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橫河電機和NTT DOCOMO株式會社（DOCOMO）今日宣布，他們已經(jīng)對一種用于工業(yè)過程的遠程控制技術(shù)進行了概念驗證（PoC）測試。PoC測試涉及在云環(huán)境中使用自主控制人工智能（AI），即一種橫河電機和奈良先端科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)（NAIST）研發(fā)的階乘內(nèi)核動態(tài)策略規(guī)劃(FKDPP)算法^*1，以及DOCOMO提供的第五代（5G）移動通信網(wǎng)絡(luò)。該測試成功控制了模擬工廠的流程操作，證明5G適用于實際工廠流程的遠程控制。 

近年來，工廠傾向于將生產(chǎn)設(shè)施安置在偏遠和/或危險地區(qū)，該趨勢促使對遠程工業(yè)運營的需求不斷增長，并改變了人們的工作方式。同時，工廠中用于凈化和精煉資源及基本產(chǎn)品材料的設(shè)備在使用多年后會老化，因此遠程、自主的調(diào)節(jié)和控制將大有裨益。一種可能的解決方案是在工廠安裝用于高速無線通信的邊緣設(shè)備，并使用基于云的自主控制AI來動態(tài)控制設(shè)備。橫河電機已經(jīng)證明其FKDPP算法是一種可行的自主控制AI解決方案。今年2月，在一家化工廠^*2的現(xiàn)場測試中，F(xiàn)KDPP連續(xù)35天成功地控制了使用現(xiàn)有PID^*3和APC^*4控制技術(shù)難以實現(xiàn)自動化、因而只能手動執(zhí)行的過程。FKDPP和云與5G的結(jié)合，具有低延遲和連接大量設(shè)備的能力，有望成為實現(xiàn)工業(yè)自主化的核心技術(shù)。

PoC概覽

橫河電機和DOCOMO于2021年4月14日宣布達成協(xié)議后，進行了演示測試，以驗證是否可以通過5G網(wǎng)絡(luò)在云端使用FKDPP控制三罐液位控制系統(tǒng)^*5。在測試中，設(shè)定了目標水位，進行了低速到高速控制循環(huán)的測試，并確認了移動通信延遲對FKDPP控制的影響。測試表明，特別是在高速控制下，與4G相比，5G 1）延遲更低，2）相對于目標水位的超調(diào)更少，且3）能夠處理短至0.2秒的控制周期，從而實現(xiàn)更好的控制，以獲得更穩(wěn)定的質(zhì)量和更高的能效。

未來5G、云和AI在工業(yè)自主化方面的應(yīng)用

自2019年以來，橫河電機一直在倡導(dǎo)工業(yè)自動化到工業(yè)自主化（IA2IA）的概念，旨在將5G技術(shù)應(yīng)用于遠程工廠控制。它將與DOCOMO、客戶協(xié)作，繼續(xù)實施旨在促進向工業(yè)自主化轉(zhuǎn)變的先進舉措。

DOCOMO將繼續(xù)增強和發(fā)展其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，創(chuàng)建適合特定客戶需求的先進網(wǎng)絡(luò)，并為各種公共和私人目的開發(fā)5G解決方案。

橫河電機和DOCOMO作為5G互聯(lián)產(chǎn)業(yè)與自動化聯(lián)盟 （5G-ACIA）的成員，致力于5G的工業(yè)應(yīng)用，并將繼續(xù)評估5G在遠程、工廠自主運營中的使用。兩家公司在多個客戶工廠進行演示，并檢驗長期使用過程中的通信可靠性和延遲相關(guān)問題，努力實現(xiàn)5G和AI支持的自主控制。5G-ACIA將在5月30日至6月2日舉辦的2022年漢諾威工業(yè)博覽會^*6上展示該演示測試的結(jié)果。

公司評語

長谷川健司，橫河電機株式會社副總裁兼橫河電機產(chǎn)品本部本部長：

“我們的自主控制AI不僅可用于流程工業(yè)，還可用于工廠自動化的某些流程，如加熱流程。它可以用于現(xiàn)有控制技術(shù)無法應(yīng)用的領(lǐng)域，與現(xiàn)有技術(shù)相比，可以實現(xiàn)更短的穩(wěn)定時間，并防止超調(diào)。總體而言，其優(yōu)勢包括提高生產(chǎn)力，并為實現(xiàn)更可持續(xù)發(fā)展的社會做貢獻。通過將生產(chǎn)、庫存、需求等信息與基于云的自主控制AI相關(guān)聯(lián)，可以將管理指令與工廠車間的實際操作控制相結(jié)合。盡管無線通信已在工廠中使用，但這項創(chuàng)新將5G用于基于云的自主控制AI。橫河電機與DOCOMO、客戶協(xié)作，實施這一前沿舉措，將引領(lǐng)向工業(yè)自主化的轉(zhuǎn)型。”

坪谷壽一，NTT DOCOMO高級副總裁兼5G & IoT事業(yè)部部長：

“DOCOMO正在利用尖端技術(shù)和多樣化的移動解決方案幫助工業(yè)部門轉(zhuǎn)型。演示表明，低延遲5G通信有助于提高工廠遠程控制操作的準確性，預(yù)計這將大大促進加工和其他類制造的可持續(xù)生產(chǎn)力。DOCOMO將與橫河電機、合作伙伴一起，繼續(xù)為流程工業(yè)的各種工作場所開發(fā)5G及其他移動通信環(huán)境，以克服挑戰(zhàn)并創(chuàng)造新價值。”

*1 FKDPP AI算法使用強化學(xué)習(xí)技術(shù)，可應(yīng)用于各種控制應(yīng)用，包括那些無法通過現(xiàn)有控制方法（如PID控制或APC）實現(xiàn)自動化的應(yīng)用，以實現(xiàn)傳統(tǒng)上具有挑戰(zhàn)性的同步目標，如高質(zhì)量和能效（詳見附件）。

*2 請參見新聞（橫河電機和JSR公司使用人工智能連續(xù)35天對化工廠進行自主控制，開創(chuàng)世界先河：https://www.yokogawa.com/cn/news/press-releases/2022/2022-03-22/ )

*3 比例-積分-微分（PID）控制由Nicolas Minorsky于1922年首次提出，是一種用于流程工業(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。它根據(jù)當(dāng)前值和設(shè)定值之間的偏差，基于P、I、D計算，實現(xiàn)針對目標值的控制。在某些情況下，由于數(shù)學(xué)表達式的特性，某個值可能會超過（超調(diào)）設(shè)定值，或者需要時間來解決以避免超調(diào)。

*4 先進過程控制使用數(shù)學(xué)模型來預(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)、類似的化學(xué)反應(yīng)、材料成分的重大變化以及機械的變化。

*5 一種三罐液位控制系統(tǒng)，用于培訓(xùn)和實驗，涉及調(diào)節(jié)從一個水位到下一個水位的水流，目的是控制最低水箱的水位。

*6 全球最大的國際制造業(yè)展覽會之一，2019年吸引了約6,500家公司和220,000人參加。https://www.hannovermesse.de/en/ 

關(guān)于橫河電機集團

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。橫河電機通過數(shù)字化技術(shù)的有效應(yīng)用，幫助客戶解決日益復(fù)雜的生產(chǎn)、資產(chǎn)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17,500多名員工。它通過遍布61個國家的119家公司的全球網(wǎng)絡(luò)，致力于實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的社會。

關(guān)于NTT DOCOMO

NTT DOCOMO是日本領(lǐng)先的移動運營商，擁有超過8,300萬用戶，是全球3G、4G和5G移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主要貢獻者之一。除了核心通信服務(wù)之外，DOCOMO正在與越來越多的實體（“+d”合作伙伴）協(xié)作，挑戰(zhàn)新的領(lǐng)域，創(chuàng)造激動人心、便捷的增值服務(wù)，改變?nèi)藗兊纳詈凸ぷ鞣绞健８鶕?jù)2020年及以后的中期計劃，DOCOMO正在開拓領(lǐng)先的5G網(wǎng)絡(luò)，以促進創(chuàng)新服務(wù)，給客戶帶來驚喜和啟發(fā)，超越客戶的預(yù)期。https://www.docomo.ne.jp/english/ 

概念驗證（PoC）概述

1. PoC測試的目的

該測試確認了可以通過5G移動網(wǎng)絡(luò)使用基于云的自主控制AI進行控制的操作范圍。它從延遲和吞吐量（在固定周期內(nèi)發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)量）角度比較了使用4G和5G通信的控制性能。

2. 詳細介紹

3. 各公司的職責(zé)

4. 結(jié)果

經(jīng)證實，與4G相比，5G提供（1）更低的延遲，（2）能夠以更少的超調(diào)來執(zhí)行控制操作，尤其是在使用高速控制時。還確認了（3）可以在短至0.2秒的控制周期內(nèi)操作。總體而言，5G可以實現(xiàn)更好的控制，有助于實現(xiàn)更穩(wěn)定的質(zhì)量和更高的能效。

5. 關(guān)于自主控制AI（FKDPP算法）

本次演示測試中使用的AI是階乘內(nèi)核動態(tài)策略規(guī)劃(FKDPP)算法，該算法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年聯(lián)合研發(fā)。它被IEEE認可為世界上第一個可用于工廠管理的基于強化學(xué)習(xí)的AI^*1。

FKDPP提供以下主要優(yōu)勢：

· 可用于各種控制，包括無法通過現(xiàn)有控制方法（PID 控制或 APC）實現(xiàn)自動化的應(yīng)用，使工程師能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)上難以同時實現(xiàn)的復(fù)雜目標，例如高質(zhì)量和能效。

· 在更高的質(zhì)量、更好的能效、更高的產(chǎn)量和更短的穩(wěn)定時間方面提高了生產(chǎn)率。

· 簡單，因為它需要較少的學(xué)習(xí)，不需要加載標記的數(shù)據(jù)。

· 相對容易解釋AI的工作原理。

· 達到與傳統(tǒng)系統(tǒng)相同的安全級別（非常堅固，可以與現(xiàn)有的生產(chǎn)控制系統(tǒng)集成）。

2020年4月，橫河電機使用仿真模型^*2確認其自主控制AI具有控制整個工廠的潛力。同年，在大阪2020年測量展覽會（由日本電氣測量儀器制造商協(xié)會主辦）的一次展覽中，橫河電機展示了該AI如何能夠自主控制三罐液位控制系統(tǒng)。盡管可以采用傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)來控制系統(tǒng)，但事實表明，F(xiàn)KDPP可以將穩(wěn)定時間減少50%到70%，同時還可以防止超調(diào)。2022年2月，橫河電機成功利用該技術(shù)連續(xù)35天控制實際化工廠，開創(chuàng)世界先河。 

*1 Factorial Kernel Dynamic Policy Programming for Vinyl Acetate Monomer Plant Model Control （用于醋酸乙烯酯單體工廠模型控制的階乘內(nèi)核動態(tài)策略規(guī)劃（FKDPP））（2018年8月）  https://ieeexplore.ieee.org/document/8560593/  電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）是關(guān)于電氣工程的學(xué)術(shù)研究團體和技術(shù)標準化機構(gòu)，總部位于美國，在160多個國家擁有40多萬名成員。

*2 Scalable Reinforcement Learning for Plant-wide Control of Vinyl Acetate Monomer Process （用于醋酸乙烯酯單體工藝全廠控制的可擴展強化學(xué)習(xí)）, Control Engineering Practice（《控制工程實踐》），第97卷（2020年4月） https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0967066120300186