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01.中国风电发展概况
纵观人类社会发展的历史，每一次新型能源的开发都使人类经济的发展产生质的飞跃。作为经济社会发展的关键要素和重要支撑，能源是国民经济的命脉，关乎国计民生的重要战略资源。
进入21世纪，世界能源结构再次发生重大变革——以风能、太阳能等为代表的可再生能源登上历史舞台。其中，风能发电更是当今世界最具开发前景、技术最为成熟以及发展最快的可再生能源之一，成为继火电与水电之后的第三大能源。
我国自1986年首座示范性风力发电场在山东荣成建成并网发电，此后30余年间，风电产业经历了从无到有，从早期示范与产业化探索阶段，迈入快速发展与稳步增长的快车道。
自2010年取代美国以来，我国已连续12年风电新增与累计装机容量位居全球双料第一。2021年，中国风电并网装机容量突破3亿千瓦大关，占全国电源总装机量的13.9%。截至2022年三季度末，中国风电装机容量达3.48亿千瓦，预计到全年底装机容量可增至4.64亿千瓦左右。
在国内风电赛道的上半场，中国政府实施风电电价补贴退坡政策，旨在"点燃"行业，促进产业规模提升、成本下降，形成良性循环。据统计，从2006年到2018年，全国用于可再生能源的补贴资金总计超过3200亿元，其中一半以上的资金用于风电上网电价补贴。
然而，从全球能源发展历史来看，任何一种新型能源要跻身主流能源，经济性是必要条件。中央政府明确2020年陆上风电、2021年海上风电相继进入零补贴"平价上网"时代。辨证而言，补贴即是为了不补贴；"平价上网"是风电向主流能源迈出的关键一步，同时开启了风电赛道的下半场。
风电平价时代，行业倒逼现象显着。如叠加产能过剩和价格战因素，价格传导机制作用下，2022年一季度，国内陆上风机价格(不含塔筒)一路下跌，腰斩至1375元/千瓦。
风电平价时代，产业链中开发商、整机厂与设计研究院等侧重于通过提质降本增效，来提升行业竞争力。具体而言，主要包括针对风场提升年满发小时数和降低单位千瓦造价两大途径。
为保证产业链上各环节的利润空间，技术持续进步、产品持续迭代，成为风电行业的基本共识。特别地，为了进一步降低度电成本，风力机组加速大型化与全生命周期数字化成为风电行业自2021年以来的一大趋势。
对比2011到2017年，风机的平均功率在6年内仅从1.5兆瓦提升至2.0兆瓦。2021年，国内5兆瓦陆上风机已成为主流，海上风机则以6兆瓦为主。大型化在国外市场更为明显，13兆瓦到15兆瓦的机型相继问世，最大功率在研机型甚至达到了30兆瓦这一惊人的数字。
风机加速大型化，一方面对企业的技术实力提出相当高的要求，另一方面也有利于龙头企业依靠技术研发竞争胜出获取更高的市场份额，进一步促进风电市场出清和产业迭代升级。
提到产业迭代升级，自然绕不开一个词，那就是"数字化"。
02.数字化成为创新利器
2020年9月22日,中国在第75届联合国大会上正式提出2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和的"双碳"目标。截至2022年一季度累计3.4亿千瓦装机与2060年30亿千瓦装机的长期规划对比，相形见绌……可见，风电承担着能源消费革命的重要使命，任重而道远。
虽然中国风能资源丰富，可拓展的市场增量巨大，但随着开发深入，边际效用递减显着。当前，风电企业普遍面临电价下降压力、开发资源变差、建设条件恶化，非技术建设成本增加、生态环保边界条件苛刻等多重挑战。
与此同时，在行业传统研发模式下，一款风电机组产品从开发到并网运行需要经历概念设计、计算负荷、控制设计、零部件校准、样机测试、型式认证等等多个环节，研发设计、测试认证和制造投产的周期通常长达两年以上，在风机大型化、快速迭代的背景下，这样的产品研发节奏实在难以满足新时代对风电产业发展的需要。
不过，自2013年以来，几乎每年在行业内都会有一款全新的产品诞生。如今，最大风轮直径已从过去的110米，突破至200米的级别。风电塔筒的高度从过去的80米已经上升为150米甚至更高的高度。
近距离观察这些企业，之所以能够引领和推动机型快速更新升级，共同特点都是不断提升自主创新能力，开发出效率高、质量优的风电机组产品研发平台，优化风电机组产品研发的周期。这背后，数字化在企业研发体系的创新中发挥了重要的支撑作用，
在行业人士看来，风电数字化作为一项复杂且庞大的系统工程，是产品工业化和信息化的"两化融合"。对整机制造商来说，数字化的创新性融入能够激活整个风电制造产业的价值链整合，从风机产品设计CAD、产品仿真分析CAE，到产品集成制造CIMS/CAM，以及后期的智能运维、风电场能源管理EMS……风电企业可以从产品设计、生产规划、运营管理、生产制造、运输销售等各个环节实现数字化，并进行无缝的数据平台建模。
截至目前，金风科技、远景能源、明阳智能、上海电气风电等国内知名风机制造商均已开启数字化转型，这些企业普遍把数字化贯穿于风电全生命周期中，并推出了相应的数字化应用和行业级平台，力求实现低成本的高效发展。
为此，36氪进行了相关调研，对风电整机制造商在数字化建设方面重视度最高的五大方向，以及对应的核心产品进行梳理，总结了一份2022年度数字化行业Mapping。
03.风电数字化产品应用
2020年5月，迫于美国政府的政策，哈工大、哈工程两校被禁用工科常用的数据计算与模拟仿真类软件MATLAB一事引起了广泛关注。
这款在工科领域被广泛应用的软件，涵盖数学计算、建模仿真、电子通信、机械化工、汽车航空、电力能源、经济金融和生物医学等多个领域。其中，风电行业非常依赖于集成在 MATLAB 中的仿真模块 Simulink。而这起事件也让行业不得不重新审视自主核心工业软件缺失的问题。
国内的风电整机制造商对于风机叶片、齿轮箱、变流器等核心部件的研发能力十分看重，可我国风电发展的早期由于忽视设计研发，导致国产专业软件发展缓慢，加之风电制造业曾受制于有限的市场规模，专业软件的商用价值较小，因此风机制造商在机械、电气等部件的设计尚未摆脱对国外主流软件的依赖。载荷仿真软件和风资源分析软件部分外采，部分基于开源软件或商用软件的二次开发。
当然，伴随着中国风电三十余年的发展，在低成本精益化设计、数字化升级等市场需求推动下，近年来风电整机制造商走上了风电专用软件自主研发的道路，一些第三方软件也陆续推向市场，距离快速迭代、精细化建模、成本优化设计等目标更进一步。
国内风电整机的研发设计工具，国产化率有待提高
（一）风电核心零部件设计
1.翼型气动设计软件——RFOIL
RFOIL是由荷兰国家能源研究中心开发的一款专用于风机翼型气动性能分析软件。其主要优势在于，可针对风机的工作特性，改进翼型失速区域气动性能分析的稳定性和准确性。
2.齿轮箱设计软件——KISSsoft
KISSsoft是一款功能强大的专业齿轮传动设计分析软件，齿轮设计、齿轮传动系统设计及轴、轴承设计的专业软件工具，能够从单个零部件一步一步完成整个齿轮箱的系统建模，是目前功能最强、覆盖面最宽、技术最深、实用性最强、集传动系统选配、设计与开发为一体的大型专业软件。
基于KISSsoft软件，对风电齿轮箱进行强度计算和修形参数优化设计,能够得到合理的修形参数。同时，该软件能够对修形前后的各项齿轮评价指标进行对比分析,修形后齿轮接触强度、弯曲强度和抗胶合能力有很大程度的提高,齿轮传动平稳性提高,改善齿轮载荷分布,提高使用寿命。
3.国产齿轮箱设计软件——ZGCAD
ZGCAD是目前国内软件功能最齐全的、实际工程应用较好的一套齿轮传动 CAD 商品化软件，被国内600多家齿轮制造厂使用。ZGCAD囊括了常见的齿轮传动设计计算方法，并针对风力发电齿轮箱推出了CAD集成系统。
4.风机叶片翼型设计软件——Profili
Profili是一款功能强大翼型设计工具，它可以帮助气动模型制作提高机翼处理、动力分析、机翼数据库和过滤等功能，可以绘制龙骨和模板，还可以合并两个机翼，快速完成机翼的调校，从而更快的完成作品的设计和制作。Profili软件内置超过2200种空气动力学特性的翼型，能够有效的提高翼型设计的效率，满足多种设计需求。
5.叶片结构建模设计软件——SolidWorks
SolidWorks是法国达索系统旗下子公司开发的一款同名的3D CAD设计软件。SolidWorks的三维CAD解决方案是目前市场，设计过程比较简便方便的软件之一，能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。同时使用SolidWorks，整体产品设计过程100%可编辑，当工程师修改图纸时，三维模型、各个视图、装配体都会自动更新。
6.国产智能化叶片设计软件——AIBlade
AIBlade是南京天洑软件有限公司自主研发的国产智能化叶片设计软件，提供了叶片设计、叶片拟合、叶型数据库、数据转换等多种叶片相关功能。主要针对叶轮机械在设计、分析以及优化过程中，遇到的各类叶片造型、叶片拟合以及各类系统间的几何数据转换、网格数据转换的相关问题，提供了一整套的解决方案。
Artificial Intelligence Blade智能叶片设计，旨在帮助用户进行快速、准确的叶片设计，同时针对已有数模进行快速的叶片拟合和相关数据转换。
7.结构疲劳分析软件——nCode
nCode疲劳分析软件在装备制造行业拥有举足轻重的的地位。在风机制造领域，其主要用于轮毂、主轴、机架等结构的疲劳分析。nCode公司推出的新一代疲劳分析软件DesignLife继承了nCode的产品特性，基于有限元的疲劳分析包，可用于识别危险点位置并计算疲劳寿命。除了民通常的应力、寿命计算和应变外，DesignLife还提供了点焊疲劳分析和缝焊疲劳分析，从而为焊接件的疲劳分析提供了支持。
8.国产结构疲劳分析软件——WRfat
WRfat是风行泰克研发的风机疲劳计算分析软件，支持壳单元、梁单元和节点的疲劳计算。在疲劳应力准则方面，WRfat内置了关键平面法、第一主应力、带符号von Mises应力等选项，目前已经过中国船级社质量认证测试，准确性可与国外商业软件竞争。
9.国产陆上风机基础设计软件——WPFD
WPFD是同济启明星自主研发的一款专用于陆上风电机组基础辅助设计的分析工具软件，采用模块化设计，能够分析风机基础的承载力、变形、稳定、内力、配筋，以及裂缝宽度、疲劳度等风机基础运行的耐久性问题。
（二）风电整机系统建模仿真
1.挪威船级社（DNV）——Bladed
精确的仿真计算对于优化风力机设计的每个阶段至关重要。过去二十多年来，来自挪威的商业设计软件Bladed，作为一款计算水平轴风力机载荷和性能的仿真工具，为工程师提供有关风力机动力学和优化的重要决策信息，其模型的成熟性和可靠性受到国内外风电行业的信赖和认可。因用户界面友好、覆盖完全IEC工况，几乎垄断了中国整机制造商的设计市场。
2.美国可再生能源实验室NREL——OpenFAST
OpenFAST是一款开源的风机载荷仿真软件，主要面向研究实验室、学术界和工业界开发，产品能够满足用户二次开发的需求，同时工程师可以出于自己的研究需要做自行开发，以此提升软件使用的便捷性。
3.美国Mathworks公司——Simulink
Simulink是美国Mathworks公司推出的MATLAB中的一种可视化仿真工具。Simulink是一个模块图环境，用于多域仿真以及基于模型的设计。它支持系统设计、仿真、自动代码生成以及嵌入式系统的连续测试和验证。Simulink提供图形编辑器、可自定义的模块库以及求解器，能够进行动态系统建模和仿真。Simulink与MATLAB相集成，能够在Simulink 中将MATLAB算法融入模型，还能将仿真结果导出至 MATLAB 做进一步分析。
4.法国达索公司——Simpack Wind
Simpack是一款针对机械/机电系统运动学/动力学仿真分析的多体动力学分析软件，最初由德国INTEC GmbH公司研发,2014年被欧洲软件巨头达索公司收购。Simpack以多体系统计算动力学为基础，包含多个专业模块和专业领域的虚拟样机开发系统软件。Simpack Wind是风机行业应用最广、客户最多的动力学软件，可以建立风机任意结构的齿轮箱及整机模型，包括塔筒、吊舱、轮毂、叶片等。其在风机行业的应用主要有：传动链振动分析、载荷分析、整机动态性能仿真、控制策略优化分析、变桨及偏航机构分析、动应力和疲劳分析等。
5.MSC公司——ADAMS
ADAMS作为世界上使用最广泛的多体动力学（MBD）软件，被应用于风电机组多体动力学仿真分析，帮助工程师研究运动部件的动力学特性以及在整个机械系统内部荷载和作用力的分布情况。Adams 由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块组成，提供的可选模块使用户能够将机械部件、气动、液压、电子及控制系统技术集成在一起，用于构建及试验虚拟样机，从而准确地了解子系统之间的相互作用。
6.金风科技——GTSim
GTSim是金风科技自主研发的整机仿真软件，在2022年5月获得国际认证机构TüV NORD权威认证，成为亚洲范围内首个获此认证的风电整机厂商。GTSim耦合多体动力学、空气动力学、水动力学、控制等多学科算法，具备全流程全工况整机仿真功能，其仿真设计能力通过了大量测试数据的对比验证，并针对叶片模型、传动链模型、整机稳定性模型等做了专项优化，目前可支撑大叶轮、长柔叶片、高塔架风电机组的仿真设计。
7.远景能源——ENFAST
ENFAST是远景能源自研的风机系统设计核心工程软件，支持全IEC工况模拟，基于自由涡尾迹、海浪拉伸Stretching方法等理论，ENFAST优化了空气动力和水动力代码的计算方式和参数，可对湍流、波浪，超长大变形叶片和漂浮式基础做出高精度的仿真。
结构方面，ENFAST结合有限单元理论与随动梁理论，在多体动力学计算中考虑相对于惯性参考系的刚体运动和结构部件的弹性变形，使得软件能够准确仿真弯扭、剪扭耦合等现代柔、长叶片常见力学行为，并且在柔性多体理论中，覆盖几何刚度、离心钢化、科式力等多类非线性效应，从而在超长大变形柔性叶片和高柔塔建模中，以较少的自由度与计算量，获得较高的计算精度。
（三）风场机组选型和微观选址
1.丹麦Riso国家实验室——WAsP
WAsP 在风力气象和风力相关产业拥有超过20年的历史，是世界范围内公认进行风场风资源分析的行业基本工具，也是风电场前期微观选址应用最为广泛的风资源评估系统，目前在全球100多个国家拥有超过1500个客户。其具体功能包括测风数据处理、风能资源分析、风场微观选址、风机和发电量计算、风机最优化布局，能够科学地评估风能资源成本,提高风电场建设投资决策的准确性。
2.英国GH公司——WindFarmer
WindFarmer是与WAsP齐名的风电场设计优化软件工具。它把数据处理、风电场评估等集成在一个程序中，并能够快速精确地计算处理。WindFarmer自动有效地进行风电场布局优化，使其产能在最大程度上符合环境、技术和建造的要求。帮助用户生成高质量风电场环境影响评估文档，包括噪音、阴影闪烁、视觉影响、雷达、累积影响等。风电场的视觉影响可以通过采用动态或静态视觉图像、虚拟漫游（Fly-through）或集锦照片的方式演示。
3.法国美迪——Meteodyn WT
Meteodyn WT是法国美迪公司使用计算流体力学（CFD）进行风力建模，以专门解决大气边界层问题的风能自动测算软件。与WAsP和WindFarmer相比，Meteodyn WT更能适应复杂山区的风资源评估，最大程度上减少复杂地形下计算结果的不准确性，从而得到整个场址范围内的风资源情况
4.美国UL——Windographer
Windographer是一款世界知名的风资源分析和可视化软件，是UL认证软件和数据产品套件的一部分，它支持整个风电场开发过程——从初始场地勘探到最终设计和能源估算，可以处理高于地面的任何高度的速度、方向等传感器采集的数据，并对数据进行全面的统计分析，输出高品质的分析结果，帮助工作人员更好地开展评估工作。
2021年UL发布经过全新设计的，这款软件目前在市场上处于技术领先。通过多个数据集、多个窗口和更大的数据集处理，Windographer 5用于分析、可视化和验证来自气象塔、遥感系统的风资源数据。
5.挪威Windsim
Windsim是挪威Windsim公司开发的基于计算流体力学的风资源分析与风电场设计软件，其开发的风资源评估软件获得了全球风电行业的广泛认可。Windsim适用于各种地形，对于复杂地形，尤其是坡度超过16.7。，同样具有较高的计算精度。其主要特点是计算气流在三维方向上的变化，计算呢规划风电场任何位置的湍流强度，风速与风向在叶轮扫风面内的变化，规划风场任何位置的垂直风廓线。
6.金风科技——风匠
风匠是一款面向"平价时代"的风电场微观选址平台，平台采用微服务架构，自主研发风场仿真内核，针对中国的风资源特征，融合CFD、WRF、GIS、数学等专业技术。金风科技自主开发了适用于复杂地形的大规模自适应网格生成技术和适用于风资源评估的致动盘尾流模型及综合算法。整合风数据处理分析、地形处理分析、风电场环境分析、自动报告、风电场数字化建模等模块，打破传统风资源计算工具互相不兼容的壁垒，大幅提升风资源评估精度和速度。
7.明阳智能——Deep Matrix Space（DMS）
DMS是明阳智能的数字化解决方案平台，可为客户提供从项目预可研前期到项目建设和运行全生命周期内为客户提供定制化的整体解决方案。其中，DMS数字化解决方案平台融入了CFD仿真模块，提高山地地形通过现有软件模拟计算分析的偏差。此外，CFD仿真可以模拟分析出各个机位点由于地形的影响导致风资源的变化，更加准确地评估各个机位点风资源情况。
通过内部神经网络算法，DMS可根据选定区域的风资源情况自寻优评估出该区域的风资源情况，自动化完成布机方案、道路设计、集电线路设计等。
8.十沣科技——SimFARM
十沣科技是国产自主工业仿真软件领域代表企业之一，主要研发设计类工业软件、数字孪生系统与仿真云服务平台。旗下SimFARM是该公司自研的风资源评估与风场数值优化设计软件。风能开发人员可以通过SimFARM获得全面、准确、高效的风场仿真数据，并以此为基础制定后评估优化策略。
基于致动盘模型和致动线模型，SimFARM开发了风机尾流计算功能，可以在不改变计算域网格和计算量的前提下，精细模拟风机阵列的尾流特征及其功率变化规律。SimFARM具备风机、气象、地理信息数据库功能模块，用户可以统一维护和管理所有风资源统计与分析所需要的各类数据和参数，并进行快速计算、分析与评估。
（四）产品生命周期管理（PLM）
1.Windchill——美国参数技术公司（PTC）
WINDCHILL是全球功能最强大的PLM软件，受到国内风电整机制造商的欢迎。其产品功能涵盖文档管理、产品结构管理、生命周期管理、工作流程管理、工程变更管理、零部件分类及重用管理、项目管理、制造过程管理、供应商管理、用户需求管理等。WINDCHIL采用模块化的设计，用户可根据自身需求选择合适的功能模块，并根据企业的发展逐渐增加新的模块，从而很好地适应企业的发展需求。同时，WINDCHILL还提供开放的开发接口，用户可以系统进行二次开发，以便能够更好地满足企业个性化需求。
2.ENOVIA——达索
达索ENOVIA是的PLM产品之一。其敏捷型的研发项目管理，能够帮助企业通过数字化的方式管理项目进度。ENOVIA以设计部门应用为主体，提供的核心功能包括：产品数据管理、项目管理、BOM管理、流程管理、配置管理、CAD软件集成等，能够做到设计一体化管理，保障研发与生产的前期对接，最终实现PLM与SAP系统的数据集成。
3.SIPM/PLM——思普软件
SIPM/PLM是思普软件开发的国产PLM产品。其优势在于集中控制了质量体系要求的关键节点和产品数据的完整性、正确性、一致性，同时充分考虑了企业产品开发流程的自主性、可变性和可扩展性，从流程标准化、设计标准化、人员与知识管理标准化，帮助制造企业建立属于自己的个性化产品开发体系，目前已得到运达股份在内的国内风电整机制造商认可。
4.InforCenter——华天软件
InforCenter是华天软件面向制造业产品全生命周期管理的 PLM产品全生命周期管理系统，为企业提供从需求收集、产品设计、工艺设计到车间生产的智能制造管理平台。InforCenter以项目计划为主线，把企业研发设计和工艺制造过程中所有与产品相关的信息和过程集成统一管理，从而实现数据的有序规范、设计过程的优化和资源的共享和上下游数据的一致，帮助企业规范研发流程，提高设计和工艺工作效率，缩短产品研发周期、降低成本。
（五）风场智能运维
1.金风科技——SOAM?智慧运营系统
金风科技智慧运营系统SOAM?集成了集中监控、设备健康管理、资产管理、功率预测、电力交易、数据资产管理和智能场站等模块，整合风电场运维过程中的各个环节，可兼容不同品牌的风机设备，利用大数据、人工智能、物联网、移动互联、AR/VR、数字孪生等技术，融合先进的资产运营管理模式，满足客户定制化的需求，实现新能源资产的降本增效。
2.远景能源——EnOS? Wind智慧风场系统
EnOS? Wind 是远景推出的一套风电场生产运营的操作系统，可以让传统风电场转型为数字化的智慧风场。该系统能够自动识别并预测设备的异常运行状态，提前预警自动下达故障通知单，现场检修人员第一时间接到工作任务，有效缩短设备故障时间，提高设备可利用状态。通过打通移动监测与工单，EnOS? Wind帮助客户大幅降低运维成本，基本可以做到运维人数2.03人/万千瓦，运维成本40万元/万千瓦。
3.电气风电——风云集控
"风云"是上海电气风电集团2014年开始自研的智慧风场系统，目前已迭代为风电全生命周期的智能化管理平台，并接入了150余个风场，监控7000余台风机，大幅降低运维成本。
"风云集控"则基于互联网技术的分布式数据处理技术，目标是从"无人值班，少人值守"到最终的"无人值守"。该系统利用ABC技术（人工智能+大数据+云计算）来监控资产，通过预测性控制技术"预言"风机的运行，进而实现用户资产使用价值最大化。
4.运达股份——风电智慧平台
运达股份结合历史风电运维数据，自研了风电机组智慧状态监测系统和故障预测和健康管理系统（PHM），并推出了运检一体的"托管式"全生命周期智慧运维服务，实现"人工运维"到"智慧运维"，全面升级风电现场运维管理，提高风机可利用率，为用户实现降本增效。
其中，故障预测与健康管理系统作为运达智慧风电生态体系的一环，旨在实现机组的全方位健康监测，辅以智能化的运维排程和备件调度策略，从而实现风电场MTBF提升50%以上、发电量提升3%以上、运维成本降低20%以上。通过对多源遥感信号的综合特征提取与分析，该系统可实时跟踪风力发电机组的健康状况，辨识故障停机风险。该系统实现了对桨叶、变桨系统、传动链、变流器等核心部件的全方位健康监测，预警准确率高于85%。
5.扩博智能——风机叶片智能化巡检系统
扩博智能是国内为数不多的整合AI和数字化技术的第三方风电运维企业。其瞄准风机叶片推出了智能化巡检系统，包括无人机自动巡检系统和叶片数字化管理平台。其中，无人机自动巡检系统基于计算机视觉技术，可实现无人机100%自主飞行并以每台风机15-25分钟的速度完成巡检。巡检完成后将提供清晰完整的图像资料,可准确定位的初检缺陷图形和尺寸。数据处理及管理平台将无人机自动巡检采集到的图像数据进行智能识别,并提供兼备原始数据图像、分类缺陷等级、巡检维修建议的综合检测报告。
6.智擎信息——风电设备预测性运维解决方案
智擎信息的数字化智能风电场平台与北京邮电大学等国家重点科研单位联合研发，基于AI、深度学习、边缘计算等技术生成风电场的预警模型。针对风电机组叶片、发电机、齿轮箱、变桨等核心大部件的核心故障隐患，该平台可以进行提前预测，预测准确率达到88%-97%之间，改变了传统风电机组维护维修的被动方式，提前防止故障的发生，帮助业主降低运维成本，为平价上网提供技术保障。
（感谢上海电气风电集团、十沣科技、扩博智能对本文提供的大力支持）
