廢棄物處理設(shè)施的智慧化自動運行

廢棄物處理設(shè)施的智慧化自動運行1前言除了設(shè)施建設(shè)之外，\o"廢棄物處理新聞專題"廢棄物處理設(shè)施建設(shè)后的運營也以設(shè)計建設(shè)運營（DBO）方式和私人融資計劃（PFI）為主。已運行的設(shè)施越來越多地變更為長期綜合運營方式。為了應(yīng)對該事業(yè)環(huán)境的變化，日本JFE工程公司從2003年開始強化提供遠程維護服務(wù)。2014年9月，為遠程支援工廠操作等服務(wù)，設(shè)立了遠程服務(wù)中心（RSC：RemoteServiceCenter）。在RSC利用物聯(lián)網(wǎng)，裝備了遠程支援全國工廠的系統(tǒng)“JFE超遠程?”，開始進行運營設(shè)施的支援。并于2018年3月擴大了設(shè)施，轉(zhuǎn)向強化安全性功能的全球遠程中心（GRC：GlobalRemoteCenter），并擴大了支援范圍。本文介紹了GRC的遠程支援以及利用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能（AI）和數(shù)據(jù)分析技術(shù)的焚燒爐自動運行的開發(fā)狀況。2遠程支援系統(tǒng)概要2.1全球遠程中心（GRC）GRC建立了一個專門用于\o"廢棄物處理設(shè)施新聞專題"廢棄物處理設(shè)施的遠程服務(wù)中心RSC，并將其擴展到支援本公司建設(shè)的其他工廠的遠程支援設(shè)施上。此外，該中心還強化了對海外工廠的遠程支援功能和網(wǎng)絡(luò)安全措施。在廢棄物處理設(shè)施遠程支援系統(tǒng)中，對經(jīng)驗豐富的操作員與各設(shè)施一樣都是實施24h運行體制，進行以焚燒爐為主的運行監(jiān)控和必要時的操作，維持著穩(wěn)定安全的工廠運行。GRC除了從遠程監(jiān)控運行和操作之外，還利用物聯(lián)網(wǎng)收集和存儲各種數(shù)據(jù)，采用分析方法和AI，用于最新的“JFE超遠程?”，強化支援設(shè)施。2.2JFE超遠程?“JFE超遠程?”是由為廢棄物處理設(shè)施提供遠程支援的設(shè)備和系統(tǒng)構(gòu)成，于2014年9月開始運行。當時支援的設(shè)施是2個，現(xiàn)在擴大到10個設(shè)施，今后再支援5個設(shè)施，不久將擴大到支援15個設(shè)施。該系統(tǒng)有三大功能：1）中央控制室操作員在遠程地同樣可以進行監(jiān)控和操作業(yè)務(wù)。2）收集運行數(shù)據(jù)和燃燒圖像等各種龐大數(shù)據(jù)，用于數(shù)據(jù)分析和AI的功能。3）因支援設(shè)施大多是發(fā)電設(shè)施，所以具有優(yōu)化向電力公司和特定規(guī)模電氣事業(yè)者（PPS）銷售電力的功能。JFE工程公司充分利用存儲的數(shù)據(jù)和最新的AI技術(shù)，確立了圖1的構(gòu)想，進行了以中央控制室無人操作為目標的技術(shù)開發(fā)。3利用物聯(lián)網(wǎng)和AI的遠程支援系統(tǒng)3.1利用AI的支援領(lǐng)域為了應(yīng)對經(jīng)驗豐富操作員的缺乏，該公司從建立GRC時就開始利用物聯(lián)網(wǎng)收集各種數(shù)據(jù)。目的之一是將經(jīng)驗豐富操作員穩(wěn)定安全的手動干預(yù)操作焚燒爐轉(zhuǎn)化為自動運行焚燒爐。另一個目的是充分利用經(jīng)驗豐富操作員的技術(shù)訣竅。因此，自2015年起，該公司與主要的AI廠商探討如何利用AI，2018年開始采用交互型支援系統(tǒng)和燃燒圖像分析系統(tǒng)兩個系統(tǒng)。3.2交互型支援系統(tǒng)交互型支援系統(tǒng)是將經(jīng)驗豐富操作員的技術(shù)訣竅和各種文檔存儲到數(shù)據(jù)庫，利用AI的語音識別、意圖理解和語音合成技術(shù)，用語音回答新人和年輕操作員的詢問，通過語音和圖像馬上得到適當?shù)幕卮稹Ｔ撓到y(tǒng)有兩個功能：一是運行的方法和故障查詢功能，另一個是設(shè)計圖、操作說明書、程序書和故障案例（圖紙）檢索功能。圖2是交互型支援系統(tǒng)的概要。該系統(tǒng)從2018年5月開始試運行，10月開始在GRC和2個運營設(shè)施中正式運行。運行中，有時會出現(xiàn)對詢問不能正確理解，含義被誤解，無法獲得正確答案和文獻的情況。該系統(tǒng)對詢問時的語音和意圖的理解結(jié)果、回答結(jié)果全部進行記錄管理。運行管理者對這些記錄進行確認，對專業(yè)術(shù)語、詞典和查詢內(nèi)容進行文本轉(zhuǎn)換，添加其他術(shù)語以提高理解意圖的精確度，并進行強化理解意圖的學(xué)習(xí)，以持續(xù)提高精確度。3.3燃燒圖像分析系統(tǒng)在廢棄物處理設(shè)施的中央控制室和GRC，為了確認穩(wěn)定安全的運行，操作員需要使用分布式控制系統(tǒng)（DCS）畫面的過程數(shù)據(jù)和工業(yè)電視監(jiān)視器（ITV），監(jiān)控焚燒爐內(nèi)的燃燒狀態(tài)。燃燒圖像分析系統(tǒng)是將ITV監(jiān)視器監(jiān)控的燃燒圖像數(shù)字化的系統(tǒng)。在焚燒爐的運行中，應(yīng)用自動燃燒控制裝置（ACC），并設(shè)定警報，使重要的過程數(shù)據(jù)不脫離控制值。用DCS報警確認，可以判斷是否需要改善燃燒。但是，因為燃燒狀態(tài)沒有警報通知功能，所以操作員需要監(jiān)視燃燒圖像，根據(jù)操作經(jīng)驗判斷燃燒狀態(tài)好壞。為了判斷燃燒狀態(tài)，該公司利用AI構(gòu)建了燃燒圖像分析系統(tǒng)，于2018年10月開始運行。在該系統(tǒng)中，系統(tǒng)的運行管理者也通過追加學(xué)習(xí)，試圖將其提高到與經(jīng)驗豐富的操作員做出的燃燒狀態(tài)判斷相同的水平。在該系統(tǒng)中，將燃燒影像輸入廢棄物處理設(shè)施側(cè)的DCS中，在此輸入由影像生成的圖像數(shù)據(jù)。對于該圖像數(shù)據(jù)，利用以往的圖像數(shù)據(jù)進行學(xué)習(xí)并提高精度的分類器將燃燒狀態(tài)的好壞數(shù)字化。該數(shù)字可以通過設(shè)施側(cè)的DCS，與過程數(shù)據(jù)一樣被監(jiān)控，如果出現(xiàn)需要改善的燃燒狀態(tài)，則通過警報通知操作員。圖3是燃燒圖像分析系統(tǒng)概要。4焚燒爐自動運行的措施4.1自動運行的問題及措施概要如上所述，焚燒爐的運行控制由ACC自動控制。但是，提供給焚燒爐的\o"垃圾熱量新聞專題"垃圾熱量經(jīng)常發(fā)生變化，如果其變動幅度大，僅由ACC自動控制，有時會出現(xiàn)應(yīng)該嚴守的燃燒控制溫度和廢氣氣體成分等運行控制值不穩(wěn)定的燃燒狀態(tài)。此時，操作員判斷是否需要改善，必要時對ACC的燃燒控制進行干預(yù)操作，使燃燒得到改善。將操作員進行的干預(yù)操作程序化，強化ACC的燃燒控制，旨在更加安全穩(wěn)定地自動運行焚燒爐。因此，對關(guān)于干預(yù)操作的各種數(shù)據(jù)進行分析，推進了干預(yù)操作的自動化。在推進該措施時，應(yīng)考慮的事項主要有三點：1）操作員根據(jù)各種過程數(shù)據(jù)和燃燒狀態(tài)來判斷干預(yù)操作。2）干預(yù)操作的判斷標準因人而異。3）即使是同樣的狀況，干預(yù)的操作項目也可能不同。操作員確認各種數(shù)據(jù)后，將干預(yù)的判斷標準、干預(yù)時的操作量和恢復(fù)的時間建模，作為控制程序納入燃燒控制中，在實際設(shè)施進行驗證運行。4.2驗證運行的狀況2018年10月，將自動運行的控制功能引入實際設(shè)施，繼續(xù)驗證運行。在此，將從操作員的干預(yù)操作數(shù)據(jù)分析中判斷對自動運行有效的過程數(shù)據(jù)以及從燃燒圖像分析系統(tǒng)獲得的燃燒狀態(tài)數(shù)據(jù)綜合起來，將經(jīng)驗豐富操作員的操作內(nèi)容添加到常規(guī)的ACC控制中。操作員干預(yù)操作的項目有很多，所以在2018年10月，在該公司的加煤機式焚燒爐最重要且干預(yù)操作頻率較多的垃圾供給系統(tǒng)引入了自動運行功能。其后，2019年2月擴大到送風(fēng)系統(tǒng)。通過垃圾供給系統(tǒng)引入自動運行功能，經(jīng)驗豐富的操作員從每天每爐幾次到幾十次的干預(yù)操作，到2019年1月降到約30%。然后，對送風(fēng)系統(tǒng)也采用了自動控制，運行更加穩(wěn)定，結(jié)果無需經(jīng)驗豐富的操作員干預(yù)，確認可以長期自動運行。截至2019年2月，操作員的干預(yù)操作幾乎為零，取而代之的是自動運行控制功能執(zhí)行的干預(yù)操作次數(shù)比引進之前增加了40%左右。此外，對常規(guī)運行和自動運行進行了比較評價，以確認自動運行是否提高了燃燒穩(wěn)定性。為了在垃圾質(zhì)量相同的同一時期進行比較，整理了2018年4月的常規(guī)運行和2019年4月的自動運行焚化爐的燃燒控制溫度的瞬時值和1h移動平均溫度的分布（穩(wěn)定的燃燒控制溫度需要確保高于850℃），其結(jié)果表明：與常規(guī)運行相比，自動運行燃燒控制溫度的分布區(qū)域變小