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06蒙西_人工智能赋能城市固废焚烧产业.pdf

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06蒙西_人工智能赋能城市固废焚烧产业.pdf

1、第十次生活垃圾焚烧处理技术与设备研讨会人工智能赋能城市固废焚烧产业汇报人:蒙西依托单位:北京工业大学数字时代下城市固废焚烧城市固废智慧焚烧探索工作基础及研究进展主要内容CONTENTS010203数字时代下城市固废焚烧一、数字时代下城市固废焚烧4数字时代迎接数字时代，激活数据要素潜能，以数字化转型整体驱动生产力方式、生活方式和治理方式变革。充分发挥海量数据和丰富应用场景优势，促进数字技术与实体经济深度融合，赋能传统产业转型升级。十四五规划和2035年远景目标纲要一、数字时代下城市固废焚烧5数字产业化与产业数字化数字产业化是指数据要素的产业化、商业化和市场化。产业数字化是指利用现代数字信息技

2、术、先进互联网和人工智能技术对传统产业进行全方位、全角度、全链条改造，使数字技术与实体经济各行各业深度融合。数字化转型成为推动产业高质量发展、推动我国产业迈向全球价值链中高端的新动能。一、数字时代下城市固废焚烧6人工智能是产业数字化转型的核心驱动力人工智能是研究开发用于模拟、延伸和扩展人类智能的理论、方法、技术及系统的科学，旨在实现对人类复杂智力智慧活动的模仿、替代和拓展，是新一轮科技革命和产业变革的重要驱动力。全球主要发达国家将人工智能作为提升国家竞争力的重要战略。2017-加拿大政府泛加拿大 AI 战略2022-日本政府AI战略2018-德国政府人工智能战略2023-美国白宫AI研发战略计

3、划2018-英国政府人工智能行业新政2019-芬兰政府芬兰的AI时代2017年7月，我国将人工智能上升为国家战略。人工智能已成为数字时代的重要基础设施、关键技术、先导产业以及赋能引擎。一、数字时代下城市固废焚烧7世界城市固废污染状况城市固体废弃物是指人类在生产、消费、生活和其他活动中产生的固态或半固态废弃物质，即“生活垃圾”。93343924682466440602255549070400500600700800固废产生量(百万吨/年)2016年2030年2050年中东和北非撒哈拉沙漠以南地区拉丁美洲和加勒

4、比地区南亚东亚及太平洋地区北美欧洲和中亚全球各地区城市固废产生量及增长预测全球固体废物污染严重截至2021年，全球城市固废年产量已超过20.1亿吨，随着世界人口增长、经济发展和城市化进程的加快，固废产生量2030年将达到25.9亿吨，预计到2050年将达到34亿吨。世界银行固废2.0：全球固废管理2050前瞻一、数字时代下城市固废焚烧8我国城市固废污染状况中国正遭遇固废围城困境中国是世界上城市固废产生量最大的国家之一，2021年全国城市固废清运量2.48亿吨，10年间增长约45%。目前全国城市固废累积堆存量高达80亿吨，占地约5.5亿平方米，“固废围城”已成为民心之痛、民生之患，严重影响中国经

5、济社会可持续发展。一、数字时代下城市固废焚烧9固废污染治理是国家急需解决的重大问题为保护和改善生态环境，保障公众健康，推进生态文明建设，促进经济社会可持续发展，我国制定了固体废物污染环境防治法。国家推行绿色发展方式，促进清洁生产和循环经济发展；固废污染环境防治坚持减量化、资源化和无害化的原则。加快发展方式绿色转型，加快构建废弃物循环利用体系。深入推进环境污染防治，坚持精准治污、科学治污，持续深入打好蓝天、碧水、净土保卫战。中国共产党第二十次全国代表大会报告2022.10.162020年9月1日起施行一、数字时代下城市固废焚烧10城市固废处理方式填埋处理堆肥处理焚烧处理优点：技术成熟、操

6、作简单、处理量大、运行成本较低。缺点：减容量小、占用土地资源多，资源化程度低、存在污染等隐患优点：可以将固废转换为有机肥，同时杀灭有害病菌。缺点：臭气泄露、产肥效率低，引进设备成本高、国产技术不成熟。优点：固废处理速度快、占地面积小、可实现无害化、减量化和资源化。缺点：投资大，成本高，过程控制要求高一、数字时代下城市固废焚烧11城市固废焚烧处理城市固废焚烧可以减少对土地的占用，降低碳排放和二次污染，获得可利用的能源。环境效益、经济效益和社会效益显著，已成为世界各国固体废弃物处理的主要方式。其他，5%5%焚烧，68%68%填埋，27%27%中国(2021年)新加坡(2020年)其他，7%7%焚

7、烧，90%90%填埋，3%3%瑞士(2019年)其他，36%36%焚烧，53%53%填埋，11%11%其他，10%10%焚烧，70%70%填埋，20%20%日本(2021年)数据来源：中国住建部数据来源：新加坡国家环境局数据来源：欧洲环境署数据来源：日本环境省城市固废处理类别及比重(%)一、数字时代下城市固废焚烧12城市固废焚烧处理2025年底，全国城镇生活垃圾焚烧处理能力达到80万吨/日左右，城市生活垃圾焚烧处理能力占比65%左右。十四五”城镇生活垃圾分类和处理设施发展规划2015年，我国城市固废焚烧处理能力超过日本和欧盟跃居世界首位。截止2022年，全国城市固废焚烧处理能力达到87万吨/日

8、。目前，我国运行城市固废焚烧厂数量共计927座。固废焚烧处理能力(万吨/日)38.9147.9866.1971.988730405060708090200212022城市固废焚烧厂在全国的分布情况数据来源：国家统计局城市固废焚烧行业发展面临的共性问题1313一、数字时代下城市固废焚烧城市固废焚烧过程高效运行挑战1414一、数字时代下城市固废焚烧城市固废焚烧过程内嵌着很多递进或并行发生的物理和化学反应，是一个多时空、多要素、开放的复杂动态系统，具有不确定性、强非线性、强耦合及非平稳等特点。蒸汽参数不稳定烟气超标排放异常频发燃烧不完全固废成分多变环境复杂不确定干扰多多相多场耦

9、合反应机理复杂流场温度场浓度场压力场气相固相液相吸热氧化热解传质传热还原全流程无法高效稳定运行城市固废智慧焚烧探索人工智能赋能城市固废焚烧行业1616二、城市固废智慧焚烧探索聚焦城市固废焚烧过程稳定高效运行关键科学问题，研究人工智能前沿基础理论，突破城市固废智慧焚烧关键核心技术，助力城市固废焚烧行业高质量发展。Pareto 前沿前沿经经济济指指标标环环保保指指标标发发酵酵时时间间人工智能前沿基础理论城市固废智慧焚烧新技术迭代迭代更新更新理论理论支撑支撑智能特征建模方法智能特征建模方法动态多目标优化算法动态多目标优化算法自适应预测控制策略自适应预测控制策略烟气污染物实时检测技术烟气污

10、染物实时检测技术全流程优化运行技术全流程优化运行技术关键工艺变量精准控制技术关键工艺变量精准控制技术过程数据特征分析模型建立变量采集智能预测在线校正New dataT1T2T3New dataNew data当前数据ELSTMETTimeData历史数据事件触发控制序列实时调控优化设定优化运行知识挖掘指标模型最优求解过程分析控制策略反馈调节城市固废焚烧过程数据处理1717二、城市固废智慧焚烧探索现场设备层执行机构基于多元回归的数据填充基于经验模态分解的数据去噪基于灰色关联分析的数据重构现场仪表现场控制层远程终端RTU分散控制DCS可编程控制器PLC生产控制层监控显示实时数据通信处理数据管理层加

11、密传输数据库服务器固废池智能化管理1818二、城市固废智慧焚烧探索固废发酵程度识别固废热值智能预测固废池智能监控平台城市固废焚烧过程智能控制1919二、城市固废智慧焚烧探索神经网络自组织设计城市固废焚烧过程设备数据过程数据智能自主控制器最优控制序列数据预处理u数据采集与预处理数据采集与预处理触发条件触发条件事件发生器事件发生器SOLSTM梯度下降梯度下降最小化目标函数最小化目标函数Z-1Z-1.MPCyr事件触发策略事件触发策略Z-1Z-1.y y操作调节增长阶段增长阶段剪枝阶段剪枝阶段初始网络初始网络.城市固废焚烧全流程协同优化运行2020二、城市固废智慧焚烧探索生产过程实时调控动态事件触发

12、机制实时表征调控任务分解调控变量优化设定调控变量精准跟踪划分运行工况确定调控目标确定约束条件及可行域212(CO)=w(CO)(CO)CE+()22(1)(),.,()NOx tw fNOx tO t+=;TT12()()()()()()()J ttttttt=+ryryuu确定调控变量T V%211()/NmijjijxxN=1()/)miiijjrrankrankm=Et=E(,()进化状态评估与预测相似工况最优解迁移城市固废焚烧过程数字孪生系统2121二、城市固废智慧焚烧探索海量虚实数据物理实体虚拟实体感知数据仿真数据交互反馈交互反馈服务平台智能预测故障诊断自主控制服务数据数据驱动优化运

13、行虚实映射层迭代机制参数耦合城市固废智慧焚烧研究方案2222二、城市固废智慧焚烧探索城市固废智慧焚烧研究方案数据传输工业现场检测仪表DCSPLC数据采集加密传输数据存储算法设计智慧平台半实物仿真数字孪生协同优化智能控制发酵识别算法应用固废池管控焚烧过程控制生产过程优化设备状态监测工业参数仿真生产过程建模工作基础及研究进展智慧环保北京实验室2424三、工作基础及研究进展面向国家生态文明建设重大需求和人工智能世界科技前沿，智慧环保北京实验室致力于人工智能与自动控制前沿基础理论研究，重点研发智慧环保新技术，打造环保自动化领域创新高地和人才培养基地。牵头单位北京工业大学共建单位北京工商大学共建单位北京

14、市生态环境监测中心主要研究方向2525三、工作基础及研究进展面向水污染治理与水环境保护、固废减量与资源化利用、大气污染监测与治理等污染防治重点领域，聚焦环境感知与智能检测、智能建模与数字孪生、智能优化与自主控制、云边协同与工业互联网四个主要研究方向，以解决污染防治过程中的共性科学问题和关键技术瓶颈为突破口，引领绿色环保新兴产业发展，助力国家持续深入打好“蓝天碧水净土”保卫战。环境感知与智能检测智能建模与数字孪生智能优化与自主控制云边协同及工业互联网传感器优化布置智能感知智能特征测量多重知识表达多尺度建模虚实模型交互多目标动态优化可解释自主决策自组织控制多元异构数据融合云边

15、端一体化协同智慧环保管控平台基础设施2626三、工作基础及研究进展26 智慧环保北京实验室科研用房面积3000余平方米，主体位于北京工业大学理科楼九层；拥有ABB逻辑控制器、烟气分析仪、水质分析仪等仪器设备，置有Fluent、ArcGIS等专业软件；建有高性能计算平台、城市污水处理优化控制平台、城市固废焚烧优化运行平台。主要进展1 城市固废焚烧过程自适应预测控制2727三、工作基础及研究进展提出了一种深度学习预测方法和事件触发控制策略，建立了高效的城市固废焚烧过程自适应预测控制方法。()TLSTMEtE误差触发条件Step(t-1)Step(t)Step(t+1)wwwwunfoldsWin

16、WoutxyW()()2211()1()2()2()naapLyttytt=+模型更新u数据采集与预处理数据采集与预处理触发条件触发条件事件发生器事件发生器SOLSTM梯度下降梯度下降最小化目标函数最小化目标函数Z-1Z-1.MPCyr事件触发策略事件触发策略Z-1Z-1.y y增长阶段增长阶段剪枝阶段剪枝阶段初始网络初始网络.c(t-1)h(t-1)x(t)c(t)h(t)f(t)i(t)o(t)LSTM unitc(t-2)x(t-1)h(t-2)LSTM unitc(t-1)x(t)h(t-1)LSTM unitc(t)x(t+1)h(t)c(t+1)h(t+1)()c t获得的自适应预

17、测控制器能快速准确跟踪炉膛温度和烟气含氧量设定值，控制器更新频次低，控制精度相较于其它控制方法精度提高了至少12.8%。主要进展2 城市固废焚烧过程智能优化控制2828三、工作基础及研究进展建立了城市固废焚烧过程运行指标评价模型，提出了多目标粒子群优化算法，研发出城市固废焚烧过程智能优化控制系统。实现了炉膛温度和烟气含氧量动态优化设定和精准调控，燃烧效率提高至少8%，氮氧化物排放降低至少10%。617Time(Hours)00708090100Average CE(%)BeforeAfter11121314

18、151617Time(Hours)0500Average NOx Emissions(mg/m3)BeforeAfter主要进展3 城市固废焚烧过程智慧运行平台2929三、工作基础及研究进展搭建了集教学、科研、技术服务等功能为一体的城市固废焚烧过程智慧运行平台，为行业发展提供人才支撑，为合作企业量身打造解决方案，以期构架起产业数字化与数字产业化之间的桥梁。预期目标3030三、工作基础及研究进展加强实验室平台建设与开放共享，加强国际学术交流与合作研究，将实验室建成为高层次国际交流与合作研究的基地。人才培养汇聚和培养一批富有创新精神的国际高水平人才，打造一支在环保自动化领域具有重要国际影响的高水平创新团队。发展面向新一代人工智能的基础理论框架体系，突破智慧环保关键核心技术，助力环保自动化领域高质量发展。科技创新开放交流推进人工智能技术与环保产业的深度融合，服务环保产业数字化转型，形成示范带动效应。示范引领结束语31感谢各位专家一直以来的支持与帮助，敬请批评指正！坚持精准治污、科学治污、依法治污，以更高标准打好蓝天、碧水、净土保卫战，以高水平保护推动高质量发展、创造高品质生活，努力建设人与自然和谐共生的美丽中国。关于深入打好污染防治攻坚战的意见

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