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橫河電機(jī)和NTT DOCOMO株式會(huì)社（DOCOMO）今日宣布，他們已經(jīng)對一種用于工業(yè)過程的遠(yuǎn)程控制技術(shù)進(jìn)行了概念驗(yàn)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(jī)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(dòng)態(tài)策略規(guī)劃(FKDPP)算法^*1，以及DOCOMO提供的第五代（5G）移動(dòng)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(shí)際工廠流程的遠(yuǎn)程控制。 

近年來，工廠傾向于將生產(chǎn)設(shè)施安置在偏遠(yuǎn)和/或危險(xiǎn)地區(qū)，該趨勢促使對遠(yuǎn)程工業(yè)運(yùn)營的需求不斷增長，并改變了人們的工作方式。同時(shí)，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(huì)老化，因此遠(yuǎn)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(dòng)態(tài)控制設(shè)備。橫河電機(jī)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、因而只能手動(dòng)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(shí)現(xiàn)工業(yè)自主化的核心技術(shù)。

PoC概覽

橫河電機(jī)和DOCOMO于2021年4月14日宣布達(dá)成協(xié)議后，進(jìn)行了演示測試，以驗(yàn)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(biāo)水位，進(jìn)行了低速到高速控制循環(huán)的測試，并確認(rèn)了移動(dòng)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(biāo)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(shí)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(jī)一直在倡導(dǎo)工業(yè)自動(dòng)化到工業(yè)自主化（IA2IA）的概念，旨在將5G技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程工廠控制。它將與DOCOMO、客戶協(xié)作，繼續(xù)實(shí)施旨在促進(jìn)向工業(yè)自主化轉(zhuǎn)變的先進(jìn)舉措。

DOCOMO將繼續(xù)增強(qiáng)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(jìn)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(jī)和DOCOMO作為5G互聯(lián)產(chǎn)業(yè)與自動(dòng)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(yuǎn)程、工廠自主運(yùn)營中的使用。兩家公司在多個(gè)客戶工廠進(jìn)行演示，并檢驗(yàn)長期使用過程中的通信可靠性和延遲相關(guān)問題，努力實(shí)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(huì)^*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(jī)株式會(huì)社副總裁兼橫河電機(jī)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(dòng)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(shí)現(xiàn)更短的穩(wěn)定時(shí)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(shí)現(xiàn)更可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)做貢獻(xiàn)。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(shí)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(xiàng)創(chuàng)新將5G用于基于云的自主控制AI。橫河電機(jī)與DOCOMO、客戶協(xié)作，實(shí)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(dòng)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(yuǎn)程控制操作的準(zhǔn)確性，預(yù)計(jì)這將大大促進(jìn)加工和其他類制造的可持續(xù)生產(chǎn)力。DOCOMO將與橫河電機(jī)、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(dòng)通信環(huán)境，以克服挑戰(zhàn)并創(chuàng)造新價(jià)值。”

*1 FKDPP AI算法使用強(qiáng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)上具有挑戰(zhàn)性的同步目標(biāo)，如高質(zhì)量和能效（詳見附件）。

*2 請參見新聞（橫河電機(jī)和JSR公司使用人工智能連續(xù)35天對化工廠進(jìn)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(jì)算，實(shí)現(xiàn)針對目標(biāo)值的控制。在某些情況下，由于數(shù)學(xué)表達(dá)式的特性，某個(gè)值可能會(huì)超過（超調(diào)）設(shè)定值，或者需要時(shí)間來解決以避免超調(diào)。

*4 先進(jìn)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(shí)時(shí)提供設(shè)定值，以提高生產(chǎn)率、質(zhì)量和可控性。先進(jìn)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(dòng)時(shí)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(xiàng)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(jī)械的變化。

*5 一種三罐液位控制系統(tǒng)，用于培訓(xùn)和實(shí)驗(yàn)，涉及調(diào)節(jié)從一個(gè)水位到下一個(gè)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(huì)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(jī)集團(tuán)

橫河電機(jī)為能源、化工、材料、制藥和食品等多個(gè)行業(yè)的客戶提供測量、控制和信息領(lǐng)域的先進(jìn)解決方案。橫河電機(jī)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(shí)現(xiàn)向自主運(yùn)營的過渡。橫河電機(jī)于1915年在東京成立，擁有17,500多名員工。它通過遍布61個(gè)國家的119家公司的全球網(wǎng)絡(luò)，致力于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)。

關(guān)于NTT DOCOMO

NTT DOCOMO是日本領(lǐng)先的移動(dòng)運(yùn)營商，擁有超過8,300萬用戶，是全球3G、4G和5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主要貢獻(xiàn)者之一。除了核心通信服務(wù)之外，DOCOMO正在與越來越多的實(shí)體（“+d”合作伙伴）協(xié)作，挑戰(zhàn)新的領(lǐng)域，創(chuàng)造激動(dòng)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(jì)劃，DOCOMO正在開拓領(lǐng)先的5G網(wǎng)絡(luò)，以促進(jìn)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(yàn)證（PoC）概述

1. PoC測試的目的

該測試確認(rèn)了可以通過5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)使用基于云的自主控制AI進(jìn)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(xì)介紹

3. 各公司的職責(zé)

4. 結(jié)果

經(jīng)證實(shí)，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(shí)。還確認(rèn)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(shí)現(xiàn)更好的控制，有助于實(shí)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(dòng)態(tài)策略規(guī)劃(FKDPP)算法，該算法由橫河電機(jī)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(rèn)可為世界上第一個(gè)可用于工廠管理的基于強(qiáng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的應(yīng)用，使工程師能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)上難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜目標(biāo)，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(shí)間方面提高了生產(chǎn)率。

· 簡單，因?yàn)樗枰^少的學(xué)習(xí)，不需要加載標(biāo)記的數(shù)據(jù)。

· 相對容易解釋AI的工作原理。

· 達(dá)到與傳統(tǒng)系統(tǒng)相同的安全級別（非常堅(jiān)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(jī)使用仿真模型^*2確認(rèn)其自主控制AI具有控制整個(gè)工廠的潛力。同年，在大阪2020年測量展覽會(huì)（由日本電氣測量儀器制造商協(xié)會(huì)主辦）的一次展覽中，橫河電機(jī)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(shí)表明，F(xiàn)KDPP可以將穩(wěn)定時(shí)間減少50%到70%，同時(shí)還可以防止超調(diào)。2022年2月，橫河電機(jī)成功利用該技術(shù)連續(xù)35天控制實(shí)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(dòng)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(huì)（IEEE）是關(guān)于電氣工程的學(xué)術(shù)研究團(tuán)體和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)，總部位于美國，在160多個(gè)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(kuò)展強(qiáng)化學(xué)習(xí)）, Control Engineering Practice（《控制工程實(shí)踐》），第97卷（2020年4月） https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0967066120300186