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摘要：人機(jī)協(xié)作與數(shù)據(jù)智能是智能發(fā)電技術(shù)的核心要素，復(fù)雜系統(tǒng)平行控制理論體系與應(yīng)用架構(gòu)是智能發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵支撐，虛實交互與迭代閉環(huán)是智能發(fā)電技術(shù)應(yīng)用的進(jìn)化路徑。文章提出智能發(fā)電平行控制技術(shù)架構(gòu)橫向覆蓋平行智能控制與平行智能管理兩大系統(tǒng)，縱向貫穿智能電廠感知執(zhí)行層、控制運維層、生產(chǎn)監(jiān)管層、管理決策層4層結(jié)構(gòu)，利用ACP方法分布構(gòu)建平行智能系統(tǒng)，關(guān)聯(lián)聚合形成全局智能發(fā)電控制。在流程控制、過程控制與檢修管理方面的核心應(yīng)用具有典型代表性，細(xì)節(jié)闡述了原理結(jié)構(gòu)與應(yīng)用優(yōu)勢。以數(shù)據(jù)驅(qū)動與人機(jī)協(xié)作為特征的智能化技術(shù)發(fā)展前景可期。

關(guān)鍵詞：智能發(fā)電；平行控制；ACP方法；技術(shù)架構(gòu)；核心應(yīng)用

Abstract: Man-machine cooperation and data intelligence are the core elements of smart power generation technology. The theoretical system and application framework of parallel control for complex systems are the key support of smart power generation technology. Virtual-real interaction and iterative closed-loop are the evolutionary path of smart power generation technology. This paper proposes a parallel intelligent control technology framework for smart power generation, which covers two major systems: parallel intelligent control and parallel intelligent management. It runs through four layers of smart power plant's perceptual execution layer, control operation and maintenance layer, production supervision layer and management decision layer vertically. Based on the ACP method, the parallel intelligent systems are constructed separately, and the plant-wide intelligent development is formed by association and aggregation. The core applications in sequential control, process control and maintenance management are typical. The principle structure and application advantages are elaborated in detail. Intelligent technology characterized by data-driven and human-computer cooperation has a promising future.

Key words: Smart power generation; Parallel control; ACP approach; Technical architecture; Core applications

1 引言

智能電廠與智能發(fā)電概念提出已有2年多時間^[1,2]，相關(guān)技術(shù)在發(fā)電行業(yè)由點及面的應(yīng)用發(fā)展態(tài)勢正逐步形成，發(fā)電廠生產(chǎn)外圍區(qū)域的應(yīng)用嘗試不斷有系統(tǒng)化方案面世，各發(fā)電集團(tuán)層面也陸續(xù)出臺了頂層技術(shù)規(guī)劃^[3~5]，但過程控制核心區(qū)的應(yīng)用還有待系統(tǒng)性突破。生產(chǎn)外圍區(qū)域的智能化技術(shù)應(yīng)用多體現(xiàn)在輔助設(shè)施、作業(yè)及安防領(lǐng)域的圖像或語義數(shù)據(jù)處理、信息關(guān)聯(lián)與可視化應(yīng)用，而過程控制區(qū)的智能化則更依賴于數(shù)據(jù)智能與機(jī)理建模的有機(jī)融合，以及以運行操作為核心的智能診斷與人機(jī)協(xié)作^[6]。智能融合的生產(chǎn)體系必然缺少不了人的因素，在智能體的發(fā)展進(jìn)化過程中，人機(jī)協(xié)作是智能尋優(yōu)的樣本來源和監(jiān)督驅(qū)動因子。同時還要有一個更基礎(chǔ)的底層理論支撐，才能穩(wěn)固承接并有機(jī)融合各個層面的跨域技術(shù)應(yīng)用。平行控制理論是目前解決復(fù)雜系統(tǒng)智能控制與協(xié)同優(yōu)化的最有效理論體系之一，在當(dāng)前以數(shù)據(jù)驅(qū)動和人工智能為代表的智能化發(fā)展進(jìn)程中，在該理論的應(yīng)用架構(gòu)支撐下，通過平行仿真、虛實交互、人機(jī)協(xié)作、迭代尋優(yōu)可系統(tǒng)實現(xiàn)發(fā)電過程的智能管控與閉環(huán)優(yōu)化。

2 平行智能控制理論概述

平行控制理論是中國科學(xué)院復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國家重點實驗室主任王飛躍教授于2004年提出的^[7]，其基本定義為通過虛實系統(tǒng)互動的執(zhí)行方式來完成任務(wù)的一種控制方法^[8]。主要通過實際物理系統(tǒng)與人工仿真系統(tǒng)之間的平行建模與信息交互，以數(shù)據(jù)為驅(qū)動、計算為手段，使人工系統(tǒng)成為實際系統(tǒng)目標(biāo)與策略優(yōu)化的先導(dǎo)，進(jìn)而在迭代進(jìn)化中使實際系統(tǒng)趨向人工系統(tǒng)，簡化復(fù)雜問題，實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的智能控制與管理。

平行控制理論涵蓋了復(fù)雜系統(tǒng)的控制與管理，而管理實質(zhì)上也是一種人因相關(guān)的復(fù)雜控制過程，在其理論框架下重點發(fā)展了復(fù)雜系統(tǒng)建模、實驗與決策的ACP方法。ACP方法包括人工系統(tǒng)（Artificialsystems）、計算實驗（Computational experiments）和平行執(zhí)行（Parallel execution）。人工系統(tǒng)就是要建立與實際系統(tǒng)相等價的模型；計算實驗是在人工系統(tǒng)上進(jìn)行各種實驗，對系統(tǒng)進(jìn)行分析和預(yù)測；平行執(zhí)行是實現(xiàn)人工系統(tǒng)和實際系統(tǒng)的迭代更新，以平行執(zhí)行的方式對系統(tǒng)的運行進(jìn)行有效控制。

圖1 平行系統(tǒng)ACP方法基本框架與工作模式

如圖1所示，在平行系統(tǒng)虛實互動的基本框架下,有三種主要工作模式：（1）學(xué)習(xí)與培訓(xùn)，在人工系統(tǒng)的初建階段，虛擬系統(tǒng)的等價模型需要逐步完善，通過仿真建模與數(shù)據(jù)更新使人工系統(tǒng)不斷逼近實際系統(tǒng)對象特性與管理特征；在控制運行階段，人工系統(tǒng)將計算實驗獲得的優(yōu)化方案應(yīng)用至實際系統(tǒng)，并通過學(xué)習(xí)培訓(xùn)迭代更新實際系統(tǒng)的模型參數(shù)。（2）實驗與評估，是平行系統(tǒng)智能控制的核心環(huán)節(jié)，通過人機(jī)協(xié)作與智能尋優(yōu)對人工系統(tǒng)實施控制策略與管理方案的計算實驗，對其執(zhí)行情況與實驗效果進(jìn)行評判和預(yù)估，并將最優(yōu)方案同步應(yīng)用至人工系統(tǒng)與實際系統(tǒng)；在計算實驗環(huán)節(jié)，對人工系統(tǒng)可以進(jìn)行超實時運行，預(yù)測過程趨勢，比對運行結(jié)果，優(yōu)化控制方案。（3）控制與管理，是虛實系統(tǒng)平行執(zhí)行、實時同步運行的過程，一方面實際驗證優(yōu)化方案的運行效果，另一方面通過虛實系統(tǒng)運行過程的觀察評估與比對分析，及時修正人工系統(tǒng)模型偏差，進(jìn)而啟動下一輪迭代優(yōu)化；經(jīng)過持續(xù)的實驗、優(yōu)化、執(zhí)行、評估、修正的循環(huán)，控制過程不斷收斂并動態(tài)演進(jìn)，實現(xiàn)對復(fù)雜系統(tǒng)運行與發(fā)展中的有效控制與管理。像發(fā)電廠這樣的復(fù)雜控制與管理系統(tǒng)，一個實際系統(tǒng)可以分域或分時地與多個人工系統(tǒng)平行互動，協(xié)同完成各項控制與管理任務(wù)^[8]。

平行控制是數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能控制方法，其核心技術(shù)包括基于代理控制（Agent-basedcontrol，ABC）技術(shù)、自適應(yīng)動態(tài)規(guī)劃（Adaptive dynamicprogramming，ADP）技術(shù)、語言動力系統(tǒng)（Linguistic dynamic systems，LDS）技術(shù)、以及平行系統(tǒng)的并行計算技術(shù)。ADP技術(shù)主要解決基于數(shù)據(jù)的非線性系統(tǒng)分析、控制與優(yōu)化問題，基于增強(qiáng)式學(xué)習(xí)原理，是一種非常接近人腦智能的方法；ABC技術(shù)提出了多代理系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化問題，控制策略基于代理實現(xiàn)，解決人機(jī)協(xié)同中的智能體控制問題；LDS技術(shù)主要是解決自然語言處理與信息利用問題，建立人類語言知識和計算機(jī)數(shù)字知識的聯(lián)系，降低系統(tǒng)描述的復(fù)雜性；并行計算技術(shù)則為計算實驗和平行控制的巨大計算規(guī)模提供解決方案^[9]。

圖2 智能發(fā)電平行控制系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

3 智能發(fā)電平行控制技術(shù)架構(gòu)

智能發(fā)電平行控制系統(tǒng)總體上可劃分為平行智能控制系統(tǒng)與平行智能管理系統(tǒng)兩大部分，如圖2所示，在智能電廠4層體系架構(gòu)^[1]中，感知執(zhí)行層（設(shè)備層）、控制運維層（控制層）、生產(chǎn)監(jiān)管層、管理決策層（管理層）分別處理設(shè)備級、機(jī)組級、廠區(qū)級與運營級的控制與管理業(yè)務(wù)，其中智能控制系統(tǒng)縱向貫穿了從發(fā)電設(shè)備現(xiàn)場測量執(zhí)行到過程控制、廠級優(yōu)化、以及電力市場報價決策等所有實時監(jiān)控與在線決策的電能生產(chǎn)銷售過程，智能管理系統(tǒng)則涵蓋了運維檢修、公共服務(wù)、企業(yè)管理、以及相關(guān)的采集執(zhí)行設(shè)備等支撐電廠生產(chǎn)運營業(yè)務(wù)的設(shè)備與服務(wù)管理過程，針對不同的過程對象，按需建立相應(yīng)的人工系統(tǒng)，實現(xiàn)各實際系統(tǒng)的平行智能控制與管理。過程采集的各類過程數(shù)據(jù)與作業(yè)數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)清洗與結(jié)構(gòu)化處理后，統(tǒng)一送至數(shù)據(jù)中臺融合應(yīng)用，并在做好信息安全措施前提下外聯(lián)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與各類數(shù)據(jù)云平臺，參與數(shù)據(jù)云服務(wù)，同時實現(xiàn)與集團(tuán)、市場、監(jiān)管等外部數(shù)據(jù)應(yīng)用需求的對接。

平行控制與管理系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)，可采用化整為零，由局部到整體逐步聚合的模式，針對不同實際控制需求，開發(fā)不同功能的平行控制器，并逐步協(xié)同控制目標(biāo)形成整體的平行智能控制系統(tǒng)。在發(fā)電運行核心的過程控制部分，針對協(xié)調(diào)汽溫系統(tǒng)，可搭建專用優(yōu)化平行控制器，建立閉環(huán)優(yōu)化人工系統(tǒng)，采集實時參數(shù)與歷史數(shù)據(jù)開展控制算法智能尋優(yōu)與在線執(zhí)行；針對程控智能啟停控制，建立流程參數(shù)模型，采集設(shè)備狀態(tài)與運行操作數(shù)據(jù)，計算分析行為習(xí)慣與動作特征，實驗尋優(yōu)程控流程，優(yōu)化過程目標(biāo)；針對保護(hù)可靠性優(yōu)化，可建立保護(hù)動作數(shù)據(jù)模型，采集實際聯(lián)鎖保護(hù)動作數(shù)據(jù)，計算模擬關(guān)聯(lián)結(jié)果，優(yōu)化功能回路與參數(shù)定值。在生產(chǎn)運維核心的運維檢修部分，針對智能巡檢需求建立設(shè)備定位與參數(shù)分布模型，采集人員設(shè)備交互信息，計算優(yōu)化作業(yè)流程與巡查路徑，提升工作效率和效果；針對檢修管理，建立設(shè)備結(jié)構(gòu)與作業(yè)程序數(shù)據(jù)模型，結(jié)合仿真操作與人員培訓(xùn)優(yōu)化改進(jìn)工作流程，提升作業(yè)能力，利用信息可視化輔助現(xiàn)場作業(yè)，優(yōu)化閉環(huán)管理流程；針對狀態(tài)檢修需求，建立機(jī)組設(shè)備健康管理人工系統(tǒng)，采集設(shè)備巡檢與消缺臺帳信息，關(guān)聯(lián)設(shè)備運行數(shù)據(jù)，計算尋優(yōu)健康趨勢診斷預(yù)警模型，優(yōu)化作業(yè)程序與閉環(huán)管理流程。在工控信息安全部分，可分別建立控制人工系統(tǒng)與管理人工系統(tǒng)協(xié)同實現(xiàn)控制防護(hù)與安全管理，針對工控信息與過程安全需求，建立平行人工系統(tǒng)，采集控制系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，對過程控制提供指令審計，對組態(tài)文件實施異動監(jiān)控，通過模擬仿真或超實時運算優(yōu)化指令審計策略，關(guān)聯(lián)安全預(yù)警信息實現(xiàn)主動防御與深度安全；針對信息安全管理需求，構(gòu)建平行管理體系流程，利用數(shù)據(jù)模型優(yōu)化管理制度與工作規(guī)范，對管理作業(yè)實現(xiàn)行為審計，有序落實各類管理要求。

4 平行控制技術(shù)核心應(yīng)用

4.1 人機(jī)協(xié)作運行控制流程優(yōu)化

利用平行控制人機(jī)協(xié)作的理念實現(xiàn)控制流程的智能迭代優(yōu)化是提升APS（automatic procedure startup & shut-downsystem）流程控制靈活性與實用性的有效途徑。傳統(tǒng)APS是針對機(jī)組啟停過程的專用流程設(shè)計，程序固定且過于理性化，容錯性能差，使用率低，投入的控制資源在機(jī)組長期的調(diào)節(jié)運行中得不到有效利用。針對這一現(xiàn)狀，文獻(xiàn)^[10]提出了面向?qū)ο蟮腁PS2.0系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法，解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題，突出底層對象系統(tǒng)的獨立可用性，強(qiáng)調(diào)任務(wù)執(zhí)行中的人機(jī)協(xié)作，弱化所謂的斷點配置，與運行習(xí)慣緊密銜接，提高操作靈活性與工況適應(yīng)性。

圖3 平行流程控制器結(jié)構(gòu)原理圖

針對運行控制流程優(yōu)化的平行控制器設(shè)計方案如圖3所示，以被控對象系統(tǒng)流程為樣本，在平行控制器中建立相應(yīng)的等效流程簡化模型，并參照DCS控制回路設(shè)計等效程控操作回路，在DCS實際控制回路與平行等效控制回路中同步設(shè)置流程路線與流程時間選擇切換開關(guān)，機(jī)組啟停或運行中進(jìn)行對象系統(tǒng)的啟停操作時，流程參數(shù)與運行過程數(shù)據(jù)送至平行控制回路同步運行，計算實驗回路觀察記錄包含運行操作信息的流程數(shù)據(jù)，并發(fā)出指令在平行控制器（人工系統(tǒng)）中啟動模擬實驗，采用深度學(xué)習(xí)超實時運算或人機(jī)協(xié)作分析比對的方式優(yōu)化流程參數(shù)，并將尋優(yōu)結(jié)果更新至DCS控制回路，循環(huán)迭代優(yōu)化運行，逐步逼近APS流程控制省時高效的最優(yōu)目標(biāo)。同時，在平行控制器中還可啟動對全局流程的模擬尋優(yōu)，在每次機(jī)組啟動或停運以前，先行規(guī)劃流程路線，模擬運行比對優(yōu)劣，合理選擇并行流程與先后次序，靈活應(yīng)對各種啟停需求。對于某一單個流程也許平行尋優(yōu)的優(yōu)勢并不明顯，但對于機(jī)組啟停這樣的復(fù)雜過程，超實時的模擬流程運行比對就是人力所不能及的了。

4.2 數(shù)據(jù)驅(qū)動過程控制算法優(yōu)化

類似協(xié)調(diào)汽溫控制系統(tǒng)這樣的過程控制系統(tǒng)，其平行控制器的設(shè)計方案要相對復(fù)雜一些，一方面因為熱力系統(tǒng)對象建模不像流程對象那么容易，所以人工系統(tǒng)的建模實驗分為在線實際系統(tǒng)建模與離線人工建模兩種方式；另一方面，過程控制的優(yōu)化設(shè)計控制回路的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在運行機(jī)組的DCS中改動控制結(jié)構(gòu)幾乎沒有可能，因此平行控制器的設(shè)計除包含DCS參數(shù)優(yōu)化的技術(shù)方案外，還需考慮外部優(yōu)化控制器方案，控制結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，將實際系統(tǒng)切換至外部控制器運行。

圖4 平行過程控制器結(jié)構(gòu)原理圖

過程系統(tǒng)平行控制器的基本結(jié)構(gòu)方案如圖4所示，實際系統(tǒng)包含被控對象（執(zhí)行機(jī)構(gòu)、過程系統(tǒng)、測量裝置）、DCS控制系統(tǒng)，DCS控制系統(tǒng)通過采集數(shù)據(jù)、產(chǎn)生控制數(shù)據(jù)對實際過程系統(tǒng)進(jìn)行控制，它們組成了一個閉環(huán)控制回路；平行過程控制器包含偽隨機(jī)信號發(fā)生器、過程系統(tǒng)對象模型、計算實驗回路、平行控制器及外部控制器，其中外部控制器是在DCS外部控制模式時替代DCS控制器實現(xiàn)平行執(zhí)行功能的，屬于實際系統(tǒng)的延伸部分。利用偽隨機(jī)在線激勵系統(tǒng)，結(jié)合人工機(jī)理建模與歷史數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)建模^[11]，建立并迭代修正過程對象模型，通過計算實驗回路進(jìn)行比對測試評估模型精度與控制性能，判斷是否需要重新建模或優(yōu)化控制策略，平行控制器平行執(zhí)行，外部控制器平行控制，實現(xiàn)智能迭代優(yōu)化控制。

4.3 虛擬輔助智能檢修作業(yè)優(yōu)化

發(fā)電機(jī)組檢修是發(fā)電企業(yè)最重要的生產(chǎn)業(yè)務(wù)活動，年度檢修工作量大，時間進(jìn)度緊，如不能按期投產(chǎn)將被考核生產(chǎn)事故，同時檢修質(zhì)量與安全也是重要指標(biāo)之一，因此在檢修管理中，核心控制點是合理的進(jìn)度與科學(xué)高效的作業(yè)程序。圖5舉例闡述了平行檢修管理控制器的結(jié)構(gòu)原理，檢修工作的主進(jìn)程由檢修進(jìn)度控制器負(fù)責(zé)尋優(yōu)管控，其中各業(yè)務(wù)要素中與流程及進(jìn)度相關(guān)的參數(shù)被檢修進(jìn)度控制器收集優(yōu)化，而涉及作業(yè)程序本體與作業(yè)人員能力優(yōu)化的部分則由相應(yīng)的檢修業(yè)務(wù)控制器尋優(yōu)管控，提升作業(yè)效率、質(zhì)量與安全性，人員安全后勤、機(jī)具與物資調(diào)度等管控則各自關(guān)聯(lián)相應(yīng)的智能安防、后勤服務(wù)及物資倉儲管理系統(tǒng)。

圖5 平行檢修管理控制器結(jié)構(gòu)原理圖

虛擬輔助檢修作業(yè)目前是開展得較為普遍的一項智能檢修應(yīng)用項目，其中，虛擬仿真培訓(xùn)與可視化輔助作業(yè)是這項智能化工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過對實際檢修對象的等價建模，對檢修作業(yè)相關(guān)的設(shè)備細(xì)節(jié)在虛擬人工系統(tǒng)中充分展現(xiàn)，在計算實驗環(huán)節(jié)，對檢修作業(yè)流程、可視化輔助信息、安全措施、質(zhì)量驗收、文件管理等所有實際作業(yè)系統(tǒng)需面臨的業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)開展測試與優(yōu)化，對合理性和有效性通過沉浸式仿真培訓(xùn)環(huán)節(jié)進(jìn)行驗證完善，同時與人員培訓(xùn)和實際操作效果相結(jié)合，在迭代應(yīng)用中持續(xù)優(yōu)化作業(yè)程序，充分發(fā)揮可視化輔助作業(yè)系統(tǒng)的優(yōu)勢，提高實際檢修作業(yè)水平。

虛擬仿真系統(tǒng)在平行作業(yè)優(yōu)化中越趨近于真實作業(yè)過程，其人員培訓(xùn)方面的優(yōu)勢就越顯著，由于所有跟培訓(xùn)有關(guān)的活動都是在虛擬場景中完成，受訓(xùn)人員足不出戶，就可以了解現(xiàn)場生產(chǎn)工藝的全過程，掌握各種設(shè)備與零部件操作方法，既避免了對機(jī)器設(shè)備的誤操作造成的機(jī)械事故，也保證學(xué)員、教師、其他工作人員的人身安全。由于不受時間和地域的限制，不僅減少培訓(xùn)成本，而且縮短了人員的實際操作時間。

5 總結(jié)與展望

火力發(fā)電目前仍是國內(nèi)最大的電力能源生產(chǎn)者，利用智能化技術(shù)提升工作效率與經(jīng)濟(jì)效益意義重大，平行控制理論體系在交通、物流、網(wǎng)絡(luò)、教育、軍事、應(yīng)急管理等領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用，在能源電力領(lǐng)域的研究也正逐步深入^[3,12]，復(fù)雜系統(tǒng)的ACP方法以及ADP、ABC技術(shù)在智能控制領(lǐng)域的應(yīng)用成果顯著，將有力支撐發(fā)電生產(chǎn)系統(tǒng)的平行智能控制與管理。本文提出的技術(shù)架構(gòu)方案覆蓋了發(fā)電運行與生產(chǎn)管理的全業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，在統(tǒng)一的理論框架體系下，可通過分布開發(fā)應(yīng)用，整體關(guān)聯(lián)聚合，循序漸進(jìn)實現(xiàn)全局智能控制與管理。

隨著深度學(xué)習(xí)與人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，智能發(fā)電領(lǐng)域必將迎來數(shù)據(jù)價值的大發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)控制技術(shù)在復(fù)雜非線性系統(tǒng)中的應(yīng)用局限，將有望在以數(shù)據(jù)驅(qū)動、人機(jī)協(xié)作為特征的新的智能控制理論支撐下獲得突破，使智能發(fā)電技術(shù)擁有更全面的控制范圍和更全局的優(yōu)化目標(biāo)，深度融入智慧能源與智能制造技術(shù)的發(fā)展洪流。

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作者簡介：

尹　峰（1972- )，工學(xué)博士，教授級高工，現(xiàn)就職于國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，從事發(fā)電自動化、網(wǎng)源協(xié)調(diào)、工控安全及可靠性技術(shù)研究。

摘自《自動化博覽》2019年9月刊