京东数科用AI优化火力发电 比Alpha Go围棋问题还复杂

能源一向是世界经济的重要话题。自今年以来,欧佩克达成减产协议,美国对委内瑞拉持续施压,伊朗遭遇“禁油令”,俄罗斯财政部也宣布将石油出口税自6月1日起上调5.8美元,能源表现出越来越贵的态势。 然而在中国,一场另辟蹊径的能源利用创新却正在悄悄进行……

首先,我们来做一道数学题:

2017,中国用掉了近6.3万亿度电,

其中约4万亿度电来自燃煤发电,

为此中国每年都要烧掉17亿吨煤。

全国有超过1000家火电厂,

如果把这些火电厂的锅炉热效率提升,

一年可以节省多少煤?

可以给子孙后代多发多少度电?

现在,人工智能已经告诉我们答案。

2019年3月14日,国家能源集团南宁电厂的集控室里来了很多人,有前来验收项目成果的专家鉴定组,有北京华电天仁电力控制技术有限公司和国电广西公司的领导,南宁电厂的多位领导及专工,还有心情紧张的京东数字科技Alpha电项目组成员们……

在专家的见证下,电厂集控室操作人员按照京东数字科技Alpha电算法的推荐值进行操作,一段时间后,锅炉热效率有所提高。

鉴定组的一位专家表示结果超出了预期,建议向全国范围内推广。

不能小看这0.3%-0.5%的提升,这是在火力发电技术高度成熟的基础上实现的新提升。0.5%的效率提升可以帮助一台60万千瓦火电机组一年节省燃煤3600吨,如果全国推广,每年可以为国家节约70亿元 的燃煤消耗和污染治理费。

站在一旁的京东数字科技Alpha电项目组产品经理亮亮抑制不住内心的激动,脑海中浮现着过去一年:往返北京广西多次的漫长路途,无数次客户需求的沟通,在南宁电厂一天16小时的值守,从零开始搭建的算法模型……

火力发电是我国主要的电力来源。

前无古人的试验:他们想用AI改造发电

在我国,火力发电量占据总发电量的70%以上,如何用更少的煤,发更多的电,同时排放更少的污染物,实现火力发电效率的优化,是电力行业长期以来的需求。

但这件事,很少有人用大数据和人工智能的方法去做,谁也不知道这套系统怎么设计,更何况,在已经十分成熟的发电控制系统基础上做到优化,是一个令人挠头的问题。

“无论如何,咱们得先理解火力发电的原理不是?”Alpha电项目组团队在南宁电厂蹲了两个月,每天住在电厂宿舍里,一出门就是烟囱,条件很艰苦。

“一天要和电厂不同部门、不同职能的10多个工作人员沟通”,亮亮说,他们嘴里说的都是磨煤机、锅炉、阀门这些专业用语,我们需要翻译成算法工程师能听得懂的话,方便他们了解行业,建立模型。

Alpha电项目组和京东数字科技副总裁、京东城市总裁郑宇反复讨论,结论是可不可以借助大数据和AI控制锅炉运行操作,进一步精细化燃煤发电的燃烧过程?根据锅炉工况,送入合适的煤、风,让锅炉自动调节温度和状态,实现提高运行效率、降低污染排放。

这种方法,真的是前无古人,每个人心里其实都在打鼓。

“没想到,锅炉优化问题比Alpha Go围棋问题还复杂”

与AlphaGo解决的围棋问题相比,火电燃烧优化问题更难。AlphaGo解决的围棋问题中涉及优化361个离散变量(白子、黑子、无子三个状态),然而火电锅炉燃烧优化问题中涉及上百个风门阀门的开度控制,例如某个阀门开度20%和开度22%都可能对机组运行带来非常不同的影响。

再加上锅炉不停运转磨损,运行一段时间的锅炉和之前的状态也不一样,数据也就不一样。如何在连续变量存在的情况下,精准控制锅炉运行,这是一大难点。

另一个难点,就是数据。

“Alpha Go在做第一版的时候,买了上千万的棋谱来学习,数据量十分庞大,模型可以在这些数据中得到很好的训练。但我们只能从电厂拿到两年的数据,有些数据因为机组停机还无法使用”,Alpha电项目组组长仙园介绍说。

锅炉发电的状态监测点有数千个,主要控制变量有上百个,如何用仅两年的参考数据来制定复杂的算法优化方案?需要根据真实数据构建锅炉燃烧模拟环境,不断优化。

电厂系统的专业度比较高,数据量非常大,有时候导出全量数据甚至需要花费数周时间,必要的时候甚至要请电力领域的技术专家来帮忙。

几个月时间,数据终于完成了标准化和业务逻辑的梳理,接下来,就是模型搭建、反复改进测试的阶段,这个阶段是最艰苦的。因为锅炉是一个特种设备,里面有各种各样的安全限制条件,不是说下围棋,一个人下就行了,大不了输了,锅炉有大量超温超压等安全限制条件。

亮亮对这段经历依然记忆犹新,在系统试验阶段,电厂的员工24小时3班倒,8小时换一批岗。京东数字科技的技术人员跟踪调试,每天跟两个班,16小时扎在集控室里。

“电厂是要24小时正常发电的,不能影响人们的正常生活”,仙园说,为了测试不同发电负荷的模型运行情况,我们经常下午6点以后开始测试,测到夜里十二点,发现了一个问题,现场和公司研发端的同事就要熬夜改,用最快的速度解决问题。

路阻且长,“进一步有一步的欢喜“

“你如果不去深度了解一个行业,不去了解客户的需求,搞一个简单的人工智能算法是根本解决不了问题的。我们花了一年多的时间深扎火力发电行业,就是为了将技术与行业做到最大程度的融合,帮助能源行业降低成本,增加效率”,郑宇表示。

Alpha电项目成功之后,申请了三项国家专利,还在2018年的中国人工智能峰会上获得了创新奖,京东数字科技因此奖励了项目组的每一位成员。

南宁电厂验收成功只是一个开始,如今,Alpha电项目组已经开始研发适用于更多锅炉炉型的优化模型。

“这并不是一个复制粘贴的过程,因为每一个电厂的锅炉构造都有不同“,亮亮说,拿磨煤机这件事来说,有的是“糖炒栗子”模式,用钢球磨煤机把煤磨成粉送进锅炉,还有的是辊式磨煤机,以“石磨面粉”的方式将煤粉碎。与此同时,锅炉内部的燃烧方式也大有不同ﻪ 。如果在更多的电厂验证成功, AI火力发电的算法就可以充分证明其可复制性。

“也有很累很累到坚持不下去的时候”,仙园说,但节能降耗,是电力行业造福千秋万代的愿景。我们走到产业中去,让科技的力量发挥在最需要的地方,换来的一定是天蓝水清的美好世界。离产业近一点,再近一点,让产业的发展更加数字化、智能化,这是一家数字科技公司永远应该保持的初心。

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