Yokogawa и DOCOMO успешно провели испытания технологии удалённого управления с использованием 5G, облачных технологий и ИИ

Токио, Япония - 30 мая 2022

Yokogawa Electric Corporation
NTT DOCOMO INC.

Yokogawa Electric Corporation (TOKYO: 6841) и NTT DOCOMO, INC. (DOCOMO) ) сегодня сообщили об успешном проведении испытаний пилотного проекта технологии удалённого управления для перерабатывающих предприятий. Испытания пилотного проекта включали использование облачной среды для автономного управления с помощью искусственного интеллекта – алгоритма Factorial Kernel Dynamyc Policy Programming (FKDPP)*1 разработанного Yokogawa совместно с Институтом науки и техники Нары (Nara Institute of Science and Technology) – а также сети мобильной связи 5-го поколения (5G), предоставленной компанией DOCOMO. В ходе испытаний – на примере успешного управления работой смоделированного перерабатывающего предприятия – было успешно продемонстрировано, что сети 5G подходят для удалённого управления реальными технологическими процессами.

Сформировавшаяся в последние годы тенденция располагать производственные объекты в удалённых или опасных для человека зонах стимулирует рост потребности в удалённой эксплуатации промышленных предприятий и трансформации привычных способов работы. В то же время, характеристики и эффективность оборудования, применяемого на предприятиях для очистки и переработки с целью получения основной продукции, могут снижаться в результате длительной эксплуатации, что делает удалённое, автономное регулирование и управление крайне актуальным. Одним из возможных решений является установка на предприятиях периферийных устройств, имеющих возможность высокоскоростного беспроводного обмена данными, а также применение средств ИИ для динамического автономного управления оборудованием, использующих облачные технологии. Ранее Yokogawa уже продемонстрировала, что её алгоритм FKDPP является актуальным решением для автономного управления на основе ИИ. В ходе полевых испытаний на химическом предприятии*2 в феврале этого года данный алгоритм в течение 35 дней успешно управлял технологическим процессом, автоматизация которого средствами ПИД-регулирования*3 и СУУТП*4 была проблематичной, и управление которым осуществлялось вручную. Сочетание FKDPP и облачных сервисов с технологией 5G, имеющей малое время запаздывания и возможность подключать большое количество устройств, имеет все шансы стать одной из ключевых технологий для достижения промышленной автономии.

PoC overview
Обзор пилотного проекта
Zoom

После заключения соглашения между Yokogawa и DOCOMO, о чём было объявлено 14 апреля 2021 года, были проведены демонстрационные испытания с целью проверки, может ли алгоритм FKDPP, реализованный в облаке и подключенный через 5G, управлять системой регулирования уровня в трёх резервуарах*5. Был задан целевой уровень воды, проведены испытания с циклами регулирования различного быстродействия, а также проверено воздействие задержек в мобильной связи на работу FKDPP. Испытания показали, что по сравнению с 4G – в особенности для высоких скоростей регулирования – технология 5G обеспечивает 1) малое запаздывание, 2) более низкое перерегулирование относительно целевого уровня воды, и 3) способность выполнять регулирование с продолжительностью цикла всего лишь 0,2 секунды, тем самым обеспечивая лучшую управляемость и – как следствие более стабильное качество и высокую энергоэффективность.

 Envisioned future application of 5G, cloud, and AI for industrial autonomy
Потенциальное будущее применение 5G, облачных сервисов и ИИ для промышленной автоматизации
Zoom

Начиная с 2019 года Yokogawa развивает концепцию перехода от промышленной автоматизации к промышленной автономии (IA2IA), и в русле этого рассчитывает применять технологию 5G для удалённого управления технологическими установками. В рамках сотрудничества с компанией DOCOMO, вместе со своими заказчиками она продолжит реализовывать высокотехнологичные инициативы, которые должны ускорить переход к промышленной автономии.

Компания DOCOMO продолжает совершенствовать и развивать свои сетевые технологии, создавать высокотехнологичные сети, создаваемые в соответствии со специфическими потребностями конкретных заказчиков, а также развивать решения 5G для разнообразных общественных и частных задач.

Обе компании – Yokogawa и DOCOMO – являются членами альянса 5G-ACIA, созданного для развития промышленных приложений для 5G, и планируют продолжать работу по оценке применения связи 5G для удалённой автономной эксплуатации предприятий. Реализуя демонстрационные проекты на различных предприятиях заказчиков и исследуя вопросы надёжности и запаздывания при обмене данными при долгосрочной эксплуатации, компании будут стремиться к достижению автономного управления, опирающегося на 5G и средства ИИ. Альянс 5G-ACIA планирует обнародовать результаты этих демонстрационных испытаний на выставке Hannover Messe 2022*6 в период с мая 30 по 02 июня 2022 года.

Комментарии представителей компаний

Кендзи Хасегава, вице-президент и руководитель штаб-квартиры по продукции Yokogawa, «Иокогава Электрик Корпорэйшн»:

«Наш ИИ для автономного управления может найти применение не только в перерабатывающей отрасли, но и в некоторых процессах автоматизированного производства, например, технологического нагрева. Он может применяться в тех областях, где не могут быть использованы существующие технологии управления, позволяет достичь сокращения времени установления по сравнению с существующими технологиями и предотвращает перерегулирование. В общем, ощутимые выгоды включают повышение производительности и вклад в становление устойчивого общества. Благодаря предоставлению данных о производстве, складских запасах, спросе и других аспектах в распоряжение размещённого в облаке ИИ для автономного управления, станет возможным соотносить решения на уровне общего управления предприятием с конкретными управляющими действиями на уровне производственного оборудования. Хотя беспроводные средства обмена данными применяли на предприятиях и ранее, наше инновационное решение использует для работы с ИИ в облаке связь 5G. Реализуя эту передовую инициативу в сотрудничестве с DOCOMO и нашими заказчиками, мы стремимся управлять этим переходом к промышленной автономии».

Хисаказу Цубоя, Старший вице-президент и генеральный менеджер департамента бизнеса 5G и Интернета вещей, «NTT DOCOMO»: 

«DOCOMO помогает трансформировать промышленный сектор, применяя самые передовые технологии и разнообразные мобильные решения. Пилотный проект показал, что связь 5G с малым запаздыванием помогает повысить точность удалённого управления на предприятиях, что должно внести значительную лепту в построение устойчивого производства на предприятиях перерабатывающего сектора и других производствах. DOCOMO, совместно с Yokogawa и другими партнёрам, продолжит развивать 5G и другие мобильные среды для обмена данными с целью применения на производственных площадках перерабатывающей отрасли, решая существующие проблемы и создавая новую ценность».

*1 FKDPP – алгоритм ИИ, использующий технологию обучения с подкреплением, может быть применён для самых различных задач управления, включая такие, которые невозможно автоматизировать, используя существующие методы управления, такие как ПИД-регулирование или СУУТП. Подобные задачи традиционно вызывают сложности, так как требуют одновременного достижения нескольких целей, например, обеспечения высокого качества и повышения энергоэффективности (см. подробности в приложенном материале).
*2 См. пресс-релиз (Впервые в мире Yokogawa и JSR используют искусственный интеллект для автономного управления химическим заводом в течение 35 дней подряд: https://www.yokogawa.com/cis/news/press-releases/2022/2022-03-22/
*3 Пропорционально-интегрально-дифференцирующее регулирование, впервые предложенное Николаем Минорским в 1922 году, представляет собой технологию управления оборудованием для перерабатывающих отраслей промышленности, применяемую для управления такими технологическими переменными, как количество, температура, уровень, давление и состав. Эта технология реализует управление, рассчитывая пропорциональный, интегрирующий и дифференцирующий параметры для коррекции отклонения между текущим и заданным значениями переменной. В некоторых случаях, в зависимости от конкретной реализации математических выражений, регулируемая величина переменной может превысить заданное значение (перерегулирование), или может потребоваться дополнительное время для стабильного выхода на целевое значение без перерегулирования.
*4 Система усовершенствованного управления технологическим процессом использует математическую модель для прогнозирования реакции технологического процесса и передаёт целевые значения («уставки») в контур ПИД-регулирования в реальном времени для повышения производительности, качества и управляемости. Они успешно применяются в задачах управления для повышения объёма производства, сокращения трудозатрат и энергосбережения. СУУТП обеспечивает меньшее отклонение величин, позволяя максимально приблизиться к границам эксплуатационных режимов (т.е. оптимальной эффективности), однако такая система не подходит, когда требуется реакция на быстро изменяющиеся условия, такие как быстрое испарение жидкостей и подобные химические реакции, существенные изменения состава материалов, а также изменения в характеристиках оборудования.
*5 Система управления уровнем в трёх резервуарах, используемая для обучения и экспериментов, включающая регулирование расхода воды при перекачке из одного резервуара в другой с целью управления уровнем воды в самом нижнем резервуаре.
*6 Одна из крупнейших мировых международных выставок промышленных технологий, участие в которой в 2019 году приняли около 6500 компаний и 220 000 человек. https://www.hannovermesse.de/en/

 

О компании Yokogawa

Yokogawa предлагает передовые решения в области измерения, контроля и информации для партнеров из широкого спектра отраслей, включая энергетику, химическую промышленность, производство материалов, фармацевтику и пищевую промышленность. Yokogawa решает проблемы заказчиков, связанные с оптимизацией производства, активов и цепочки поставок за счет эффективного применения цифровых технологий, позволяя переходить на автономные операции.

Основанная в Токио в 1915 году компания Yokogawa постоянно работает над созданием устойчивого общества, опираясь на свою глобальную сеть, которая охватывает 61 страну и включает 119 компаний с 17.500 сотрудников.

Более подробная информация доступна на сайте www.yokogawa.com

 

О компании NTT DOCOMO

NTT DOCOMO, ведущий оператор мобильной связи в Японии с более чем 83 миллионами абонентов, является одним из наиболее значительных участников развития технологий сетей мобильной связи 3G, 4G и 5G. Не ограничиваясь основной сферой предоставления услуг связи, DOCOMO стремится к новым рубежам в сотрудничестве с компаниям-партнёрами, количество которых постоянно увеличивается («партнёры +d»), создавая привлекательные и удобные сервисы с дополнительной ценностью, которые меняют образ жизни и работы людей. В рамках среднесрочного плана до 2020 года и далее, DOCOMO впервые внедряет передовые сети 5G для обеспечения инновационных сервисов, которые будут удивлять и вдохновлять заказчиков, превосходя их ожидания.

https://www.docomo.ne.jp/english/

 

Наименования корпораций, организаций, продуктов, сервисов, а также логотипы, используемые в данной публикации, являются торговыми знаками или зарегистрированными торговыми знаками Yokogawa Electric Corporation, NTT DOCOMO Inc., или соответствующих владельцев.


Обзор пилотного проекта

1. Цель испытания пилотного проекта

Испытания предназначены для проверки перечня операций, управление которыми может быть реализовано через сеть мобильной связи 5G средствами автономной системы на основе ИИ и облачных сервисов. Было проведено сравнение эффективности работы через сеть 4G и 5G по отдельности на предмет величины запаздывания и пропускной способности (объёма передаваемых и получаемых данных в заданный период времени).

2. Подробные сведения

Цель управления

Уровень воды в системе регулирования уровня с тремя резервуарами

AI

ИИ для автономного управления (алгоритм FKDPP)

Используемые технологии

Yokogawa:
  • Периферийные устройства: e-RT3 Plus
  • Облачная среда для применения ИИ для автономного управления: Yokogawa Cloud, платформа интернета вещей (IoT) и промышленной трансформации
DOCOMO:
  • 5G (общедоступная) и 4G (LTE)
  • 5G/4G (LTE) маршрутизатор (SH-52A)

Метод управления

  • ИИ для автономного управления был реализован в облачной среде
  • Периферийное устройство получало значения от датчиков, установленных в системе регулирования уровня с тремя резервуарами, а затем передавало эти значения по беспроводному каналу в ИИ-систему в облаке
  • ИИ для автономного управления в облаке проверял значения показаний приборов, определял состояние системы регулирования уровня с тремя резервуарами и принимал решение о необходимой величине управляющего воздействия на регулирующий клапан
  • ИИ, размещённый в облаке, по беспроводному каналу передавал рабочие значения для регулирования клапана периферийному устройству, которое пересылало эти сигналы регулирующему клапану в системе управления уровнем с тремя резервуарами
  • Клапан отрабатывал соответствующее рабочее значение
(Испытание корректировки уровня воды происходило с использованием низко- и высокоскоростной среды)

Период проведения испытаний

С 14 апреля 2021 года по 26 апреля 2022 года

3. Роль каждой из компаний

Yokogawa
  • Предоставление и управление тестовой средой, включая ИИ для автономного управления в облаке
  • Сравнение эффективности 4G (LTE) и 5G и оценка воздействия запаздывания на удалённое управление
DOCOMO
  • Предоставление сред обмена данными: 4G (LTE) и 5G
  • Изучение и оптимизация сред обмена данными во время выполнения задач управления

4. Результаты

Было подтверждено, что по сравнению с 4G, 5G (1) даёт меньшее запаздывание и (2) позволяет осуществлять управление с меньшим перерегулированием, в особенности в случае управления с высоким быстродействием. Было подтверждено, что (3) управление можно осуществлять с циклом управления всего лишь 0,2 секунды. В целом, 5G может обеспечить более высокое качество управления, более стабильное качество и более высокую энергоэффективность.

5. Об ИИ для автономного управления (алгоритм FKDPP)

ИИ, использованный в данных испытаниях, реализован в виде алгоритма Factorial Kernel Dynamic Policy Programming (FKDPP), который был совместно разработан «Иокогава Электрик Корпорэйшн» совместно с Институтом науки и техники Нары (NAIST) в 2018 году. Этот алгоритм был признан Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) первой в мире реализацией ИИ на основе обучения с подкреплением с возможностью использования для управления технологической установкой*1.

Применение FKDPP несёт следующие ключевые преимущества::

  • Возможность применения для всех видов управления, включая приложения, которые невозможно автоматизировать существующими методами (ПИД-регулирование или СУУТП), позволяя инженерам достигать несколько целей одновременно, что традиционно являлось проблематичным, например, высокое качество и энергоэффективность.
  • Улучшение производственных показателей в части повышения качества, улучшения энергоэффективности, увеличения выхода продукции и сокращения времени стабилизации.
  • Простота, поскольку алгоритму требуется меньше обучения и вовсе не нужна предварительная обработка данных.
  • Относительная простота в объяснении принципов работы ИИ.
  • Обеспечение такого же уровня безопасности, что в традиционных системах (высокая стабильность и возможность интеграции с существующими системами управления производством).

В апреле 2020 года Yokogawa использовала имитационную модель*2 для подтверждения того, что её ИИ для автономного управления обладает потенциалом для управления целым заводом. В тот же год в рамках выставки Measurement Exhibition 2020 OSAKA (организованной Японской ассоциацией производителей электрических измерительных приборов), компания продемонстрировала, как этот ИИ может автономно управлять системой регулирования с тремя резервуарами. Хотя такой системой можно управлять и с помощью традиционной технологии ПИД-регулирования, было показано, что FKDPP может сократить время установления на 50% - 70%, при этом не допуская перерегулирования. В феврале 2022 года Yokogawa первой в мире успешно применила эту технологию для управления установкой на реальном химическом предприятии в течении 35 дней подряд.

*1 Factorial Kernel Dynamic Policy Programming for Vinyl Acetate Monomer Plant Model Control (August 2018) https://ieeexplore.ieee.org/document/8560593/ Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) является научной исследовательской группой и организацией по стандартизации технологий в области электротехники и электроники. Штаб-квартира организации располагается в США; количество сотрудников по всему миру превышает 400 000 более чем, в 160 странах.
*2 Scalable Reinforcement Learning for Plant-wide Control of Vinyl Acetate Monomer Process, Control Engineering Practice, Volume 97 (April 2020)  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0967066120300186

Related Products & Solutions

  • AI Product Solutions

    We have been solving customers’ issues in many industries using our AI. Utilizing our analysis experience and elemental technologies, we can offer a lineup of easy-to-use AI products. AI functions such as predictive detection and future prediction can be easily applied, and operation efficiency is improved.

    Узнать больше

Наверх