導(dǎo)語:
隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城市人口不斷增長,以及新型的城鎮(zhèn)化建設(shè),很多地方垃圾圍城的問題正日益嚴(yán)峻。垃圾在填埋過程中會產(chǎn)生大量的臭氣、沼氣和二氧化碳以及大量的細(xì)菌病毒等微生物,會對人居環(huán)境產(chǎn)生惡劣的影響,高效的做法是將垃圾通過現(xiàn)代化焚燒技術(shù),實(shí)現(xiàn)無害化,同時(shí)焚燒余熱還可供發(fā)電,既環(huán)保有效、又能變廢為寶。根據(jù)《“十三五”全國城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》,生活垃圾焚燒比例將由 2015 年的 28.6%提升至 2020 年的 50%。預(yù)計(jì)“十三五”期間垃圾焚燒建設(shè)市場規(guī)模將高達(dá)兩千億。
對于垃圾焚燒企業(yè)來說,垃圾的成分變化多端,如何提升焚燒控制的穩(wěn)定性,是一個(gè)重要的技術(shù)挑戰(zhàn)。焚燒工程師通過調(diào)節(jié)焚燒爐的各種參數(shù),確保垃圾焚燒充分、蒸汽量穩(wěn)定,一方面減少鍋爐設(shè)備受損,另一方面可以更穩(wěn)定發(fā)電并降低煙氣污染物的排放。但是,每天的生活垃圾不一樣,成分也很復(fù)雜,一年四季受溫度和濕度影響不斷變化,要做到穩(wěn)定的燃燒很不容易。
長久以來,焚燒控制主要依賴于人的判斷,靠的是經(jīng)驗(yàn)積累。老師傅經(jīng)驗(yàn)豐富,通過調(diào)節(jié)鍋爐溫度和進(jìn)風(fēng)大小,就可以讓垃圾焚燒得更充分;年輕師傅經(jīng)驗(yàn)少,容易出現(xiàn)判斷失誤的問題,穩(wěn)定性就差很多。此外,老師傅如果出現(xiàn)身體和精神狀態(tài)不佳,影響工作狀態(tài),也會有判斷失誤的狀況。人工智能的參與,提供了很多想象的空間。
正文
瀚藍(lán)環(huán)境股份有限公司(簡稱瀚藍(lán)環(huán)境)是一家專注于環(huán)境服務(wù)產(chǎn)業(yè)的上市公司。公司擁有22個(gè)生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目,日生活垃圾焚燒發(fā)電總規(guī)模33100噸。僅是廣東佛山南海廠區(qū)的六臺焚燒鍋爐,每天就能“消化”近3000噸垃圾,發(fā)電150萬度,足以滿足南海區(qū)16萬戶40萬人的生活用電需求。
雖說垃圾焚燒發(fā)電是朝陽產(chǎn)業(yè),市場潛力巨大,但過去多年,進(jìn)一步提升垃圾焚燒穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù),一直沒有突破。
瀚藍(lán)環(huán)境固廢事業(yè)部信息管理部總監(jiān)趙浩表示,整個(gè)垃圾焚燒發(fā)電的過程,主要是靠鍋爐師傅通過調(diào)節(jié)焚燒爐的各種參數(shù),盡量做到讓垃圾的燃燒更充分、蒸汽更穩(wěn)定。而限制技術(shù)進(jìn)步的最大阻礙,就出在焚燒過程對人工經(jīng)驗(yàn)的過度依賴,這給技術(shù)進(jìn)步帶來諸多障礙。
一是經(jīng)驗(yàn)存在偏差與不穩(wěn)定。不同工藝專家技術(shù)水平參差不齊,調(diào)出來的效果相差較大。此外,現(xiàn)場人員難以長時(shí)間集中精力觀察參數(shù)變化,導(dǎo)致焚燒爐無法發(fā)揮到最佳狀態(tài),垃圾焚燒的穩(wěn)定性不足。
二是經(jīng)驗(yàn)難以固化與傳承。經(jīng)驗(yàn)都存在老師傅的腦袋里。培養(yǎng)一位合格的工藝專家需要 1-2年的時(shí)間,一旦離崗,經(jīng)驗(yàn)也隨之帶走,沒有任何積累留給新人。而培養(yǎng)一名新員工直到上崗,則要耗費(fèi)大量精力與時(shí)間。長時(shí)間的大強(qiáng)度勞動,也加劇了工人的流失。
此外,經(jīng)驗(yàn)還存在天花板。即便再有經(jīng)驗(yàn)的老師傅,也只能做到對一部分參數(shù)的認(rèn)知,而整個(gè)垃圾焚燒過程涉及上千種參數(shù),遠(yuǎn)超出人腦的計(jì)算與理解能力。
引入AI:數(shù)據(jù)+模型+經(jīng)驗(yàn)=最優(yōu)參數(shù)推薦
為擺脫對經(jīng)驗(yàn)的過度依賴,瀚藍(lán)環(huán)境意識到更高效的數(shù)字化手段是可行辦法。通過將經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)中的隱性知識轉(zhuǎn)化為顯性知識,并嵌入到機(jī)器中,讓機(jī)器協(xié)助人類來完成復(fù)雜焚燒過程的復(fù)雜決策與控制。但擺在眼前的問題是,垃圾焚燒領(lǐng)域鮮有數(shù)據(jù)科學(xué)家,懂行業(yè)機(jī)理模型的數(shù)據(jù)科學(xué)家更是鳳毛麟角,行業(yè)算法處于空白。于是,瀚藍(lán)環(huán)境找到阿里云工業(yè)大腦團(tuán)隊(duì),希望借助其在數(shù)據(jù)與算法上的優(yōu)勢,加之與瀚藍(lán)環(huán)境專家經(jīng)驗(yàn)結(jié)合,共同開發(fā)垃圾焚燒工藝優(yōu)化算法,優(yōu)化垃圾焚燒的穩(wěn)定性。
工業(yè)大腦落地場景的選擇至關(guān)重要。數(shù)據(jù)可用性、風(fēng)險(xiǎn)可控、可實(shí)施、高收益與可復(fù)用是選擇優(yōu)先場景需要考慮的關(guān)鍵因素。
垃圾焚燒發(fā)電主要包括垃圾推料、垃圾焚燒、煙氣處理、污水處理、汽輪機(jī)發(fā)電五個(gè)環(huán)節(jié)。雙方團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多輪溝通,最終選擇先以垃圾推料(將垃圾在最佳時(shí)間送入焚燒爐,達(dá)到充分燃燒)做為切入點(diǎn)。原因就在于這個(gè)環(huán)節(jié)已經(jīng)具備一定數(shù)據(jù)基礎(chǔ) (系統(tǒng)已接入上千個(gè)實(shí)時(shí)測點(diǎn),瀚藍(lán)環(huán)境也是目前國內(nèi)垃圾焚燒行業(yè)同類測點(diǎn),數(shù)據(jù)量積累最多的公司之一)、且該環(huán)節(jié)依靠人工操作,AI發(fā)揮空間大,并且各電廠面臨的問題是共性的,復(fù)制性強(qiáng)。
明確了落地場景,瀚藍(lán)環(huán)境與阿里云大數(shù)據(jù)專家開始共同制定垃圾焚燒優(yōu)化的方案思路,整個(gè)過程好比一個(gè)菜譜的開發(fā)過程,包括精選食材、調(diào)試配方、反復(fù)試菜、直到最終菜譜的生成。
第一步:關(guān)鍵參數(shù)識別 (選擇食材)
垃圾焚燒的全過程充斥著復(fù)雜的物理與化學(xué)變化,涉及多達(dá)2000+個(gè)實(shí)時(shí)測點(diǎn)數(shù)據(jù),因此需要過濾出對焚燒穩(wěn)定性影響最大的關(guān)鍵參數(shù)。通過歷史數(shù)據(jù)分析與專家經(jīng)驗(yàn),識別出包括推料行程、推料動作、一次風(fēng)量、一次風(fēng)壓、二次風(fēng)量、爐膛溫度、煙氣含氧量、主蒸汽壓力等多達(dá)30個(gè)測點(diǎn)數(shù)據(jù),用于下一步的分析與模型訓(xùn)練。
第二步:模型訓(xùn)練 (調(diào)試配方)
鎖定關(guān)鍵參數(shù)后,接下來輸入到工業(yè)大腦平臺上的仿真預(yù)測模型,進(jìn)行垃圾焚燒過程的模型訓(xùn)練,實(shí)時(shí)預(yù)測焚燒產(chǎn)生的蒸汽情況。通過對每次垃圾推料生產(chǎn)的前后關(guān)系分析,比如推料前的爐型狀態(tài),推料動作,以及推料后的焚燒反應(yīng),構(gòu)建數(shù)據(jù)的輸入輸出關(guān)系模型。訓(xùn)練過的焚燒爐蒸汽量仿真預(yù)測模型可以準(zhǔn)確預(yù)測90秒后的蒸汽量,準(zhǔn)確度到達(dá)95%,為后續(xù)推料時(shí)間提供決策依據(jù)。此外,通過歷史有效推料數(shù)據(jù)及專家經(jīng)驗(yàn),建立各關(guān)鍵參數(shù)的特征數(shù)據(jù)與推料時(shí)間的對應(yīng)關(guān)系,在此基礎(chǔ)上結(jié)合蒸汽量預(yù)測值預(yù)判,實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的推料時(shí)間推薦。
第三步:算法輔助決策 (菜譜生成)
該階段, 算法模型分析的結(jié)果通過API接口的方式把推薦工藝參數(shù)實(shí)時(shí)的提供出來。產(chǎn)品配套的人機(jī)交互界面,會直接部署到工廠控制室現(xiàn)場, 可以實(shí)時(shí)的告訴工人,什么時(shí)候該推料,以及如何推料等操作建議。工人只需要按提示直接生產(chǎn)就可以了。
經(jīng)過數(shù)月的密集研發(fā)和測試,雙方團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了首個(gè)AI垃圾焚燒優(yōu)化方案,結(jié)合瀚藍(lán)掌握的海量垃圾焚燒數(shù)據(jù),AI可以進(jìn)行更精準(zhǔn)更穩(wěn)定的監(jiān)測、預(yù)判和及時(shí)調(diào)整。結(jié)果發(fā)現(xiàn),過去操作員4個(gè)小時(shí)內(nèi)需要操作30次,才能讓垃圾焚燒過程保持穩(wěn)定,而如今在AI的協(xié)助下,干預(yù)6次即可。而且工業(yè)大腦輔助人的方式對比單純?nèi)斯げ僮鳎到y(tǒng)可以提升約1%~2%的蒸汽產(chǎn)量,鍋爐蒸汽量穩(wěn)定性提升20%。
接下來, 垃圾焚燒爐AI平臺將完成以下三項(xiàng)任務(wù):
第一,從局部試驗(yàn)到全局復(fù)制
當(dāng)前, 工業(yè)大腦還只是在局部范圍內(nèi)嘗試,僅在幾臺鍋爐上進(jìn)行驗(yàn)證。很快,算法模型將被復(fù)用到公司的近百座焚燒爐上,讓每一座鍋爐都能獲得AI“手把手”的操作指導(dǎo)。此外,AI既然能在焚燒環(huán)節(jié)取得效果,一定還存在很多應(yīng)用場景等待挖掘。
第二,打通決策到執(zhí)行的最后一公里
算法將會直接與鍋爐系統(tǒng)連接,實(shí)現(xiàn)對垃圾焚燒過程的自動控制。由過去的人控制機(jī)器轉(zhuǎn)為人監(jiān)測機(jī)器,無需人工干預(yù),進(jìn)一步降低對人工經(jīng)驗(yàn)的依賴。
第三,賦能產(chǎn)業(yè)智能化升級
像瀚藍(lán)環(huán)境這樣的焚燒爐,中國還有近千座。通過將焚燒爐穩(wěn)定優(yōu)化模型沉淀到工業(yè)大腦平臺之上,對全行業(yè)的開放。借助平臺優(yōu)勢拉低人工智能的門檻,讓全中國的焚燒爐都能享受到智能帶來的紅利。目前,在阿里云與浙江省能源集團(tuán)的合作中,AI垃圾焚燒優(yōu)化方案已實(shí)現(xiàn)蒸汽量1.8%提升,可為企業(yè)每年增加百萬元利潤。
阿里云研究院高級戰(zhàn)略專家王岳表示,越是看似離AI技術(shù)遙遠(yuǎn)的行業(yè),一旦與其發(fā)生化學(xué)反應(yīng),所產(chǎn)生的能量將會是巨大的。在未來相當(dāng)長的時(shí)間,行業(yè)內(nèi)專家與行業(yè)外數(shù)據(jù)科學(xué)家的跨界組合將會是推動工業(yè)智能落地的關(guān)鍵力量。但這還不夠,工業(yè)智能未來一定是朝著平臺化發(fā)展的。平臺x(數(shù)據(jù)+算法)的互聯(lián)網(wǎng)模式所產(chǎn)生的杠桿效應(yīng),可以支撐工業(yè)智能應(yīng)用以百倍速復(fù)制, 最終撬動整個(gè)產(chǎn)業(yè)的數(shù)智化轉(zhuǎn)型。
文:王岳、雙宏、巢恬逸
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