息流的來向與去向，從而準確獲得人腦智慧子域及的機器智慧子域分布及關聯關系，有助于P(M)的準確確定。

（5）使用如下表達式對能流通道智慧域的智慧化度W進行評估：

式中：f1、f2為轉換函數，f1功能是將P(M)值等價轉換為與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功能是將機組容量轉為等效的在智慧域的完全智慧度情況下的應得得分。W值是無量綱的，是一個百分比例的形式，用于描述智慧域中的機器智慧子域的占比，也即機器智慧化的程度。

在智慧化度評估具體實施時，可以大體從電站值班員的數量、值班時數來進行簡易評估，但存在準確度不夠高的問題。

4 結束語

智慧化電站建設是當前水電建設的主要方向和未來的發展趨勢。水電建設的智慧化度評估對于水電智慧化建設具有重要的推動和促進作用。當前的水電智慧化建設的評估工作也正處于起步階段，目前的相關研究和企業規范仍主要著眼于智慧電站本身的設備、系統、功能、特征等角度。本文從能流流域所在智慧域中的機器智慧子域和人腦型智慧子域出發，通過分析智慧化建設的發展方向以及智慧兩域的相互關系，給出了基于人機雙域模式的智慧化度評估的總體策略和實施步驟，希望能夠從一個新的、更廣泛、直觀的角度上看待智慧化建設。本文所提出的評估策略仍存在較多未充分考慮的問題，尤其是轉換函數f1、f2的科學合理的確定仍然需要深入探討。從應用和發展的角度，目前的水電智慧化建設可沿用指標形式的評估模式，未來隨著技術的不斷發展，可逐步過渡到依據人機雙域模型的智慧化度評估模式，并最終實現統一的評估模式。