1 前言
除了設(shè)施建設(shè)之外，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(qiáng)化提供遠(yuǎn)程維護(hù)服務(wù)。2014年9月，為遠(yuǎn)程支援工廠操作等服務(wù)，設(shè)立了遠(yuǎn)程服務(wù)中心（RSC：Remote Service Center）。在RSC利用物聯(lián)網(wǎng)，裝備了遠(yuǎn)程支援全國工廠的系統(tǒng)“JFE超遠(yuǎn)程?”，開始進(jìn)行運營設(shè)施的支援。并于2018年3月擴(kuò)大了設(shè)施，轉(zhuǎn)向強(qiáng)化安全性功能的全球遠(yuǎn)程中心（GRC：Global Remote Center），并擴(kuò)大了支援范圍。
本文介紹了GRC的遠(yuǎn)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(yuǎn)程支援系統(tǒng)概要
2.1 全球遠(yuǎn)程中心（GRC）
GRC建立了一個專門用于廢棄物處理設(shè)施的遠(yuǎn)程服務(wù)中心RSC，并將其擴(kuò)展到支援本公司建設(shè)的其他工廠的遠(yuǎn)程支援設(shè)施上。此外，該中心還強(qiáng)化了對海外工廠的遠(yuǎn)程支援功能和網(wǎng)絡(luò)安全措施。
在廢棄物處理設(shè)施遠(yuǎn)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(jìn)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(yuǎn)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(yuǎn)程?”，強(qiáng)化支援設(shè)施。
2.2 JFE超遠(yuǎn)程?
“JFE超遠(yuǎn)程?”是由為廢棄物處理設(shè)施提供遠(yuǎn)程支援的設(shè)備和系統(tǒng)構(gòu)成，于2014年9月開始運行。當(dāng)時支援的設(shè)施是2個，現(xiàn)在擴(kuò)大到10個設(shè)施，今后再支援5個設(shè)施，不久將擴(kuò)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(yuǎn)程地同樣可以進(jìn)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(jìn)行了以中央控制室無人操作為目標(biāo)的技術(shù)開發(fā)。
3 利用物聯(lián)網(wǎng)和AI的遠(yuǎn)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(dāng)?shù)幕卮?。該系統(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(xiàn)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(jìn)行記錄管理。運行管理者對這些記錄進(jìn)行確認(rèn)，對專業(yè)術(shù)語、詞典和查詢內(nèi)容進(jìn)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(jìn)行強(qiáng)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(rèn)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(rèn)，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(jìn)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(yán)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(jìn)行干預(yù)操作，使燃燒得到改善。
將操作員進(jìn)行的干預(yù)操作程序化，強(qiáng)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(jìn)行分析，推進(jìn)了干預(yù)操作的自動化。在推進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(rèn)各種數(shù)據(jù)后，將干預(yù)的判斷標(biāo)準(zhǔn)、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(jìn)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(jī)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(kuò)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(rèn)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(jìn)之前增加了40%左右。
此外，對常規(guī)運行和自動運行進(jìn)行了比較評價，以確認(rèn)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(jìn)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，在自動運行中，垃圾的燃燒控制溫度更穩(wěn)定。
在有發(fā)電設(shè)施的廢棄物處理工廠，鍋爐發(fā)生的蒸汽量與燃燒控制溫度密切相關(guān)，所以燃燒控制溫度的穩(wěn)定使蒸汽量也穩(wěn)定，最終使用蒸汽的渦輪發(fā)電機(jī)的發(fā)電也穩(wěn)定。而且，燃燒控制溫度穩(wěn)定，爐內(nèi)的熱量波動少，將降低耐火材料的磨損和損耗。經(jīng)過長期運行，確認(rèn)了焚燒爐自動運行的燃燒穩(wěn)定性。
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