摘要：人機協(xié)作與數據智能是智能發(fā)電技術(shù)的核心要素，復雜系統平行控制理論體系與應用架構是智能發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵支撐，虛實(shí)交互與迭代閉環(huán)是智能發(fā)電技術(shù)應用的進(jìn)化路徑。文章提出智能發(fā)電平行控制技術(shù)架構橫向覆蓋平行智能控制與平行智能管理兩大系統，縱向貫穿智能電廠(chǎng)感知執行層、控制運維層、生產(chǎn)監管層、管理決策層4層結構，利用ACP方法分布構建平行智能系統，關(guān)聯(lián)聚合形成全局智能發(fā)電控制。在流程控制、過(guò)程控制與檢修管理方面的核心應用具有典型代表性，細節闡述了原理結構與應用優(yōu)勢。以數據驅動(dòng)與人機協(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；核心應用

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(chǎng)與智能發(fā)電概念提出已有2年多時(shí)間^[1,2]，相關(guān)技術(shù)在發(fā)電行業(yè)由點(diǎn)及面的應用發(fā)展態(tài)勢正逐步形成，發(fā)電廠(chǎng)生產(chǎn)外圍區域的應用嘗試不斷有系統化方案面世，各發(fā)電集團層面也陸續出臺了頂層技術(shù)規劃^[3~5]，但過(guò)程控制核心區的應用還有待系統性突破。生產(chǎn)外圍區域的智能化技術(shù)應用多體現在輔助設施、作業(yè)及安防領(lǐng)域的圖像或語(yǔ)義數據處理、信息關(guān)聯(lián)與可視化應用，而過(guò)程控制區的智能化則更依賴(lài)于數據智能與機理建模的有機融合，以及以運行操作為核心的智能診斷與人機協(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(guò)程中，人機協(xié)作是智能尋優(yōu)的樣本來(lái)源和監督驅動(dòng)因子。同時(shí)還要有一個(gè)更基礎的底層理論支撐，才能穩固承接并有機融合各個(gè)層面的跨域技術(shù)應用。平行控制理論是目前解決復雜系統智能控制與協(xié)同優(yōu)化的最有效理論體系之一，在當前以數據驅動(dòng)和人工智能為代表的智能化發(fā)展進(jìn)程中，在該理論的應用架構支撐下，通過(guò)平行仿真、虛實(shí)交互、人機協(xié)作、迭代尋優(yōu)可系統實(shí)現發(fā)電過(guò)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)院復雜系統管理與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗室主任王飛躍教授于2004年提出的^[7]，其基本定義為通過(guò)虛實(shí)系統互動(dòng)的執行方式來(lái)完成任務(wù)的一種控制方法^[8]。主要通過(guò)實(shí)際物理系統與人工仿真系統之間的平行建模與信息交互，以數據為驅動(dòng)、計算為手段，使人工系統成為實(shí)際系統目標與策略?xún)?yōu)化的先導，進(jìn)而在迭代進(jìn)化中使實(shí)際系統趨向人工系統，簡(jiǎn)化復雜問(wèn)題，實(shí)現復雜系統的智能控制與管理。

平行控制理論涵蓋了復雜系統的控制與管理，而管理實(shí)質(zhì)上也是一種人因相關(guān)的復雜控制過(guò)程，在其理論框架下重點(diǎn)發(fā)展了復雜系統建模、實(shí)驗與決策的ACP方法。ACP方法包括人工系統（Artificialsystems）、計算實(shí)驗（Computational experiments）和平行執行（Parallel execution）。人工系統就是要建立與實(shí)際系統相等價(jià)的模型；計算實(shí)驗是在人工系統上進(jìn)行各種實(shí)驗，對系統進(jìn)行分析和預測；平行執行是實(shí)現人工系統和實(shí)際系統的迭代更新，以平行執行的方式對系統的運行進(jìn)行有效控制。

圖1 平行系統ACP方法基本框架與工作模式

如圖1所示，在平行系統虛實(shí)互動(dòng)的基本框架下,有三種主要工作模式：（1）學(xué)習與培訓，在人工系統的初建階段，虛擬系統的等價(jià)模型需要逐步完善，通過(guò)仿真建模與數據更新使人工系統不斷逼近實(shí)際系統對象特性與管理特征；在控制運行階段，人工系統將計算實(shí)驗獲得的優(yōu)化方案應用至實(shí)際系統，并通過(guò)學(xué)習培訓迭代更新實(shí)際系統的模型參數。（2）實(shí)驗與評估，是平行系統智能控制的核心環(huán)節，通過(guò)人機協(xié)作與智能尋優(yōu)對人工系統實(shí)施控制策略與管理方案的計算實(shí)驗，對其執行情況與實(shí)驗效果進(jìn)行評判和預估，并將最優(yōu)方案同步應用至人工系統與實(shí)際系統；在計算實(shí)驗環(huán)節，對人工系統可以進(jìn)行超實(shí)時(shí)運行，預測過(guò)程趨勢，比對運行結果，優(yōu)化控制方案。（3）控制與管理，是虛實(shí)系統平行執行、實(shí)時(shí)同步運行的過(guò)程，一方面實(shí)際驗證優(yōu)化方案的運行效果，另一方面通過(guò)虛實(shí)系統運行過(guò)程的觀(guān)察評估與比對分析，及時(shí)修正人工系統模型偏差，進(jìn)而啟動(dòng)下一輪迭代優(yōu)化；經(jīng)過(guò)持續的實(shí)驗、優(yōu)化、執行、評估、修正的循環(huán)，控制過(guò)程不斷收斂并動(dòng)態(tài)演進(jìn)，實(shí)現對復雜系統運行與發(fā)展中的有效控制與管理。像發(fā)電廠(chǎng)這樣的復雜控制與管理系統，一個(gè)實(shí)際系統可以分域或分時(shí)地與多個(gè)人工系統平行互動(dòng)，協(xié)同完成各項控制與管理任務(wù)^[8]。

平行控制是數據驅動(dòng)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)、自適應動(dòng)態(tài)規劃（Adaptive dynamicprogramming，ADP）技術(shù)、語(yǔ)言動(dòng)力系統（Linguistic dynamic systems，LDS）技術(shù)、以及平行系統的并行計算技術(shù)。ADP技術(shù)主要解決基于數據的非線(xiàn)性系統分析、控制與優(yōu)化問(wèn)題，基于增強式學(xué)習原理，是一種非常接近人腦智能的方法；ABC技術(shù)提出了多代理系統的協(xié)調優(yōu)化問(wèn)題，控制策略基于代理實(shí)現，解決人機協(xié)同中的智能體控制問(wèn)題；LDS技術(shù)主要是解決自然語(yǔ)言處理與信息利用問(wèn)題，建立人類(lèi)語(yǔ)言知識和計算機數字知識的聯(lián)系，降低系統描述的復雜性；并行計算技術(shù)則為計算實(shí)驗和平行控制的巨大計算規模提供解決方案^[9]。

圖2 智能發(fā)電平行控制系統技術(shù)架構

3 智能發(fā)電平行控制技術(shù)架構

智能發(fā)電平行控制系統總體上可劃分為平行智能控制系統與平行智能管理系統兩大部分，如圖2所示，在智能電廠(chǎng)4層體系架構^[1]中，感知執行層（設備層）、控制運維層（控制層）、生產(chǎn)監管層、管理決策層（管理層）分別處理設備級、機組級、廠(chǎng)區級與運營(yíng)級的控制與管理業(yè)務(wù)，其中智能控制系統縱向貫穿了從發(fā)電設備現場(chǎng)測量執行到過(guò)程控制、廠(chǎng)級優(yōu)化、以及電力市場(chǎng)報價(jià)決策等所有實(shí)時(shí)監控與在線(xiàn)決策的電能生產(chǎn)銷(xiāo)售過(guò)程，智能管理系統則涵蓋了運維檢修、公共服務(wù)、企業(yè)管理、以及相關(guān)的采集執行設備等支撐電廠(chǎng)生產(chǎn)運營(yíng)業(yè)務(wù)的設備與服務(wù)管理過(guò)程，針對不同的過(guò)程對象，按需建立相應的人工系統，實(shí)現各實(shí)際系統的平行智能控制與管理。過(guò)程采集的各類(lèi)過(guò)程數據與作業(yè)數據，在數據清洗與結構化處理后，統一送至數據中臺融合應用，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(lèi)數據云平臺，參與數據云服務(wù)，同時(shí)實(shí)現與集團、市場(chǎng)、監管等外部數據應用需求的對接。

平行控制與管理系統的應用開(kāi)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(shí)際控制需求，開(kāi)發(fā)不同功能的平行控制器，并逐步協(xié)同控制目標形成整體的平行智能控制系統。在發(fā)電運行核心的過(guò)程控制部分，針對協(xié)調汽溫系統，可搭建專(zhuān)用優(yōu)化平行控制器，建立閉環(huán)優(yōu)化人工系統，采集實(shí)時(shí)參數與歷史數據開(kāi)展控制算法智能尋優(yōu)與在線(xiàn)執行；針對程控智能啟?？刂?，建立流程參數模型，采集設備狀態(tài)與運行操作數據，計算分析行為習慣與動(dòng)作特征，實(shí)驗尋優(yōu)程控流程，優(yōu)化過(guò)程目標；針對保護可靠性?xún)?yōu)化，可建立保護動(dòng)作數據模型，采集實(shí)際聯(lián)鎖保護動(dòng)作數據，計算模擬關(guān)聯(lián)結果，優(yōu)化功能回路與參數定值。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備定位與參數分布模型，采集人員設備交互信息，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，建立設備結構與作業(yè)程序數據模型，結合仿真操作與人員培訓優(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場(chǎng)作業(yè)，優(yōu)化閉環(huán)管理流程；針對狀態(tài)檢修需求，建立機組設備健康管理人工系統，采集設備巡檢與消缺臺帳信息，關(guān)聯(lián)設備運行數據，計算尋優(yōu)健康趨勢診斷預警模型，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與管理人工系統協(xié)同實(shí)現控制防護與安全管理，針對工控信息與過(guò)程安全需求，建立平行人工系統，采集控制系統運行數據，對過(guò)程控制提供指令審計，對組態(tài)文件實(shí)施異動(dòng)監控，通過(guò)模擬仿真或超實(shí)時(shí)運算優(yōu)化指令審計策略，關(guān)聯(lián)安全預警信息實(shí)現主動(dòng)防御與深度安全；針對信息安全管理需求，構建平行管理體系流程，利用數據模型優(yōu)化管理制度與工作規范，對管理作業(yè)實(shí)現行為審計，有序落實(shí)各類(lèi)管理要求。

4 平行控制技術(shù)核心應用

4.1 人機協(xié)作運行控制流程優(yōu)化

利用平行控制人機協(xié)作的理念實(shí)現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(shí)用性的有效途徑。傳統APS是針對機組啟停過(guò)程的專(zhuān)用流程設計，程序固定且過(guò)于理性化，容錯性能差，使用率低，投入的控制資源在機組長(cháng)期的調節運行中得不到有效利用。針對這一現狀，文獻^[10]提出了面向對象的APS2.0系統的結構和設計方法，解決復雜系統的控制問(wèn)題，突出底層對象系統的獨立可用性，強調任務(wù)執行中的人機協(xié)作，弱化所謂的斷點(diǎn)配置，與運行習慣緊密銜接，提高操作靈活性與工況適應性。

圖3 平行流程控制器結構原理圖

針對運行控制流程優(yōu)化的平行控制器設計方案如圖3所示，以被控對象系統流程為樣本，在平行控制器中建立相應的等效流程簡(jiǎn)化模型，并參照DCS控制回路設計等效程控操作回路，在DCS實(shí)際控制回路與平行等效控制回路中同步設置流程路線(xiàn)與流程時(shí)間選擇切換開(kāi)關(guān)，機組啟?；蜻\行中進(jìn)行對象系統的啟停操作時(shí)，流程參數與運行過(guò)程數據送至平行控制回路同步運行，計算實(shí)驗回路觀(guān)察記錄包含運行操作信息的流程數據，并發(fā)出指令在平行控制器（人工系統）中啟動(dòng)模擬實(shí)驗，采用深度學(xué)習超實(shí)時(shí)運算或人機協(xié)作分析比對的方式優(yōu)化流程參數，并將尋優(yōu)結果更新至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(shí)高效的最優(yōu)目標。同時(shí)，在平行控制器中還可啟動(dòng)對全局流程的模擬尋優(yōu)，在每次機組啟動(dòng)或停運以前，先行規劃流程路線(xiàn)，模擬運行比對優(yōu)劣，合理選擇并行流程與先后次序，靈活應對各種啟停需求。對于某一單個(gè)流程也許平行尋優(yōu)的優(yōu)勢并不明顯，但對于機組啟停這樣的復雜過(guò)程，超實(shí)時(shí)的模擬流程運行比對就是人力所不能及的了。

4.2 數據驅動(dòng)過(guò)程控制算法優(yōu)化

類(lèi)似協(xié)調汽溫控制系統這樣的過(guò)程控制系統，其平行控制器的設計方案要相對復雜一些，一方面因為熱力系統對象建模不像流程對象那么容易，所以人工系統的建模實(shí)驗分為在線(xiàn)實(shí)際系統建模與離線(xiàn)人工建模兩種方式；另一方面，過(guò)程控制的優(yōu)化設計控制回路的結構優(yōu)化，在運行機組的DCS中改動(dòng)控制結構幾乎沒(méi)有可能，因此平行控制器的設計除包含DCS參數優(yōu)化的技術(shù)方案外，還需考慮外部?jì)?yōu)化控制器方案，控制結構發(fā)生變化時(shí)，將實(shí)際系統切換至外部控制器運行。

圖4 平行過(guò)程控制器結構原理圖

過(guò)程系統平行控制器的基本結構方案如圖4所示，實(shí)際系統包含被控對象（執行機構、過(guò)程系統、測量裝置）、DCS控制系統，DCS控制系統通過(guò)采集數據、產(chǎn)生控制數據對實(shí)際過(guò)程系統進(jìn)行控制，它們組成了一個(gè)閉環(huán)控制回路；平行過(guò)程控制器包含偽隨機信號發(fā)生器、過(guò)程系統對象模型、計算實(shí)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(shí)替代DCS控制器實(shí)現平行執行功能的，屬于實(shí)際系統的延伸部分。利用偽隨機在線(xiàn)激勵系統，結合人工機理建模與歷史數據深度學(xué)習建模^[11]，建立并迭代修正過(guò)程對象模型，通過(guò)計算實(shí)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?；騼?yōu)化控制策略，平行控制器平行執行，外部控制器平行控制，實(shí)現智能迭代優(yōu)化控制。

4.3 虛擬輔助智能檢修作業(yè)優(yōu)化

發(fā)電機組檢修是發(fā)電企業(yè)最重要的生產(chǎn)業(yè)務(wù)活動(dòng)，年度檢修工作量大，時(shí)間進(jìn)度緊，如不能按期投產(chǎn)將被考核生產(chǎn)事故，同時(shí)檢修質(zhì)量與安全也是重要指標之一，因此在檢修管理中，核心控制點(diǎn)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構原理，檢修工作的主進(jìn)程由檢修進(jìn)度控制器負責尋優(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、機具與物資調度等管控則各自關(guān)聯(lián)相應的智能安防、后勤服務(wù)及物資倉儲管理系統。

圖5 平行檢修管理控制器結構原理圖

虛擬輔助檢修作業(yè)目前是開(kāi)展得較為普遍的一項智能檢修應用項目，其中，虛擬仿真培訓與可視化輔助作業(yè)是這項智能化工作的關(guān)鍵環(huán)節，通過(guò)對實(shí)際檢修對象的等價(jià)建模，對檢修作業(yè)相關(guān)的設備細節在虛擬人工系統中充分展現，在計算實(shí)驗環(huán)節，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(shí)際作業(yè)系統需面臨的業(yè)務(wù)環(huán)節開(kāi)展測試與優(yōu)化，對合理性和有效性通過(guò)沉浸式仿真培訓環(huán)節進(jìn)行驗證完善，同時(shí)與人員培訓和實(shí)際操作效果相結合，在迭代應用中持續優(yōu)化作業(yè)程序，充分發(fā)揮可視化輔助作業(yè)系統的優(yōu)勢，提高實(shí)際檢修作業(yè)水平。

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

5 總結與展望

火力發(fā)電目前仍是國內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、應急管理等領(lǐng)域均得到了廣泛應用，在能源電力領(lǐng)域的研究也正逐步深入^[3,12]，復雜系統的ACP方法以及ADP、ABC技術(shù)在智能控制領(lǐng)域的應用成果顯著(zhù)，將有力支撐發(fā)電生產(chǎn)系統的平行智能控制與管理。本文提出的技術(shù)架構方案覆蓋了發(fā)電運行與生產(chǎn)管理的全業(yè)務(wù)環(huán)節，在統一的理論框架體系下，可通過(guò)分布開(kāi)發(fā)應用，整體關(guān)聯(lián)聚合，循序漸進(jìn)實(shí)現全局智能控制與管理。

隨著(zhù)深度學(xué)習與人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，智能發(fā)電領(lǐng)域必將迎來(lái)數據價(jià)值的大發(fā)現，傳統控制技術(shù)在復雜非線(xiàn)性系統中的應用局限，將有望在以數據驅動(dòng)、人機協(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，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(jiǎn)介：

尹　峰（1972- )，工學(xué)博士，教授級高工，現就職于國網(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(dòng)化、網(wǎng)源協(xié)調、工控安全及可靠性技術(shù)研究。

摘自《自動(dòng)化博覽》2019年9月刊