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資訊頻道橫河電機公司和JSR公司宣布成功完成一項現(xiàn)場測試。該測試使用人工智能(AI)連續(xù)35天對一家化工廠進行了自主控制，此舉開創(chuàng)了世界先河
。該測試證明了強化學(xué)習(xí)人工智能可以安全地應(yīng)用于實際工廠，并證明了該技術(shù)可以控制現(xiàn)有控制方法（PID控制
/APC
）所無法實現(xiàn)的操作，到目前為止，此類操作仍需要根據(jù)工廠人員的經(jīng)驗判斷對控制閥進行手動操作。該舉措入選了日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省2020年高級工業(yè)安全促進項目補貼計劃。
從煉油和石化產(chǎn)品到高性能化學(xué)品、纖維、鋼鐵、制藥、食品和水，過程工業(yè)中的控制跨越廣泛的領(lǐng)域。所有這些都涉及化學(xué)反應(yīng)需要極高的可靠性。
在這項現(xiàn)場測試中，人工智能解決方案成功地處理了確保產(chǎn)品質(zhì)量和保持蒸餾塔中液體處于適當(dāng)水平所需的復(fù)雜條件，同時最大限度地利用余熱作為熱源。這種方法可以穩(wěn)定質(zhì)量，提高產(chǎn)量
并節(jié)省能源。外部溫度的快速變化是擾亂控制狀態(tài)的主要外部因素，但在雨雪天氣中，生產(chǎn)的產(chǎn)品符合嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)并已經(jīng)發(fā)貨。另外，由于只生產(chǎn)合格產(chǎn)品，因此不存在因生產(chǎn)不合格產(chǎn)品而耗費燃料、勞動力、時間和其他資源的情況。通過以下流程，安全操作得以實現(xiàn)。
本次控制實驗中使用的人工智能，由橫河電機和奈良先端科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)(NAIST)于2018年共同研發(fā)，稱為階乘內(nèi)核動態(tài)策略規(guī)劃(FKDPP)算法，在電氣與電子工程師協(xié)會(IEEE)自動化科學(xué)與工程國際會議上被認(rèn)定為全球首個可用于工廠管理的基于強化學(xué)習(xí)的人工智能技術(shù)
。橫河電機在2019年成功進行了控制培訓(xùn)系統(tǒng)
實驗，在2020年4月成功進行了使用模擬器重建整個工廠的實驗
，由此確認(rèn)了這種自主控制人工智能
的潛力，并將其從理論發(fā)展為適合實際應(yīng)用的技術(shù)。此項技術(shù)可用于以往無法通過傳統(tǒng)控制方法（PID控制和APC）實現(xiàn)自動化的領(lǐng)域，其優(yōu)勢之一在于能夠處理相互沖突的目標(biāo)，例如對高質(zhì)量和節(jié)能的需求。
鑒于有眾多復(fù)雜的物理和化學(xué)現(xiàn)象影響實際工廠的運行，仍有許多情況需要經(jīng)驗豐富的操作員介入并進行控制。即使利用PID控制和APC實現(xiàn)自動操作，經(jīng)驗豐富的操作員有時也需要停止自動控制并更改配置和輸出值，例如由于降雨或其他天氣導(dǎo)致大氣溫度突變時。這是許多公司工廠的常見問題。在推進工業(yè)自主化*11過程中，，一個非常重大的挑戰(zhàn)是如何在人工干預(yù)不可避免的情況下實施自主控制，在確保高度安全的情況下盡可能地減少干預(yù)量。這項測試的結(jié)果表明，橫河電機與JSR公司的合作為解決這一長期存在的問題開辟了一條前進的道路。
橫河電機歡迎對這些舉措感興趣的全球客戶。橫河電機的目標(biāo)是迅速提供實現(xiàn)工業(yè)自主化的產(chǎn)品和解決方案。
JSR公司認(rèn)為，該試驗展示了人工智能在解決化工廠以往無法解決問題的可能性，并考慮將其在其他過程和工廠中進行應(yīng)用，以進一步提高生產(chǎn)效率。
未來，兩家公司將繼續(xù)合作，研究在工廠中使用人工智能的方法。
JSR生產(chǎn)技術(shù)總經(jīng)理Masataka Masutani表示：“由于5G的全面發(fā)展、其他往數(shù)字化社會邁進方面的發(fā)展、確保工廠安全的人力資源的老齡化及其替代人員的缺乏，行業(yè)環(huán)境正發(fā)生變化，石化行業(yè)面臨著利用物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和人工智能等新技術(shù)來提高生產(chǎn)活動安全性和效率的巨大壓力。JSR的研究方向是通過積極結(jié)合無人機、物聯(lián)網(wǎng)傳感器、攝像頭等新技術(shù)實現(xiàn)生產(chǎn)智能化，在本次實驗中，我們采用了人工智能控制技術(shù)來應(yīng)對工廠過程控制自動化的挑戰(zhàn)。我們驗證了人工智能能夠自主控制以前依賴于操作員經(jīng)驗而通過手動執(zhí)行的過程，我們堅信人工智能控制技術(shù)的實用性和未來潛力。很多業(yè)內(nèi)人士表示，這項技術(shù)不僅減輕了操作員的負(fù)擔(dān)，而且我們也積極應(yīng)對了這項新技術(shù)的挑戰(zhàn)并取得了成功，這正是我們持續(xù)發(fā)展DX的動力。今后，我們將擴大人工智能控制的操作規(guī)模，努力提高化工廠的安全性、穩(wěn)定性和競爭力?！?/p>
NAIST副教授Takamitsu Matsubara表示：“我很高興這次現(xiàn)場測試取得了成功。數(shù)據(jù)分析和機器學(xué)習(xí)已開始應(yīng)用于化工廠運營，但可用于自主控制和運營優(yōu)化的技術(shù)直到現(xiàn)在還沒有完全準(zhǔn)備就緒。強化學(xué)習(xí)人工智能FKDPP算法由橫河電機和NAIST于2018年聯(lián)合研發(fā)，用于實現(xiàn)化工廠的自主控制。盡管必須采用大量傳感器和控制閥，但人工智能可以在有限學(xué)習(xí)試驗中生成穩(wěn)健的控制策略。這些功能有助于提高開發(fā)過程的效率，并在現(xiàn)場測試期間實現(xiàn)長達840小時的自主控制。我認(rèn)為在實際蒸餾塔中實現(xiàn)自主控制，集整個生產(chǎn)過程和安全性于一個系統(tǒng)，實際應(yīng)用水平達到如此高的水平，都是非常了不起的成就，對于整個行業(yè)來說意義重大。我期待著看到這項技術(shù)的未來發(fā)展?！?/p>
橫河電機副總裁兼橫河產(chǎn)品總部負(fù)責(zé)人Kenji Hasegawa補充道：“這次現(xiàn)場測試的成功得益于只有客戶才能提供的對生產(chǎn)過程和操作方面的深入了解，以及橫河電機利用測量、控制和信息來創(chuàng)造價值的能力。試驗表明，自主控制人工智能(FKDPP)可以在全球范圍內(nèi)極大地促進生產(chǎn)自動化、投資回報率最大化以及環(huán)境可持續(xù)性。分布式控制系統(tǒng)能夠控制和監(jiān)測工廠生產(chǎn)設(shè)施的運行，橫河電機在該系統(tǒng)的研發(fā)方面處于世界領(lǐng)先地位，并推動了一系列行業(yè)的發(fā)展。我們堅定地著眼于一個形成未來工業(yè)模式的自主操作的世界，目前正在推廣‘工業(yè)自動化到工業(yè)自主化’(IA2IA)的概念。為在能源、材料、制藥等眾多產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)將人員、機器、材料和方法(4M)的差異影響考慮在內(nèi)的強大而靈活的生產(chǎn)過程，我們將與世界各地的客戶合作，推動自主控制人工智能的聯(lián)合開發(fā)?！?/p>
*1 | 基于橫河電機于2022年2月進行的關(guān)于直接改變化工廠操作變量的人工智能調(diào)查。 |
*2 | 比例-積分-微分控制。由Nicolas Minorsky于1922年首次提出，是一種用于過程工業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施控制技術(shù)，用于控制數(shù)量、溫度、液位、壓力和成分等因素。根據(jù)當(dāng)前值與設(shè)定值的偏差，使用P、I、D計算中的每一個結(jié)果針對目標(biāo)值進行控制。這種控制模式存在無法應(yīng)對多種外部干擾（天氣、氣候、材料成分變化）和目標(biāo)值頻繁變化等問題，因此需要手動控制。 |
*3 | 先進過程控制。該控制技術(shù)使用數(shù)學(xué)模型，可以預(yù)測過程響應(yīng)并為PID控制回路實時提供設(shè)定值，以提高生產(chǎn)率、質(zhì)量和可控性。先進過程控制也可以很容易地用于控制，以提高產(chǎn)量、減少勞動時間并節(jié)約能源。利用APC可以減小數(shù)據(jù)偏差，從而更接近操作性能的極限（即獲得最佳性能）。然而，這項技術(shù)不擅長應(yīng)對流體的快速蒸發(fā)和其他此類化學(xué)反應(yīng)、材料成分的重大變化以及機械的變化，因此受到了限制。 |
*4 | 通過精制過程從原料中獲得的實際目標(biāo)產(chǎn)品量。 |
*5 | CENTUM VP集散控制系統(tǒng)對整個生產(chǎn)過程同時監(jiān)測和控制壓力、流速、溫度等因素，并集成各種互鎖功能，以實現(xiàn)安全穩(wěn)定的操作和事故預(yù)防。為了防止工廠事故，可以與安全儀表系統(tǒng)(SIS)、緊急切斷裝置(ESD)、防火系統(tǒng)(F&G)等配合使用。 |
*6 | 一種可以阻止啟動的機制，除非在操作前滿足某些條件。該機制通過防止不正確的操作、程序錯誤等來提高安全性。 |
*7 | 《用于醋酸乙烯單體工廠模型控制的階乘內(nèi)核動態(tài)策略規(guī)劃》，2018年8月。 電氣與電子工程師協(xié)會(IEEE)是一個位于美國的學(xué)術(shù)研究和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化組織，專注于電氣和信息工程領(lǐng)域。IEEE在全球160個國家擁有超過40萬名會員。 |
*8 | 一種用于進行水位調(diào)節(jié)訓(xùn)練和實驗的三罐水位控制系統(tǒng)，總體目標(biāo)是在最低階段控制水位。該控制系統(tǒng)還帶有能夠產(chǎn)生人工干擾，從而隨機改變水流狀態(tài)的裝置。由于液體的特性，控制水流速在過程工業(yè)中是一項艱難的挑戰(zhàn)。通過對水流速的適當(dāng)控制，該控制系統(tǒng)可提升制造工廠的生產(chǎn)效率。 |
*9 | 《用于醋酸乙烯單體過程全廠控制的可擴展強化學(xué)習(xí)》，控制工程實踐(Control Engineering Practice,)，第97卷，2020年4月。 |
*10 | 橫河電機將自主控制人工智能定義為能夠獨立推導(dǎo)出最佳控制方法并具有高度穩(wěn)健性，能夠在一定程度上自主處理前所未有情況的人工智能。 |
*11 | 橫河電機對工業(yè)自主化的定義如下：“工廠設(shè)備和運營將具有學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力，可以通過最少的人為交互做出響應(yīng)，從而使運營商能夠執(zhí)行更高級別的優(yōu)化任務(wù)?！睓M河電機于2021年對390家制造公司的534名決策者進行了一項關(guān)于實施工業(yè)自主化的全球最終用戶調(diào)查，結(jié)果顯示，42%的受訪者表示將人工智能應(yīng)用于工廠過程優(yōu)化會對未來三年內(nèi)的工業(yè)自主化產(chǎn)生重大影響。 |
本新聞稿中的公司、組織、產(chǎn)品、服務(wù)和標(biāo)識的名稱是橫河電機株式會社、JSR公司或其各自所有者的注冊商標(biāo)或商標(biāo)。
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關(guān)于橫河電機
橫河電機為能源、化工、材料、制藥和食品等多個行業(yè)的客戶提供測量、控制和信息領(lǐng)域的先進解決方案。橫河通過數(shù)字化智能制造幫助客戶解決日益復(fù)雜的生產(chǎn)、運營管理、資產(chǎn)、能源和供應(yīng)鏈優(yōu)化等問題，實現(xiàn)向自主運營的過渡。
橫河電機于1915年在東京成立，擁有17500多名員工，通過遍布61個國家的119家公司的全球網(wǎng)絡(luò)，為建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的社會創(chuàng)造新價值。
關(guān)于JSR公司
JSR公司是一家在全球擁有9000多名員工的跨國公司，是各種技術(shù)驅(qū)動型市場的領(lǐng)先材料供應(yīng)商，致力于推動材料創(chuàng)新，通過材料創(chuàng)造價值來造福社會、人類和環(huán)境。JSR的全球網(wǎng)絡(luò)總部位于日本東京，在歐洲、美國、中國大陸、中國臺灣、韓國和泰國設(shè)有工廠和辦事處。JSR是一家以研究為導(dǎo)向的公司，與許多行業(yè)的領(lǐng)先創(chuàng)新者緊密合作，這些行業(yè)對人類社會現(xiàn)在和未來的福利至關(guān)重要：生命科學(xué)、電子材料、顯示器、塑料和合成橡膠。
現(xiàn)場測試簡介
1.現(xiàn)場測試目的
(1) 證明強化學(xué)習(xí)人工智能（FKDPP：階乘內(nèi)核動態(tài)策略規(guī)劃算法）可以安全地應(yīng)用于需要安全保障的工廠
(2) 證明強化學(xué)習(xí)人工智能可用于控制現(xiàn)有控制方法（PID控制/APC）無法實現(xiàn)自動化的區(qū)域
2.詳細(xì)信息
地點 | · 日本JSR公司的一家化工廠 |
控制區(qū)域 | · 蒸餾塔 · 無法應(yīng)用現(xiàn)有控制方法（PID控制/APC）且只能手動執(zhí)行控制的區(qū)域（操作員判斷閥門操作水平并自行輸入） · 容易受雨、雪和其他天氣條件導(dǎo)致的大氣溫度突變的影響，從而可能干擾控制狀態(tài)的區(qū)域 · 當(dāng)沸點相近的物質(zhì)A和B被加熱分離時進行優(yōu)化控制，使蒸餾塔中的液體保持在適當(dāng)水平，從而使所有產(chǎn)品都符合標(biāo)準(zhǔn)，同時為了節(jié)省能源，對閥門進行操作，以在最大程度上將余熱用作蒸餾塔的熱源，并提取理想狀態(tài)下的所需物質(zhì)A。 |
控制人工智能 | · 增強學(xué)習(xí)人工智能（FKDPP：階乘內(nèi)核動態(tài)策略規(guī)劃算法） |
使用的產(chǎn)品和技術(shù) | 橫河電機： · OmegaLand工廠模擬器（由橫河電機株式會社子公司Omega Simulation Co., Ltd.提供） · CENTUM VP集散生產(chǎn)控制系統(tǒng) · Exaopc OPC接口包（能夠管理過程工業(yè)中各種數(shù)據(jù)庫的軟件。使用符合OPC基金會定義的OPC接口標(biāo)準(zhǔn)的接口。其功能包括自動保存過程數(shù)據(jù)等。） · GA10數(shù)據(jù)記錄軟件（用于操作屏幕、輸入設(shè)備(HMI)和數(shù)據(jù)記錄）等。 |
操作 | · 由CENTUM VP集散生產(chǎn)控制系統(tǒng)管理 對整個生產(chǎn)過程同時監(jiān)測和控制壓力、流速、溫度等因素，并集成各種互鎖功能，實現(xiàn)安全穩(wěn)定的操作和事故預(yù)防。為了防止工廠事故，可以與緊急切斷裝置(ESD)和防火系統(tǒng)(F&G)等配合使用。 |
人工智能實施過程 | 使用工廠模擬器生成人工智能控制模型 · 利用相關(guān)工廠的設(shè)計信息生成工廠模型 · 基于強化學(xué)習(xí)的人工智能（FKDPP算法）學(xué)習(xí)并生成控制模型 綜合評估人工智能控制模型的有效性和可靠性 · 通過以往的操作數(shù)據(jù)進行檢查 · 通過實時數(shù)據(jù)進行檢查 確保安全，繼而控制真實工廠 · 通過現(xiàn)有的互鎖和其他安全功能確保安全 · 與Centum VP集散生產(chǎn)控制系統(tǒng)集成并納入進工廠運營 · 確保操作安全（計劃響應(yīng)和建立系統(tǒng)以處理人工智能系統(tǒng)故障） |
項目期 | · 2020年8月至2022年2月（1年6個月） |
連續(xù)運行期 | · 35天，從2022年1月17日到2月21日（840小時） |
3.公司職責(zé)
JSR | · 提供實驗場地、詳細(xì)的工廠信息及操作狀態(tài) · 設(shè)置人工智能控制系統(tǒng)要解決的挑戰(zhàn) · 工程（與現(xiàn)有的CENTUM VP集散生產(chǎn)控制系統(tǒng)連接） · 從人工智能控制系統(tǒng)的角度評估安全性和有效性 · 考慮在實際工廠中引入人工智能控制系統(tǒng)的安全系統(tǒng) |
橫河電機 | · 方案計劃（人工智能系統(tǒng)規(guī)格、時間表等） · 人工智能系統(tǒng)建設(shè) · 工程（調(diào)整與現(xiàn)有CENTUM VP集散生產(chǎn)控制系統(tǒng)的連接等） · 維護 |
4.結(jié)果和常規(guī)控制的比較
| 總結(jié) · 通過結(jié)合兩家公司的專業(yè)知識，并應(yīng)用于實際工廠中無法通過現(xiàn)有控制方法實現(xiàn)自動化的領(lǐng)域，可以找到一種在系統(tǒng)和操作中安全應(yīng)用強化學(xué)習(xí)人工智能的方法。 · 采用綜合生產(chǎn)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了35天連續(xù)控制，成功生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。 · 這表明，作為下一代控制技術(shù)，強化學(xué)習(xí)人工智能(FKDPP)可以大幅促進世界各地工廠的自動化、投資回報率最大化和環(huán)境可持續(xù)性。 | |
人為干預(yù) | · 人工智能自主控制與CENTUM VP集散生產(chǎn)控制系統(tǒng)的集成 · 只需要監(jiān)測，基本不需要人工干預(yù)。 |
質(zhì)量 | · 穩(wěn)定生產(chǎn)符合嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。 |
產(chǎn)量 | · 原材料可以有效地轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。 |
節(jié)能 | · 通過最大限度地利用余熱作為熱源來實現(xiàn)節(jié)能，從而減少二氧化碳排放。 |
成本 | · 只生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，因此消除了因生產(chǎn)不合格產(chǎn)品而產(chǎn)生的燃料和勞動力成本。 |
時間 | · 只生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，因此消除了因生產(chǎn)不合格產(chǎn)品而造成的時間損失。 |
安全 | · 不再需要經(jīng)驗豐富的操作員一年365天、一天24小時進行手動控制，減少了操作員的負(fù)擔(dān)并防止錯誤，從而提高了安全性。 |
5.[參考資料] 工廠控制中所使用的人工智能的主要特點
類型 | 功能 | 優(yōu)勢 | |
自主控制 | 對于現(xiàn)有控制方式（PID控制/APC）無法實現(xiàn)自動化的領(lǐng)域，人工智能能夠自行推導(dǎo)出最佳控制方法，并在一定程度上自主控制尚未遇到的情況。 | 基于學(xué)習(xí)和推導(dǎo)的控制模型，人工智能能夠輸入每種情況所需的控制水平。 | FKDPP具有以下優(yōu)勢： (1) 可應(yīng)用于現(xiàn)有控制技術(shù)（PID控制和APC）無法實現(xiàn)自主控制的情況，并可以處理相互沖突的目標(biāo)，例如實現(xiàn)高質(zhì)量和節(jié)能。 |
幫助構(gòu)建自動化的領(lǐng)域 | 人工智能可以接管目前由操作員執(zhí)行的任務(wù)，即使用現(xiàn)有控制方法（PID控制/APC）為已實現(xiàn)自動化的區(qū)域輸入目標(biāo)值。 | 人工智能使用過去的控制數(shù)據(jù)進行計算并輸入目標(biāo)值。 | · 可實現(xiàn)人工任務(wù)的自動化和穩(wěn)定操作。 |
為操作員提供操作支持 | 人工智能能夠提供操作員在執(zhí)行操作時需要參考的目標(biāo)值。 | 人工智能使用以往的控制數(shù)據(jù)向操作員建議目標(biāo)值。 | · 消除因操作員熟練程度不同所產(chǎn)生的差異。 |
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號