新型海上风电观测技术装备研发管理创新实践

孙长平 易侃 陈昂

摘 要：针对产业链创新链全过程融合理论研究的不足，以三峡集团科研院新型海上风电观测技术装备研发为案例，探索创新链产业链全过程深度融合路径。初步建立涵盖基础研究、应用研究、试验开发等三个层面，以及创新性、适用性、便捷性、安全性、可靠性、经济性等六个维度的“三层六维”技术创新需求分析评价体系，建立创新链迭代优化闭环管理流程，创新“属地化”协同高效集成制造模式，建立“1+3+N”的多维度性能验证评价体系，保障工程示范可靠性，凝练形成集需求分析、技术攻关、设计集成、生产制造、示范验证、推广应用于一体的“六位一体”全过程研发管理创新模型，助力创新链产业链精准对接。研发成果“国产化漂浮式深远海风电工程风浪流一体化剖面观测平台”，实现了从零部器件、内嵌算法到整体设计集成的核心技术国产化，有效助推海上风电观测领域关键核心技术国产化替代，在满足海上风电水文气象观测工程应用需求基础上，促进海上风电开发产业链降本增效，推动新型海上风电观测技术装备研发管理创新。

关键词：创新链；产业链；海上风电；技术装备；管理创新

中图分类号：TM614                                           文獻标志码：A

0 引 言

党中央高度重视科技创新工作。党的十八大以来，以习近平同志为核心的党中央把科技创新摆在国家发展全局的核心位置，推动我国科技创新事业不断发展[1]。党的二十大报告将科技工作列为专章阐述，突出了科技创新在我国现代化建设全局中的核心地位。创新是引领发展的第一动力，产业是发展的重要载体。创新链是产业链发展的动力之源，是产业链各环节价值增值的基础；产业链依托创新链形成发展、升级提高，是创新链落地生根的载体，带动创新成果的工程化和落地应用，同时也会对创新链发展提出新的需求，进而推动创新链升级并催生新的创新链。创新链产业链深度融合充分体现了创新主体与生产主体的融合、科技创新和产业发展的融合、原始创新与产业化应用的融合，是我国全球价值链地位提升、实现经济高质量发展的关键所在[2]。

企业是科技创新的主体，以企业为主体推进创新链产业链深度融合、高效协同、精准对接，有助于夯实企业科技创新主体地位，促进科技成果转化应用，是企业科技创新管理的关键。中央企业作为国民经济发展的“顶梁柱”，更要加快打造国家战略科技力量，勇当原创技术“策源地”和现代产业链“链长”，推动创新链产业链深度融合，以高水平科技自立自强支撑高质量创新发展[3-4]。

我国产业链创新链融合发展的研究与实践表明，尽管我国科技创新投入持续增加，科技创新平台渐趋完善，科技创新重点企业加快培育，重大科技项目有序部署，科技成果转化机制逐步健全，但在产业链创新链的全过程融合和完整政策体系方面还有待进一步完善，未来推动我国产业链创新链融合发展要促进产业链和创新链不同环节融合、推动多链协同发展。中央企业产业链创新链融合实践较多，不同业务领域探索形成较多融合成果，但整体上管理理论层面的模式总结比较欠缺，导致复制性、推广性相对较差。

本文针对目前产业链创新链全过程融合理论的不足，以能源央企中国长江三峡集团有限公司（以下简称“三峡集团”）在海上风电开发过程中形成的新型风电观测技术装备研发实践为例，开展从需求分析、技术攻关、设计集成、生产制造、示范验证，到工程应用的全过程研发管理创新。研究成果可为完善产业链创新链全过程融合理论提供支撑，为海上风电开发全产业链的降本增效提供借鉴。

1 研究背景

1.1 三峡集团科研院简介

三峡集团是1993年为建设三峡工程，经国务院批准成立的企业，历经30年持续快速高质量发展，已成为全球最大的水电开发运营企业和中国领先的清洁能源集团[5]。三峡集团正立足新发展阶段，完整、准确、全面贯彻新发展理念，构建新发展格局，奋力实施清洁能源和长江生态环保“两翼齐飞”，积极推进海上风电引领者战略，初步形成了海上风电沿海集中连片规模化开发布局[6-7]。2019年，三峡集团成立科学技术研究院（以下简称“科研院”），围绕三峡集团战略布局和核心主业开展科技创新工作，搭建产研协同工作体系，与三峡集团各业务板块间形成长短期研究相结合，前瞻研究与应用研究相结合，良性互动、相互促进的科研工作格局。

1.2 海上风电开发亟需解决资源与环境勘测难题

双碳目标背景下，我国海上风电快速发展。随着海上风电项目布局的加快和对海域环境的不断探索，海上风电产业逐渐向大功率、深远海挺进，海上风电快速进入规模化、深远海化、平价化开发阶段，通过科技创新实现降本提效是行业当前面临的重要机遇与挑战。

海上风能资源和水文环境等气象水文观测评估是海上风电开发经济性评价、投资决策和工程设计的重要基础。长期以来，海上风电气象水文观测技术主要依托在海上建立固定式测风塔，在工程实践中存在站点布设难度大、建设周期长、经济成本高等一系列问题，极大影响海上风电开发效率[8]。随着海上风电开发向深远海不断发展，水深的增加进一步提升海上固定式测风塔的建造、运营和维护成本及难度。同时，由于在海洋环境观测要素、传感器布设、数据存储和观测周期等缺乏统一行业标准，导致观测数据记录自动化程度低、设备维护困难、数据管理混乱等问题。亟需研发新型海上风电观测技术装备，解决海上风电开发过程中资源与环境勘测面临的难题。

1.3 新型海上风电观测技术装备研发

三峡集团高度注重科技创新，立足“海上风电引领者”战略目标，积极主导海上风电领域重大技术装备研发制造和应用示范，在海上风电关键系统、关键部件、关键过程、关键技术上，积极推进科技攻关和国产化替代。科研院作为集团统一科研创新平台，坚持科技创新与管理创新“双轮驱动”，以新型海上风电资源与环境勘测装备研发和应用为目标，联合三峡集团上海勘测设计研究院有限公司、青岛华航环境科技有限责任公司、哈尔滨工业大学（深圳）等创新链和产业链上下游单位，围绕海上风电产业发展的系统性需求部署创新链，围绕海上风电观测领域重大技术装备创新研发需求布局产业链，研制了新型观测技术装备“漂浮式深远海风电工程风浪流一体化剖面观测平台”（见图1），带动创新成果落地应用。

2 创新实践

2.1 围绕产业链系统性需求部署创新链

2.1.1 建立技术创新需求分析评价体系

科研院基于科研活动发展的线性模型，建立了涵盖基础研究、应用研究、试验开发等三个层面，以及创新性、适用性、便捷性、安全性、可靠性、经济性等六个维度的“三层六维”技术创新需求分析评价体系（见图2），满足创新链的创新需求、工程需求和价值需求。

围绕海上风电领域全生命周期科研布局，在项目策划阶段以工程实地考察、行业专家研讨、科研机构调研等方式，系统分析科技创新需求，从需求获取、需求分类、需求筛选、需求提炼、需求排序等多个环节逐步开展分析，研究制定针对不同需求问题的科技攻关路径，完成研发体系布局，有效指导工程技术创新“三层六维”的整体需求。

（1）基础研究层面主要解决创新需求，重点关注创新性。聚焦国际科技前沿领域，立足“卡脖子”技术攻关和国产化替代的实际需求，围绕新型观测技术研发和装备试制，开展重点科技攻关和成果先行先试，突破发达国家对漂浮式激光雷达测风核心技术的垄断，实现从零部器件、内嵌算法到整体设计集成的国产化创新，保障了我国海域水文气象观测的数据安全。

（2）应用研究层面主要解决工程需求，重点关注适用性和便捷性。针对传统观测装备测量要素单一的问题，立足海上风电气象水文观测实际需求，研发了集边界层风剖面、海流剖面、波浪、温度、盐度等水文气象指标于一体的综合观测技术；针对数据量大、存储管理混乱、处理分析不便等问题，通过专业数据分析建模和配套软件设计实现新型观测技术装备高时效、全天候、自动化的全过程监测数据管理。

（3）试验发展层面主要解决价值需求，重点关注安全性、可靠性和经济性。针对海上高温、高湿、高盐、强台风的环境特点，开展新型观测技术装备系统结构设计优化，实现抗风浪、防盐雾、防水、防腐蚀等特性，保障海上恶劣环境下的长期稳定运行；从固定式测风塔应用到漂浮式观测装备研发，克服深远海地区供能和数据信号传输难题，降低了漂浮式平台在海上多自由度运动对风能资源测量精度的影响，实现了海上恶劣环境下长时间、全天候、自动化水文气象一体化监测；与传统固定式测风塔相比，漂浮式、智能化的新型观测技术装备具有建造成本低、布放灵活、可重复利用等明显优势，能够显著降低深远海域风能资源与水文环境勘测成本，提高工程实施效率。

2.1.2 瞄准国产化替代组建创新联合体

为打通新型观测技术装备从实验室研究到工程应用的各个环节，科研院以重大科技项目为依托，瞄准新型海洋环境观测装备研发开展国产化替代核心技术攻关，牵头联合创新链和产业链上下游单位组建创新联合体，包括在激光雷达信号处理、高精度频率锁定反馈稳频技术、大气背景噪声综合抑制等基础研究方面具有丰富技术积累的高校科研单位，从事智能型环境气象激光雷达、遥感探测产品装备制造单位，在海洋环境观测装备数据分析应用方面具有丰富工程实践经验的勘测设计单位，以及为项目实施提供工程应用场景和配套设施的项目开发单位。

通过分工合作、高效协同，各单位在整个项目中紧密衔接，打通了“基础理论研究-试验测试-设计建造-实证检验-应用示范-市场推广”完整链条，有效保障新型观测装备研发。观测装备采用惯性导航单元（Inertial Measurement Unit，IMU）和卫星导航单元组合式的姿态运动测量设备，结合自主研制的多源融合风速补偿算法，有效保障海上风能资源测量的精度，在国内率先实现了重大技术突破，使海上风能资源测量技术达到国际先进水平。

2.1.3 闭环迭代优化保障高质量设计集成

高质量的过程管理是推动集成技术不断完善、技术装备迭代升级的重要举措。在新型观测技术装备研发过程中，形成了“需求分析-设计研发-性能测试-设计优化-需求优化”的完整创新链闭环迭代优化管理流程（见图3），保障了新型装备研发的持续改进。通过调研需求，确定了以技術集成为主的装备设计研发方式，以漂浮式平台为载体，集成激光雷达、声学多普勒海流计、温盐传感器、波浪传感器等多种水文气象观测设备，能够实现边界层风剖面、海流剖面、波浪、温度、盐度等水文气象一体化综合观测。在装备性能测试环节，开展了相应的对比验证测试、性能诊断评估、运行监测分析等测试，及时发现装备在研发应用过程中的问题，例如：在对比测试过程中发现5 m/s以下风速段的湍流强度测量结果与固定式测风塔测量数据偏差较大；在应用示范过程中发现漂浮式平台在测波方面的准确性不足；在运行观测过程中发现海流计故障率较高等问题。根据性能测试结果开展技术优化，第一时间组织项目研发团队进行会商，邀请业内专家参与研讨，在此基础上不断优化系统设计方案，形成需求分析到需求优化的迭代闭环。

2.2 围绕创新链示范推广应用布局产业链

2.2.1 “属地化”协同促进高效集成制造

生产制造环节，创新“属地化”管理模式，从设计集成、装备组件集成，升级到人员集成和产品集成，上下游配套产业链高效协同，为新型观测技术装备在沿海地区组装制造提供保障。由于设计的10 m直径大型钢结构浮标体存在陆运难度大、海上运输成本高等问题，考虑新型观测技术装备在强台风等恶劣海况下的安全性和可靠性，项目团队对生产制造环节进行精细化分解，建立了核心零部件厂内备件、钢结构平台铸造就地取材、装备集成组装现场建造的生产模式。预制件均在厂内统一加工，设立各部件加工的质量控制点，保证工作效率；浮标体在布放点位附近船厂由成熟团队完成组装建造，并由第三方检测机构出具无损探伤报告，保证工序严格控制；承担制造单位派驻项目管理人员和现场安装人员，开展系统配套设备的综合集成制造，并开展联调联试工作，确保达到交付、验收标准。

2.2.2 多维度性能测试保障工程示范可靠性

为充分验证可靠性，依托国内首个百万千瓦级海上风电场——三峡广东阳江沙扒海上风电场，构建了国内首个以海上固定式测风塔为基准的比对验证试验场，围绕装备运行稳定性、测量结果准确性、装备运行安全性3个监测维度，以及数据完整性检验、测量结果相关性分析、工作电压检测、设备运行状态监测等多个评价指标，建立了“1+3+N”的新型观测技术装备性能验证评价体系（见图4），通过全生命周期的多维度性能测试验证，最大程度保障工程应用的各项性能指标，打通从技术研发到示范应用的最后一公里，有力促进科技成果的推广应用。通过3个月的比对测试，各数据传输通道接收的有效数据完整率均在98%以上；观测结果与固定式测风塔基本一致，各高度层的风速、最大风速及风向的拟合相关系数均在0.97以上；风速平均偏差保持在0.1 m/s以内，各风向平均偏差基本保持在5°以内，主要测量要素的精度指标达到国际先进水平。

2.2.3 观测分析标准化促进降本增效

为解决行业标准缺失的问题，项目团队综合利用北斗卫星通讯、互联网、AES（Advanced Encryption Standard）加密等技术，开发了新型海洋环境观测装备数据管理平台（见图5），实现了高质量的实时数据信息传输；开发了数据测试及运行分析系统，实现了在应用测试及运行过程中对测量性能的智能监测验证，以及针对海上风资源评估指标参数的自动化统计分析；通过专业数据分析建模和配套软件设计封装，打通了数据获取、数据传输、数据加密、数据处理、运行监测、诊断分析等各个环节，最终实现了全过程运行监测管理和性能验证评价体系的标准化、自动化、智能化，显著提高了新型观测技术装备应用的效率，具有很好的推广效益。

3 实施成效

3.1 实现海上风电观测领域关键核心技术国产化

新型观测技术装备成果已通过中国电子学会科技成果鉴定，实现了海上风电观测领域关键核心技术国产化。项目团队围绕该装备研发形成了系列发明专利、软件著作权、研究论文等成套知识产权成果。作为海上风电领域的重大技术装备，实现了从零部器件、内嵌算法到整体设计集成的国产化，突破了发达国家对漂浮式激光雷达测风核心技术垄断，使海上风场测量技术达到国际先进水平，保障了我国海域水文气象观测的数据安全。

3.2 满足海上风电水文气象观测的工程应用需求

新型观测技术装备于2021年4月成功布放至三峡广东阳江青洲六期海上风电开发场址，长期开展水文气象观测任务，加速推进工程应用中的国产化替代。布放至今，经受了多次强台风过境恶劣环境下的考验，运行状态稳定，为台风期的海上风电安全管理提供了宝贵数据支持。其中，2022年7月成功经受“暹芭”台风考验，成功测得台风眼区过境前后风速特征，10 min平均最大风速42 m/s，极值风力达到16级（51 m/s），在工程应用过程中表现优异。

3.3 促进海上风电开发全产业链的降本增效

经测算，在30～50 m水深海域建造一座固定式测风塔的成本约为1 500万～3 000万元。随着水深不断增加，建造投资成本逐渐提高；此外，测风塔在前期风场勘测结束后一般需要拆除或废弃，塔架回收困难，产生大量沉没成本。相比而言，新型观测技术装备建造成本约为400万～600万元，运营维护成本更低、难度更小、安装布放灵活性高，可实现任意海域、任意时间部署及重复使用，有效降低海上风电前期勘测成本，提高海上风电开发效率，进而推动海上风电开发全产业链的降本增效。

4 经验与启示

通过新型观测技术装备研发和应用，探索构建了从需求分析、技术攻关、设计集成、生产制造、示范验证、到工程应用推广的“六位一体”全过程研发管理创新模型（见图6），促进了创新链和产业链精准对接和深度融合。需求分析环节，以“三层六维”的技术创新需求分析评价体系指导创新链的构建；技术攻关环节，瞄准装备国产化替代组建创新联合体开展联合技术攻关，建立了从创新链到产业链的桥梁；设计环节集成创新，形成了“需求分析-设计研发-性能测试-设计优化-需求优化”的完整创新链迭代优化闭环管理流程；生产制造环节，通过“属地化”协同促进高效生产制造，保障上下游配套产业链的高效集成；示范验证环节，以“1+3+N”多维度性能验证评价体系有效保障从技术研发向应用推广转化，推动新型装备产业链的形成；工程应用环节，以装备运行监测和数据分析挖掘全过程的标准化管理，促进新型观测技术装备推广应用的降本增效。

研制形成的“国产化漂浮式深远海风电工程风浪流一体化剖面观测平台”，实现了从零部器件、内嵌算法到整体设计集成的国产化，突破了发达国家漂浮式激光雷达测风核心技术垄断，有效降低海上风电前期勘测成本并提高效率，保障海上风能资源勘测结果可靠性和恶劣环境下的运行安全，为推动创新链产业链深度融合提供了生动案例。

参考文献：

[1] 王志刚. 以改革驱动创新 以创新驱动发展[J]. 中国科学院院刊，2018，33（4）：368-373.

[2] 张熠涵. 全球价值链重构与跨国企业高质量发展[J]. 中国国情国力，2020（2）：26-30.

[3] 孙长平，尹西明，陈昂，等. 打造原创技术策源地的实践与探索：以三峡集团科学技术研究院为例[J]. 长江技术经济，2023，7（2）：9-17.

[4] 赵可，陈井，宋勇刚，等. 创新驱动传统产业转型升级对策研究：以湖北为例[J]. 长江技术经济，2022，6（2）：52-60.

[5] 韦凤年. 铸造大国重器 创建世界精品：访中国长江三峡集团有限公司党组书记、董事长雷鸣山[J]. 中国水利，2019（18）：5-8.

[6] 雷鸣山，王琳. 使命与担当[J]. 中国三峡，2020（1）刊首语.

[7] 席菁华. 三峡集团打造海上风电国际产业园[J]. 能源，2018（2）：85-87.

[8] 李剑. 我国风能发电发展前景研究[J]. 中国设备工程，2019（14）：184-185.

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：中国科协青年人才托举工程项目（YESS20200309）；北京市科协青年人才托举工程项目（BYESS2023274）；中国长江

三峡集团有限公司科研项目资助（WWKY-2019-0223）

作者简介：孙长平，男，高级经济师，硕士，主要从事科技创新管理工作。E-mail：sun_changping@ctg.com.cn

通信作者：陈 昂，男，高级工程师，博士，主要从事科技创新管理工作。E-mail：chenang@foxmail.com