新型海上風電觀測技術裝備研發管理創新實踐

孫長平 易侃 陳昂

摘 要：針對產業鏈創新鏈全過程融合理論研究的不足，以三峽集團科研院新型海上風電觀測技術裝備研發為案例，探索創新鏈產業鏈全過程深度融合路徑。初步建立涵蓋基礎研究、應用研究、試驗開發等三個層面，以及創新性、適用性、便捷性、安全性、可靠性、經濟性等六個維度的“三層六維”技術創新需求分析評價體系，建立創新鏈迭代優化閉環管理流程，創新“屬地化”協同高效集成制造模式，建立“1+3+N”的多維度性能驗證評價體系，保障工程示范可靠性，凝練形成集需求分析、技術攻關、設計集成、生產制造、示范驗證、推廣應用于一體的“六位一體”全過程研發管理創新模型，助力創新鏈產業鏈精準對接。研發成果“國產化漂浮式深遠海風電工程風浪流一體化剖面觀測平臺”，實現了從零部器件、內嵌算法到整體設計集成的核心技術國產化，有效助推海上風電觀測領域關鍵核心技術國產化替代，在滿足海上風電水文氣象觀測工程應用需求基礎上，促進海上風電開發產業鏈降本增效，推動新型海上風電觀測技術裝備研發管理創新。

關鍵詞：創新鏈；產業鏈；海上風電；技術裝備；管理創新

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0 引 言

黨中央高度重視科技創新工作。黨的十八大以來，以習近平同志為核心的黨中央把科技創新擺在國家發展全局的核心位置，推動我國科技創新事業不斷發展[1]。黨的二十大報告將科技工作列為專章闡述，突出了科技創新在我國現代化建設全局中的核心地位。創新是引領發展的第一動力，產業是發展的重要載體。創新鏈是產業鏈發展的動力之源，是產業鏈各環節價值增值的基礎；產業鏈依托創新鏈形成發展、升級提高，是創新鏈落地生根的載體，帶動創新成果的工程化和落地應用，同時也會對創新鏈發展提出新的需求，進而推動創新鏈升級并催生新的創新鏈。創新鏈產業鏈深度融合充分體現了創新主體與生產主體的融合、科技創新和產業發展的融合、原始創新與產業化應用的融合，是我國全球價值鏈地位提升、實現經濟高質量發展的關鍵所在[2]。

企業是科技創新的主體，以企業為主體推進創新鏈產業鏈深度融合、高效協同、精準對接，有助于夯實企業科技創新主體地位，促進科技成果轉化應用，是企業科技創新管理的關鍵。中央企業作為國民經濟發展的“頂梁柱”，更要加快打造國家戰略科技力量，勇當原創技術“策源地”和現代產業鏈“鏈長”，推動創新鏈產業鏈深度融合，以高水平科技自立自強支撐高質量創新發展[3-4]。

我國產業鏈創新鏈融合發展的研究與實踐表明，盡管我國科技創新投入持續增加，科技創新平臺漸趨完善，科技創新重點企業加快培育，重大科技項目有序部署，科技成果轉化機制逐步健全，但在產業鏈創新鏈的全過程融合和完整政策體系方面還有待進一步完善，未來推動我國產業鏈創新鏈融合發展要促進產業鏈和創新鏈不同環節融合、推動多鏈協同發展。中央企業產業鏈創新鏈融合實踐較多，不同業務領域探索形成較多融合成果，但整體上管理理論層面的模式總結比較欠缺，導致復制性、推廣性相對較差。

本文針對目前產業鏈創新鏈全過程融合理論的不足，以能源央企中國長江三峽集團有限公司（以下簡稱“三峽集團”）在海上風電開發過程中形成的新型風電觀測技術裝備研發實踐為例，開展從需求分析、技術攻關、設計集成、生產制造、示范驗證，到工程應用的全過程研發管理創新。研究成果可為完善產業鏈創新鏈全過程融合理論提供支撐，為海上風電開發全產業鏈的降本增效提供借鑒。

1 研究背景

1.1 三峽集團科研院簡介

三峽集團是1993年為建設三峽工程，經國務院批準成立的企業，歷經30年持續快速高質量發展，已成為全球最大的水電開發運營企業和中國領先的清潔能源集團[5]。三峽集團正立足新發展階段，完整、準確、全面貫徹新發展理念，構建新發展格局，奮力實施清潔能源和長江生態環保“兩翼齊飛”，積極推進海上風電引領者戰略，初步形成了海上風電沿海集中連片規模化開發布局[6-7]。2019年，三峽集團成立科學技術研究院（以下簡稱“科研院”），圍繞三峽集團戰略布局和核心主業開展科技創新工作，搭建產研協同工作體系，與三峽集團各業務板塊間形成長短期研究相結合，前瞻研究與應用研究相結合，良性互動、相互促進的科研工作格局。

1.2 海上風電開發亟需解決資源與環境勘測難題

雙碳目標背景下，我國海上風電快速發展。隨著海上風電項目布局的加快和對海域環境的不斷探索，海上風電產業逐漸向大功率、深遠海挺進，海上風電快速進入規模化、深遠海化、平價化開發階段，通過科技創新實現降本提效是行業當前面臨的重要機遇與挑戰。

海上風能資源和水文環境等氣象水文觀測評估是海上風電開發經濟性評價、投資決策和工程設計的重要基礎。長期以來，海上風電氣象水文觀測技術主要依托在海上建立固定式測風塔，在工程實踐中存在站點布設難度大、建設周期長、經濟成本高等一系列問題，極大影響海上風電開發效率[8]。隨著海上風電開發向深遠海不斷發展，水深的增加進一步提升海上固定式測風塔的建造、運營和維護成本及難度。同時，由于在海洋環境觀測要素、傳感器布設、數據存儲和觀測周期等缺乏統一行業標準，導致觀測數據記錄自動化程度低、設備維護困難、數據管理混亂等問題。亟需研發新型海上風電觀測技術裝備，解決海上風電開發過程中資源與環境勘測面臨的難題。

1.3 新型海上風電觀測技術裝備研發

三峽集團高度注重科技創新，立足“海上風電引領者”戰略目標，積極主導海上風電領域重大技術裝備研發制造和應用示范，在海上風電關鍵系統、關鍵部件、關鍵過程、關鍵技術上，積極推進科技攻關和國產化替代。科研院作為集團統一科研創新平臺，堅持科技創新與管理創新“雙輪驅動”，以新型海上風電資源與環境勘測裝備研發和應用為目標，聯合三峽集團上海勘測設計研究院有限公司、青島華航環境科技有限責任公司、哈爾濱工業大學（深圳）等創新鏈和產業鏈上下游單位，圍繞海上風電產業發展的系統性需求部署創新鏈，圍繞海上風電觀測領域重大技術裝備創新研發需求布局產業鏈，研制了新型觀測技術裝備“漂浮式深遠海風電工程風浪流一體化剖面觀測平臺”（見圖1），帶動創新成果落地應用。

2 創新實踐

2.1 圍繞產業鏈系統性需求部署創新鏈

2.1.1 建立技術創新需求分析評價體系

科研院基于科研活動發展的線性模型，建立了涵蓋基礎研究、應用研究、試驗開發等三個層面，以及創新性、適用性、便捷性、安全性、可靠性、經濟性等六個維度的“三層六維”技術創新需求分析評價體系（見圖2），滿足創新鏈的創新需求、工程需求和價值需求。

圍繞海上風電領域全生命周期科研布局，在項目策劃階段以工程實地考察、行業專家研討、科研機構調研等方式，系統分析科技創新需求，從需求獲取、需求分類、需求篩選、需求提煉、需求排序等多個環節逐步開展分析，研究制定針對不同需求問題的科技攻關路徑，完成研發體系布局，有效指導工程技術創新“三層六維”的整體需求。

（1）基礎研究層面主要解決創新需求，重點關注創新性。聚焦國際科技前沿領域，立足“卡脖子”技術攻關和國產化替代的實際需求，圍繞新型觀測技術研發和裝備試制，開展重點科技攻關和成果先行先試，突破發達國家對漂浮式激光雷達測風核心技術的壟斷，實現從零部器件、內嵌算法到整體設計集成的國產化創新，保障了我國海域水文氣象觀測的數據安全。

（2）應用研究層面主要解決工程需求，重點關注適用性和便捷性。針對傳統觀測裝備測量要素單一的問題，立足海上風電氣象水文觀測實際需求，研發了集邊界層風剖面、海流剖面、波浪、溫度、鹽度等水文氣象指標于一體的綜合觀測技術；針對數據量大、存儲管理混亂、處理分析不便等問題，通過專業數據分析建模和配套軟件設計實現新型觀測技術裝備高時效、全天候、自動化的全過程監測數據管理。

（3）試驗發展層面主要解決價值需求，重點關注安全性、可靠性和經濟性。針對海上高溫、高濕、高鹽、強臺風的環境特點，開展新型觀測技術裝備系統結構設計優化，實現抗風浪、防鹽霧、防水、防腐蝕等特性，保障海上惡劣環境下的長期穩定運行；從固定式測風塔應用到漂浮式觀測裝備研發，克服深遠海地區供能和數據信號傳輸難題，降低了漂浮式平臺在海上多自由度運動對風能資源測量精度的影響，實現了海上惡劣環境下長時間、全天候、自動化水文氣象一體化監測；與傳統固定式測風塔相比，漂浮式、智能化的新型觀測技術裝備具有建造成本低、布放靈活、可重復利用等明顯優勢，能夠顯著降低深遠海域風能資源與水文環境勘測成本，提高工程實施效率。

2.1.2 瞄準國產化替代組建創新聯合體

為打通新型觀測技術裝備從實驗室研究到工程應用的各個環節，科研院以重大科技項目為依托，瞄準新型海洋環境觀測裝備研發開展國產化替代核心技術攻關，牽頭聯合創新鏈和產業鏈上下游單位組建創新聯合體，包括在激光雷達信號處理、高精度頻率鎖定反饋穩頻技術、大氣背景噪聲綜合抑制等基礎研究方面具有豐富技術積累的高校科研單位，從事智能型環境氣象激光雷達、遙感探測產品裝備制造單位，在海洋環境觀測裝備數據分析應用方面具有豐富工程實踐經驗的勘測設計單位，以及為項目實施提供工程應用場景和配套設施的項目開發單位。

通過分工合作、高效協同，各單位在整個項目中緊密銜接，打通了“基礎理論研究-試驗測試-設計建造-實證檢驗-應用示范-市場推廣”完整鏈條，有效保障新型觀測裝備研發。觀測裝備采用慣性導航單元（Inertial Measurement Unit，IMU）和衛星導航單元組合式的姿態運動測量設備，結合自主研制的多源融合風速補償算法，有效保障海上風能資源測量的精度，在國內率先實現了重大技術突破，使海上風能資源測量技術達到國際先進水平。

2.1.3 閉環迭代優化保障高質量設計集成

高質量的過程管理是推動集成技術不斷完善、技術裝備迭代升級的重要舉措。在新型觀測技術裝備研發過程中，形成了“需求分析-設計研發-性能測試-設計優化-需求優化”的完整創新鏈閉環迭代優化管理流程（見圖3），保障了新型裝備研發的持續改進。通過調研需求，確定了以技術集成為主的裝備設計研發方式，以漂浮式平臺為載體，集成激光雷達、聲學多普勒海流計、溫鹽傳感器、波浪傳感器等多種水文氣象觀測設備，能夠實現邊界層風剖面、海流剖面、波浪、溫度、鹽度等水文氣象一體化綜合觀測。在裝備性能測試環節，開展了相應的對比驗證測試、性能診斷評估、運行監測分析等測試，及時發現裝備在研發應用過程中的問題，例如：在對比測試過程中發現5 m/s以下風速段的湍流強度測量結果與固定式測風塔測量數據偏差較大；在應用示范過程中發現漂浮式平臺在測波方面的準確性不足；在運行觀測過程中發現海流計故障率較高等問題。根據性能測試結果開展技術優化，第一時間組織項目研發團隊進行會商，邀請業內專家參與研討，在此基礎上不斷優化系統設計方案，形成需求分析到需求優化的迭代閉環。

2.2 圍繞創新鏈示范推廣應用布局產業鏈

2.2.1 “屬地化”協同促進高效集成制造

生產制造環節，創新“屬地化”管理模式，從設計集成、裝備組件集成，升級到人員集成和產品集成，上下游配套產業鏈高效協同，為新型觀測技術裝備在沿海地區組裝制造提供保障。由于設計的10 m直徑大型鋼結構浮標體存在陸運難度大、海上運輸成本高等問題，考慮新型觀測技術裝備在強臺風等惡劣海況下的安全性和可靠性，項目團隊對生產制造環節進行精細化分解，建立了核心零部件廠內備件、鋼結構平臺鑄造就地取材、裝備集成組裝現場建造的生產模式。預制件均在廠內統一加工，設立各部件加工的質量控制點，保證工作效率；浮標體在布放點位附近船廠由成熟團隊完成組裝建造，并由第三方檢測機構出具無損探傷報告，保證工序嚴格控制；承擔制造單位派駐項目管理人員和現場安裝人員，開展系統配套設備的綜合集成制造，并開展聯調聯試工作，確保達到交付、驗收標準。

2.2.2 多維度性能測試保障工程示范可靠性

為充分驗證可靠性，依托國內首個百萬千瓦級海上風電場——三峽廣東陽江沙扒海上風電場，構建了國內首個以海上固定式測風塔為基準的比對驗證試驗場，圍繞裝備運行穩定性、測量結果準確性、裝備運行安全性3個監測維度，以及數據完整性檢驗、測量結果相關性分析、工作電壓檢測、設備運行狀態監測等多個評價指標，建立了“1+3+N”的新型觀測技術裝備性能驗證評價體系（見圖4），通過全生命周期的多維度性能測試驗證，最大程度保障工程應用的各項性能指標，打通從技術研發到示范應用的最后一公里，有力促進科技成果的推廣應用。通過3個月的比對測試，各數據傳輸通道接收的有效數據完整率均在98%以上；觀測結果與固定式測風塔基本一致，各高度層的風速、最大風速及風向的擬合相關系數均在0.97以上；風速平均偏差保持在0.1 m/s以內，各風向平均偏差基本保持在5°以內，主要測量要素的精度指標達到國際先進水平。

2.2.3 觀測分析標準化促進降本增效

為解決行業標準缺失的問題，項目團隊綜合利用北斗衛星通訊、互聯網、AES（Advanced Encryption Standard）加密等技術，開發了新型海洋環境觀測裝備數據管理平臺（見圖5），實現了高質量的實時數據信息傳輸；開發了數據測試及運行分析系統，實現了在應用測試及運行過程中對測量性能的智能監測驗證，以及針對海上風資源評估指標參數的自動化統計分析；通過專業數據分析建模和配套軟件設計封裝，打通了數據獲取、數據傳輸、數據加密、數據處理、運行監測、診斷分析等各個環節，最終實現了全過程運行監測管理和性能驗證評價體系的標準化、自動化、智能化，顯著提高了新型觀測技術裝備應用的效率，具有很好的推廣效益。

3 實施成效

3.1 實現海上風電觀測領域關鍵核心技術國產化

新型觀測技術裝備成果已通過中國電子學會科技成果鑒定，實現了海上風電觀測領域關鍵核心技術國產化。項目團隊圍繞該裝備研發形成了系列發明專利、軟件著作權、研究論文等成套知識產權成果。作為海上風電領域的重大技術裝備，實現了從零部器件、內嵌算法到整體設計集成的國產化，突破了發達國家對漂浮式激光雷達測風核心技術壟斷，使海上風場測量技術達到國際先進水平，保障了我國海域水文氣象觀測的數據安全。

3.2 滿足海上風電水文氣象觀測的工程應用需求

新型觀測技術裝備于2021年4月成功布放至三峽廣東陽江青洲六期海上風電開發場址，長期開展水文氣象觀測任務，加速推進工程應用中的國產化替代。布放至今，經受了多次強臺風過境惡劣環境下的考驗，運行狀態穩定，為臺風期的海上風電安全管理提供了寶貴數據支持。其中，2022年7月成功經受“暹芭”臺風考驗，成功測得臺風眼區過境前后風速特征，10 min平均最大風速42 m/s，極值風力達到16級（51 m/s），在工程應用過程中表現優異。

3.3 促進海上風電開發全產業鏈的降本增效

經測算，在30～50 m水深海域建造一座固定式測風塔的成本約為1 500萬～3 000萬元。隨著水深不斷增加，建造投資成本逐漸提高；此外，測風塔在前期風場勘測結束后一般需要拆除或廢棄，塔架回收困難，產生大量沉沒成本。相比而言，新型觀測技術裝備建造成本約為400萬～600萬元，運營維護成本更低、難度更小、安裝布放靈活性高，可實現任意海域、任意時間部署及重復使用，有效降低海上風電前期勘測成本，提高海上風電開發效率，進而推動海上風電開發全產業鏈的降本增效。

4 經驗與啟示

通過新型觀測技術裝備研發和應用，探索構建了從需求分析、技術攻關、設計集成、生產制造、示范驗證、到工程應用推廣的“六位一體”全過程研發管理創新模型（見圖6），促進了創新鏈和產業鏈精準對接和深度融合。需求分析環節，以“三層六維”的技術創新需求分析評價體系指導創新鏈的構建；技術攻關環節，瞄準裝備國產化替代組建創新聯合體開展聯合技術攻關，建立了從創新鏈到產業鏈的橋梁；設計環節集成創新，形成了“需求分析-設計研發-性能測試-設計優化-需求優化”的完整創新鏈迭代優化閉環管理流程；生產制造環節，通過“屬地化”協同促進高效生產制造，保障上下游配套產業鏈的高效集成；示范驗證環節，以“1+3+N”多維度性能驗證評價體系有效保障從技術研發向應用推廣轉化，推動新型裝備產業鏈的形成；工程應用環節，以裝備運行監測和數據分析挖掘全過程的標準化管理，促進新型觀測技術裝備推廣應用的降本增效。

研制形成的“國產化漂浮式深遠海風電工程風浪流一體化剖面觀測平臺”，實現了從零部器件、內嵌算法到整體設計集成的國產化，突破了發達國家漂浮式激光雷達測風核心技術壟斷，有效降低海上風電前期勘測成本并提高效率，保障海上風能資源勘測結果可靠性和惡劣環境下的運行安全，為推動創新鏈產業鏈深度融合提供了生動案例。

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Innovative Practice in R&D and Management of New Offshore Wind Power Observation Technical Equipment

SUN Changping，YI Kan，CHEN Ang

（Science and Technology Research Institute of China Three Gorges Corporation，Beijing 101199，China）

Abstract：To address the limitations in theoretical research of the fusion between industrial chain and innovation chain，we explore the integration path of the two chains for the R&D of new technical equipment for offshore wind power observation in the Three Gorges Corporation as a case study. We have initially established a "three-level and six-dimensional" system for the analysis and evaluation of technology innovation demand. The system covers three levels，namely basic research，applied research，and experimental development，as well as six dimensions，including innovation，applicability，convenience，safety，reliability and economy. To ensure the reliability of engineering demonstration，we established a closed-loop management process for iterative optimization of the innovation chain，and developed a collaborative and efficient manufacturing mode of localized innovation and a "1+3+N" multi-dimensional performance verification and evaluation system. Through these efforts，we have integrated demand analysis，technology research，design，manufacturing，demonstration and verification，and popularization and application into a "six-in-one" whole-process R&D management innovation model. This model facilitates the precise alignment between innovation chain and industrial chain. Hence，we developed a localized profiling observation platform which integrates wind and wave currents in floating deep-ocean wind power project. Localized core technologies include component devices，embedded algorithms，as well as overall design and integration. Results have effectively promoted the substitution of localized core technologies in the field of offshore wind power observation. Moreover，the findings of this research not only meet the application requirements of hydro-meteorological observation for offshore wind power，but also promote the cost reduction and efficiency improvement in the offshore wind power development industry chain，contributing to the innovation of R&D management of new technical equipment for offshore wind power observation.

Key words：innovation chain；industrial chain；offshore wind power；technical equipment；management innovation

收稿日期：2023-02-08

基金項目：中國科協青年人才托舉工程項目（YESS20200309）；北京市科協青年人才托舉工程項目（BYESS2023274）；中國長江

三峽集團有限公司科研項目資助（WWKY-2019-0223）

作者簡介：孫長平，男，高級經濟師，碩士，主要從事科技創新管理工作。E-mail：sun_changping@ctg.com.cn

通信作者：陳 昂，男，高級工程師，博士，主要從事科技創新管理工作。E-mail：chenang@foxmail.com