橫河電機和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(guò)程的遠程控制技術(shù)進(jìn)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)的階乘內核動(dòng)態(tài)策略規劃(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(chǎng)的流程操作，證明5G適用于實(shí)際工廠(chǎng)流程的遠程控制。 

近年來(lái)，工廠(chǎng)傾向于將生產(chǎn)設施安置在偏遠和/或危險地區，該趨勢促使對遠程工業(yè)運營(yíng)的需求不斷增長(cháng)，并改變了人們的工作方式。同時(shí)，工廠(chǎng)中用于凈化和精煉資源及基本產(chǎn)品材料的設備在使用多年后會(huì )老化，因此遠程、自主的調節和控制將大有裨益。一種可能的解決方案是在工廠(chǎng)安裝用于高速無(wú)線(xiàn)通信的邊緣設備，并使用基于云的自主控制AI來(lái)動(dòng)態(tài)控制設備。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(chǎng)^*2的現場(chǎng)測試中，FKDPP連續35天成功地控制了使用現有PID^*3和APC^*4控制技術(shù)難以實(shí)現自動(dòng)化、因而只能手動(dòng)執行的過(guò)程。FKDPP和云與5G的結合，具有低延遲和連接大量設備的能力，有望成為實(shí)現工業(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(jìn)行了演示測試，以驗證是否可以通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò )在云端使用FKDPP控制三罐液位控制系統^*5。在測試中，設定了目標水位，進(jìn)行了低速到高速控制循環(huán)的測試，并確認了移動(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）相對于目標水位的超調更少，且3）能夠處理短至0.2秒的控制周期，從而實(shí)現更好的控制，以獲得更穩定的質(zhì)量和更高的能效。

未來(lái)5G、云和AI在工業(yè)自主化方面的應用

自2019年以來(lái)，橫河電機一直在倡導工業(yè)自動(dòng)化到工業(yè)自主化（IA2IA）的概念，旨在將5G技術(shù)應用于遠程工廠(chǎng)控制。它將與DOCOMO、客戶(hù)協(xié)作，繼續實(shí)施旨在促進(jìn)向工業(yè)自主化轉變的先進(jìn)舉措。

DOCOMO將繼續增強和發(fā)展其網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，創(chuàng )建適合特定客戶(hù)需求的先進(jìn)網(wǎng)絡(luò )，并為各種公共和私人目的開(kāi)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(dòng)化聯(lián)盟 （5G-ACIA）的成員，致力于5G的工業(yè)應用，并將繼續評估5G在遠程、工廠(chǎng)自主運營(yíng)中的使用。兩家公司在多個(gè)客戶(hù)工廠(chǎng)進(jìn)行演示，并檢驗長(cháng)期使用過(guò)程中的通信可靠性和延遲相關(guān)問(wèn)題，努力實(shí)現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果。

公司評語(yǔ)

長(cháng)谷川健司，橫河電機株式會(huì )社副總裁兼橫河電機產(chǎn)品本部本部長(cháng)：

“我們的自主控制AI不僅可用于流程工業(yè)，還可用于工廠(chǎng)自動(dòng)化的某些流程，如加熱流程。它可以用于現有控制技術(shù)無(wú)法應用的領(lǐng)域，與現有技術(shù)相比，可以實(shí)現更短的穩定時(shí)間，并防止超調?？傮w而言，其優(yōu)勢包括提高生產(chǎn)力，并為實(shí)現更可持續發(fā)展的社會(huì )做貢獻。通過(guò)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(chǎng)車(chē)間的實(shí)際操作控制相結合。盡管無(wú)線(xiàn)通信已在工廠(chǎng)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(hù)協(xié)作，實(shí)施這一前沿舉措，將引領(lǐng)向工業(yè)自主化的轉型?！?/p>

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

“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(mén)轉型。演示表明，低延遲5G通信有助于提高工廠(chǎng)遠程控制操作的準確性，預計這將大大促進(jìn)加工和其他類(lèi)制造的可持續生產(chǎn)力。DOCOMO將與橫河電機、合作伙伴一起，繼續為流程工業(yè)的各種工作場(chǎng)所開(kāi)發(fā)5G及其他移動(dòng)通信環(huán)境，以克服挑戰并創(chuàng )造新價(jià)值?！?/p>

*1 FKDPP AI算法使用強化學(xué)習技術(shù)，可應用于各種控制應用，包括那些無(wú)法通過(guò)現有控制方法（如PID控制或APC）實(shí)現自動(dòng)化的應用，以實(shí)現傳統上具有挑戰性的同步目標，如高質(zhì)量和能效（詳見(jiàn)附件）。

*2 請參見(jiàn)新聞（橫河電機和JSR公司使用人工智能連續35天對化工廠(chǎng)進(jìn)行自主控制，開(kāi)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)的基礎設施控制技術(shù)，用于控制數量、溫度、液位、壓力和成分等因素。它根據當前值和設定值之間的偏差，基于P、I、D計算，實(shí)現針對目標值的控制。在某些情況下，由于數學(xué)表達式的特性，某個(gè)值可能會(huì )超過(guò)（超調）設定值，或者需要時(shí)間來(lái)解決以避免超調。

*4 先進(jìn)過(guò)程控制使用數學(xué)模型來(lái)預測過(guò)程響應，并為PID控制回路實(shí)時(shí)提供設定值，以提高生產(chǎn)率、質(zhì)量和可控性。先進(jìn)過(guò)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，并節約能源。利用APC可以減小數據偏差，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(cháng)應對流體的快速蒸發(fā)、類(lèi)似的化學(xué)反應、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，用于培訓和實(shí)驗，涉及調節從一個(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)于橫河電機集團

橫河電機為能源、化工、材料、制藥和食品等多個(gè)行業(yè)的客戶(hù)提供測量、控制和信息領(lǐng)域的先進(jìn)解決方案。橫河電機通過(guò)數字化技術(shù)的有效應用，幫助客戶(hù)解決日益復雜的生產(chǎn)、資產(chǎn)和供應鏈優(yōu)化等問(wèn)題，實(shí)現向自主運營(yíng)的過(guò)渡。橫河電機于1915年在東京成立，擁有17,500多名員工。它通過(guò)遍布61個(gè)國家的119家公司的全球網(wǎng)絡(luò )，致力于實(shí)現可持續發(fā)展的社會(huì )。

關(guān)于NTT DOCOMO

NTT DOCOMO是日本領(lǐng)先的移動(dòng)運營(yíng)商，擁有超過(guò)8,300萬(wàn)用戶(hù)，是全球3G、4G和5G移動(dòng)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(lái)越多的實(shí)體（“+d”合作伙伴）協(xié)作，挑戰新的領(lǐng)域，創(chuàng )造激動(dòng)人心、便捷的增值服務(wù)，改變人們的生活和工作方式。根據2020年及以后的中期計劃，DOCOMO正在開(kāi)拓領(lǐng)先的5G網(wǎng)絡(luò )，以促進(jìn)創(chuàng )新服務(wù)，給客戶(hù)帶來(lái)驚喜和啟發(fā)，超越客戶(hù)的預期。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(guò)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（在固定周期內發(fā)送和接收的數據量）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

4. 結果

經(jīng)證實(shí)，與4G相比，5G提供（1）更低的延遲，（2）能夠以更少的超調來(lái)執行控制操作，尤其是在使用高速控制時(shí)。還確認了（3）可以在短至0.2秒的控制周期內操作?？傮w而言，5G可以實(shí)現更好的控制，有助于實(shí)現更穩定的質(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是階乘內核動(dòng)態(tài)策略規劃(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(gè)可用于工廠(chǎng)管理的基于強化學(xué)習的AI^*1。

FKDPP提供以下主要優(yōu)勢：

· 可用于各種控制，包括無(wú)法通過(guò)現有控制方法（PID 控制或 APC）實(shí)現自動(dòng)化的應用，使工程師能夠實(shí)現傳統上難以同時(shí)實(shí)現的復雜目標，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)量和更短的穩定時(shí)間方面提高了生產(chǎn)率。

· 簡(jiǎn)單，因為它需要較少的學(xué)習，不需要加載標記的數據。

· 相對容易解釋AI的工作原理。

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

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(gè)工廠(chǎng)的潛力。同年，在大阪2020年測量展覽會(huì )（由日本電氣測量?jì)x器制造商協(xié)會(huì )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。盡管可以采用傳統的PID控制技術(shù)來(lái)控制系統，但事實(shí)表明，FKDPP可以將穩定時(shí)間減少50%到70%，同時(shí)還可以防止超調。2022年2月，橫河電機成功利用該技術(shù)連續35天控制實(shí)際化工廠(chǎng)，開(kāi)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(chǎng)模型控制的階乘內核動(dòng)態(tài)策略規劃（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)研究團體和技術(shù)標準化機構，總部位于美國，在160多個(gè)國家擁有40多萬(wàn)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(chǎng)控制的可擴展強化學(xué)習）, 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