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.

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.

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

3. Роль каждой из компаний

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 30% - 50%, 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