文學(xué)鴻

（水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120）

0 引言

近年來，黨中央提出了國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略，并先后做出了建設(shè)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國、數(shù)字中國、智慧社會等一系列重大部署，不斷推進(jìn)理論創(chuàng)新和實(shí)踐創(chuàng)新；2020 年，在《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》中提出了“加強(qiáng)水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，提升水資源優(yōu)化配置和水旱災(zāi)害防御能力”“維護(hù)水利、電力、供水……等重要基礎(chǔ)設(shè)施安全，提高水資源集約安全利用水平”；與此同時(shí)，水利部也先后發(fā)布了《加快推進(jìn)智慧水利的指導(dǎo)意見》《水利網(wǎng)信水平提升三年行動方案（2019—2021 年）》《智慧水利總體方案》。中央和國家層面為新時(shí)期水利工程的信息化建設(shè)指引了方向，同時(shí)也提供了頂層設(shè)計(jì)依據(jù)[1]，促使水利工程建設(shè)運(yùn)行向數(shù)字化、信息化方向快速轉(zhuǎn)型。借助新一代信息技術(shù)，水利工程可以更好地在水旱災(zāi)害防御、水資源調(diào)配和水生態(tài)環(huán)境修復(fù)中發(fā)揮重要作用，強(qiáng)力支撐社會經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展。

1 智能水利工程的概念內(nèi)涵

近年來，各行各業(yè)陸續(xù)出現(xiàn)了大量關(guān)于智慧與智能的名詞和應(yīng)用方案，而且這 2 個(gè)詞在不同的領(lǐng)域都有不同的用法，本研究先討論對于水利工程來說哪個(gè)詞更為貼切。

根據(jù)表達(dá)習(xí)慣，當(dāng)評價(jià)一個(gè)人或集體的時(shí)候常常用智慧形容，而評價(jià)自動化系統(tǒng)或軟件系統(tǒng)等物件時(shí)，無論它的自動化水平有多高，更多的還是用智能形容。深究其區(qū)別，就是兩者在自主學(xué)習(xí)、思考領(lǐng)悟和自主進(jìn)化能力上的差別。很顯然，智慧意味著系統(tǒng)具備自主學(xué)習(xí)、思考領(lǐng)悟能力，且可以讓知識和能力不斷的進(jìn)化；智能意味著系統(tǒng)具備快速分析判斷和自主應(yīng)對的本領(lǐng)，但缺乏自主學(xué)習(xí)與知識進(jìn)化的能力。對于由涉水建筑物和機(jī)電設(shè)備組成的水利工程而言，即便工程本身是在高度自動化的監(jiān)控系統(tǒng)輔助下有了“智”和“能”的外在表現(xiàn)，但它也僅是呆板地執(zhí)行程序指令，而這套程序指令帶來的“智”和“能”是由人賦予的，并不是工程本身自主學(xué)習(xí)、思考、決策的結(jié)果。由此可見，對于水利工程而言，用智能水利工程的說法更為貼切。

智能水利工程是新時(shí)代水利工程建設(shè)的新目標(biāo)，然而智能并不是一蹴而就的，它是隨著信息技術(shù)發(fā)展和建設(shè)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累，慢慢演進(jìn)的結(jié)果。這里的建設(shè)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)就是水利行業(yè)的專業(yè)知識，當(dāng)把更多的水利領(lǐng)域知識轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學(xué)模型或軟件算法，并應(yīng)用到工程建設(shè)和運(yùn)行管理中時(shí)，工程才可能在軟硬件系統(tǒng)的控制下盡可能大范圍地實(shí)現(xiàn)自治運(yùn)行，運(yùn)行人員可以更少地參與控制操作。當(dāng)水利工程實(shí)現(xiàn)上述運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，那么智能水利工程的目標(biāo)就基本實(shí)現(xiàn)了。

2 工程智能化建設(shè)現(xiàn)狀及目標(biāo)

當(dāng)前，水利工程的智能化建設(shè)已經(jīng)在原有自動化監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展前行多年，但調(diào)研發(fā)現(xiàn)不同工程類型的智能化建設(shè)進(jìn)程并不統(tǒng)一，這主要是由工程本身特點(diǎn)決定的。

一般來說，智能化建設(shè)進(jìn)展普遍較快的工程類型主要有水電廠和調(diào)水、灌溉、泵站等工程。這樣的工程普遍具備以下特點(diǎn)，即：工程機(jī)電設(shè)備自動化運(yùn)行程度整體水平較高，建筑物或機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)方便觀測，工程上下游水力協(xié)同控制的需求強(qiáng)烈，工程自動運(yùn)行控制的判決條件清晰明確。目前，智能水電廠已有相應(yīng)的行業(yè)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)[2]，調(diào)水、灌溉和泵站工程也已開展了大量的智能化建設(shè)實(shí)踐，也取得了不少寶貴的經(jīng)驗(yàn)[3-4]。對于智能化建設(shè)進(jìn)展緩慢的工程來說，它們也具備一些共同特點(diǎn)，即：工程重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)未實(shí)現(xiàn)全面自動化采集，智能化建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益差，信息系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)難以維持，工程本身運(yùn)行幾率不高，工程建設(shè)資金不足等。這些特點(diǎn)都嚴(yán)重影響著工程智能化建設(shè)的發(fā)展。

為了能克服重重困難，全面推廣建設(shè)智能水利工程，應(yīng)將工程建設(shè)任務(wù)、調(diào)度運(yùn)行方式、自然環(huán)境條件緊密結(jié)合，統(tǒng)籌考慮。智能水利工程建設(shè)目標(biāo)就是在工程數(shù)字化分析、自動化控制的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過水利模型、軟件算法賦予水利工程自適應(yīng)和自主優(yōu)化決策的能力，實(shí)現(xiàn)水利工程實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)的管控。此處需要強(qiáng)調(diào)的是，實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)管控依然是在運(yùn)行人員參與下的管控，因?yàn)樗こ棠壳安⒉荒芡耆撾x人的參與而完全依靠監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所有運(yùn)行操作。

為說明其原因，可以和較早開展智能化建設(shè)的電力行業(yè)做個(gè)對照：電力行業(yè)的電網(wǎng)輸送電能，電能以電流形式束縛在導(dǎo)體中，電網(wǎng)潮流可瞬間響應(yīng)外部施加的控制，即使出現(xiàn)故障也可以快速自動切除故障，一般很少有次生災(zāi)害；水利行業(yè)中，工程控制的是水流，水流多處于開敞的河道渠系中，而且水流在工程的操作控制后需要經(jīng)過較長一段時(shí)間才能達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，一旦在這個(gè)過程中發(fā)生事故，任何的校正措施都不能立即終止事故影響的，很還可能會導(dǎo)致更大的次生災(zāi)害?；诖?，水利工程的運(yùn)行控制始終沒能像電網(wǎng)一樣實(shí)現(xiàn)高度的閉環(huán)自動控制，仍然需要人的介入以確保工程運(yùn)行安全。

3 智能水利工程評價(jià)體系及評價(jià)指標(biāo)

建立智能水利工程評價(jià)體系的作用是通過選取可以表征工程智能化水平的指標(biāo)，對水利工程智能化進(jìn)行量化評價(jià)。與此同時(shí)，工程建設(shè)者也會在評價(jià)指標(biāo)和指標(biāo)權(quán)重的影響下，針對性地對工程進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)和提升，最終達(dá)到以此引導(dǎo)、促進(jìn)水利工程智能化建設(shè)的目的。

建立智能水利工程評價(jià)體系，核心問題是如何確定評價(jià)指標(biāo)。目前，煤炭行業(yè)和智慧城市已研究確立了反映智慧化水平的評價(jià)指標(biāo)[5-6]，在工業(yè)和服務(wù)業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行了評價(jià)實(shí)踐，但水利行業(yè)沒有現(xiàn)成的單一指標(biāo)衡量工程智能化水平，因?yàn)樗こ淌欠襁_(dá)到智能化水平，是多方位、多視角綜合評價(jià)的結(jié)果。因此，選取評價(jià)指標(biāo)時(shí)既要體現(xiàn)出自適應(yīng)調(diào)整和自主優(yōu)化決策的特點(diǎn)，又要涵蓋工程設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)的全生命期。因?yàn)椋紫?，工程智能化是一個(gè)長期演進(jìn)的過程，當(dāng)水利工程剛剛投運(yùn)，各類運(yùn)行數(shù)據(jù)暫未積累到一定規(guī)模時(shí)，某些智能分析軟件很難全面發(fā)揮作用，等到工程數(shù)據(jù)達(dá)到一定規(guī)模后，系統(tǒng)參數(shù)可以進(jìn)一步調(diào)優(yōu)，甚至還可以從大量數(shù)據(jù)中挖掘出新的、更合適的智能應(yīng)用場景，系統(tǒng)這種適時(shí)調(diào)整的能力，可以更好地滿足工程運(yùn)行需求。其次，智能水利工程建設(shè)是一個(gè)系統(tǒng)工程，當(dāng)擁有設(shè)計(jì)和建造階段的工程數(shù)字化成果時(shí)，可以在虛擬的數(shù)字空間中更好地支撐和豐富工程建設(shè)運(yùn)行的智能應(yīng)用。

基于以上構(gòu)建評價(jià)機(jī)制的目的和評價(jià)指標(biāo)選取原則，本研究初步研究提出了智能水利工程評價(jià)指標(biāo)體系，即 DAS 指標(biāo)體系，如圖1 所示。

圖1 評價(jià)指標(biāo)體系

在 DAS 指標(biāo)體系中，智能水利工程指標(biāo)作為一級指標(biāo)，以量化水利工程智能化整體水平。在一級指標(biāo)下，針對工程設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)維 3 個(gè)階段信息技術(shù)的應(yīng)用水平，提出了 3 個(gè)二級指標(biāo)，分別是數(shù)字化指標(biāo)（D）、自動化指標(biāo)（A）、智能化指標(biāo)（S）。在二級指標(biāo)下，結(jié)合工程具體建設(shè)需求又進(jìn)一步細(xì)化設(shè)置了 19 個(gè)三級指標(biāo)。

數(shù)字化指標(biāo)下細(xì)分為數(shù)字化設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)維 3 類 6 個(gè)指標(biāo)。數(shù)字化設(shè)計(jì)指標(biāo)反映勘察設(shè)計(jì)中數(shù)字化創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用水平；數(shù)字化建造指標(biāo)反映了工程項(xiàng)目建設(shè)過程中的質(zhì)量、進(jìn)度、投資、安全控制，以及人員組織管理的信息技術(shù)應(yīng)用水平；數(shù)字化運(yùn)維指標(biāo)反映了建筑物、機(jī)電設(shè)備及信息系統(tǒng)軟硬件運(yùn)維過程中信息技術(shù)的應(yīng)用水平。

自動化指標(biāo)下設(shè)置 6 個(gè)三級指標(biāo)，設(shè)置原則是鼓勵(lì)更多地采用自動化的數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)地控制及系統(tǒng)間協(xié)同聯(lián)動。

智能化指標(biāo)下設(shè)置 7 個(gè)三級指標(biāo)，主要用于評價(jià)工程信息化頂層應(yīng)用的綜合分析、最優(yōu)決策、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)的能力，是體現(xiàn)工程智能化核心水平的指標(biāo)。這組指標(biāo)得分越高則表明工程在發(fā)揮防洪、供水、發(fā)電、水生態(tài)環(huán)境修復(fù)等綜合效益時(shí)的優(yōu)化統(tǒng)籌能力越強(qiáng)，體現(xiàn)了智能水利工程系統(tǒng)自治、節(jié)水降耗、資源共享、安全可靠的基本運(yùn)行原則。

4 評價(jià)方法

本章節(jié)介紹 DAS 指標(biāo)體系的評價(jià)方法。評價(jià)指標(biāo)均采用百分制獨(dú)立賦分，按指標(biāo)權(quán)重計(jì)算加權(quán)平均分作為最終評分。3 項(xiàng)二級指標(biāo)的權(quán)重分配比例初步取值為 20∶35∶45，這是考慮到三類指標(biāo)對工程智能化水平的貢獻(xiàn)大小，智能化指標(biāo)（S）的整體權(quán)重最大也是為了突出下設(shè)的 7 個(gè)核心指標(biāo)對工程智能化的重要貢獻(xiàn)。19 項(xiàng)三級指標(biāo)具體權(quán)重如表1 所示。對于已建成工程或智慧化改造工程的評價(jià)，可按表1 中括號內(nèi)的權(quán)重值計(jì)算。

在表1 中，D11 指標(biāo)提到的參與協(xié)同設(shè)計(jì)的專業(yè)一般包括地質(zhì)、水工、水力機(jī)械、電氣一次、電氣二次、金屬結(jié)構(gòu)、采暖通風(fēng)、給排水和建筑專業(yè)；設(shè)有一定取值范圍的指標(biāo)，可由多人評分后取平均值；若自動化指標(biāo)（A）下的某些指標(biāo)在工程中未涉及，此指標(biāo)不再評分，可將權(quán)重平均分配到自動化指標(biāo)下的其他指標(biāo)中。

表1 賦分標(biāo)準(zhǔn)及指標(biāo)權(quán)重

本研究運(yùn)用上述評價(jià)方法對近年來實(shí)施的多項(xiàng)大型水利工程進(jìn)行了嘗試性的評價(jià)分析，評價(jià)依據(jù)為工程初步設(shè)計(jì)文件。當(dāng)假設(shè)初步設(shè)計(jì)文件中的方案逐一實(shí)施后，工程總體評分均未達(dá)到 70 分，甚至低于 60 分。分析認(rèn)為，低分原因一方面是早期實(shí)施的工程三維協(xié)同設(shè)計(jì)和數(shù)字化建設(shè)管理尚未落地，另一方面是由于工程運(yùn)行期的調(diào)度分析缺少模型算法的科學(xué)支撐。因此，嘗試將 19 個(gè)三級指標(biāo)分別取值在智能水利工程可接受的最低值，經(jīng)加權(quán)計(jì)算后得出總分約 75 分，如表2 所示。

表2 智能水利工程基礎(chǔ)評分

由此，建議在 DAS 評價(jià)體系下，將 75 分作為智能水利工程的及格線。

5 結(jié)語

推動智能水利工程建設(shè)是水利行業(yè)信息化補(bǔ)短板的重要舉措，是水資源優(yōu)化調(diào)配的重要抓手。在水利行業(yè)智能化建設(shè)的初期推出智能水利工程評價(jià)體系和方法，可有效引導(dǎo)工程建設(shè)的技術(shù)方向，統(tǒng)一建設(shè)思路。以評促建的方式可以更好地提高水利工程參建各方的積極性，加快智能化建設(shè)進(jìn)程。

通過本評價(jià)體系的使用，可以較好地量化水利工程智能化水平，對水利工程智能化建設(shè)管理提供有效支撐。但實(shí)際操作中，本評價(jià)方法仍然存在一些不完善的地方，個(gè)別指標(biāo)較籠統(tǒng)，在理解不到位的前提下可能會導(dǎo)致盲目追求建設(shè)效果而脫離實(shí)際需求。因此，下一步還需要在指標(biāo)設(shè)置和評價(jià)方法上進(jìn)一步優(yōu)化、細(xì)化，同時(shí)還應(yīng)盡快制定智能水利工程相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，多方位引導(dǎo)設(shè)計(jì)單位從工程實(shí)際運(yùn)行需求出發(fā)開展工程智能化設(shè)計(jì)。