人工智能在“碳中和”行业中的应用及展望.pdf

第 卷 第 期 年 月林 业 机 械 与 木 工 设 备 .综 述人工智能在“碳中和”行业中的应用及展望王豪杰 花雅雯 雷万鹏 万灵芝 曹雨露 程玉柱(南京林业大学机械电子工程学院江苏 南京)摘 要:利用人工智能技术来推进碳中和目标的实现是大势所趋 人工智能在碳中和上应用的技术主要有推理和算法、神经智能网络控制、模式识别以及机器学习等它们直接或间接被应用于能源开发、公共交通、建筑、农林业等多个行业 采用文献资料法、逻辑归纳法、案例分析法等方法从减碳和吸碳两方面对人工智能技术在碳中和行业的应用进行分析和探索 人工智能技术的多方面应用满足了人们对碳中和行业的需求具有广阔的市场和发展前景关键词:人工智能碳中和减碳吸碳中图分类号:文献标识码:文章编号:()“”():.:收稿日期:基金项目:南京林业大学大学生创新项目()南京林业大学 年校级教学质量提升工程项目第一作者简介:王豪杰本科生研究方向为人工智能与碳中和:.通讯作者:程玉柱讲师博士研究方向为图像处理与模式识别:.年习近平总书记提出将在 年实现碳中和这一目标如何利用现代技术将当代社会转化为绿色低碳型社会成为主要问题 近年来人工智能正成为推动人类进入智能时代的决定性力量在诸多领域发挥了重要作用 自京都议定书签订以来气候变化成为世界范围内的重要议题减少温室气体的排放以应对全球气候变暖成为世界范围内的共识 本文首先对人工智能技术、碳中和技术及行业分别进行仔细深入地剖析指出人工智能定义、适用范围、主要的研究领域三种重要的发展观以及碳中和技术发展的现状和未来趋势寻找出人工智能与碳中和行业之间的深层联系并探索人工智能林业机械与木工设备第 卷在碳综合行业中的应用最终对人工智能在碳中和行业中未来进一步的发展提出若干点展望 人工智能技术分析人工智能简称 是一项涉及计算机科学、心理学、语言学、心理学等学科的技术涵盖几乎所有的自然科学和社会科学主要用于研究模拟人的思维和行为小到听、说、读、写大到学习、思考、规划等来解决生产和生活中的问题 人工智能技术主要包括问题归纳与搜索、确定性与不确定性推理、遗传和群智能算法、人工神经网络、机器学习以及模式识别等技术主要应用于计算机视觉、自然语言处理、认知与推理、机器人学、博弈与伦理等诸多领域推动和维护着信息化时代的有序发展在未来它将从感知智能进阶到认知智能大规模地应用于我们的生活人工智能知识图谱如图 所示 碳中和技术及行业分析碳中和技术大致可分为零碳、减碳和负碳技术碳中和技术及行业图谱如图 所示 零碳技术是指能源替代包括光伏、风电、核电、氢能等新能源相关的储能技术减碳技术是指节能减排涉及发电、化工、建材、钢铁、有色金属、造纸和国内民用航空等高排放行业所应用的减排技术 负碳技术是指吸收转化二氧化碳包括农林碳汇碳捕集、利用与封存应用()等相关技术 碳中和行业划分零碳、减碳、吸碳行业零碳主要指新能源行业减碳行业包括共享出行、无人驾驶、建筑设计、再生农业、可持续性养殖、食品消费、碳金融、绿色金融产品等行业吸碳行业有技术性固碳和生态性固碳两大行业从绿色建筑、绿色交通到绿色食品、绿色金融等图 人工智能知识图谱图 碳中和分类图谱第 期王豪杰等:人工智能在“碳中和”行业中的应用及展望 人工智能在碳中和行业中的应用.零碳领域的应用零碳技术通过利用光伏、风电等清洁能源代替传统高碳能耗来进行发电、建筑以及交通等人工智能在零碳领域主要发挥预测和监测的作用其应用图谱如图 所示在核能发电技术方面人工智能几乎可以融入每一个环节包括核燃料勘探和采集、核电设计、建设、运营和检修等例如创建矿藏勘探和评价专家系统实现勘探、开采设计、矿山生产等环节有机结合与衔接提高勘探效率、减少采矿时间、化解采矿过程中的高危险和高危害元素 核装备制造是核工业领域的重要环节利用大数据、技术逐步形成对大量结构化和非结构化数据的分析处理能力基于此能力之上通过专家系统和神经网络等最优化技术为核装备制造在设计、生产、运行等方面提供最优的、自动化的智能分析和决策系统 将收集到的数据存入数据仓库利用大数据技术对数据进行预处理、过滤、分布式存储然后使用模式匹配、无监督学习等算法对数据进行建模分析研究当前影响工作效率、工作质量的原因及时采用智能决策系统制定管控措施、解决方案等 大部分的运行成本都在于运营、调试、检查、安全等方面因此通过大数据、人工智能等技术手段达到降本增效的目的在核工业领域由于核设施或运行环境具有放射性往往存在人员无法操作或者风险较大的问题这种情况下利用机器人进入辐射性高或者操作难度大的区域进行工作比如关键核设施维护检修、放射性废物处置、核应急响应等工作一方面可降低防护设备的成本和人员受辐照剂量另一方面解决人工操作受限的问题保证核工业的安全运行在水电领域利用人工智能技术预测季度水流量以及水流的峰期合理调整与管控在提高水源的利用率和发电率的同时提高堤坝的稳定性实现可持续发展在风电领域可通过模糊逻辑、遗传算法、神经网络等智能诊断技术对风电机组问题进行及时诊断通过人工智能技术对一些错误的输入结果通过规律得出接近预期结果的输出值满足实时监控和容错能力的要求通过机器学习建立风电发电量短期风电功率与影响因素之间的内在联系将联系训练成模型通过调用模型便可以预测短期风电功率经常使用支持向量机法与神经网络法人工智能与氢能的结合推动着世界汽车行业的革新将人工智能技术深度神经网络和模糊控制的最优化控制应用于燃料电池系统 中将 技术和燃料电池系统控制策略深入结合为氢能物流车提供更节能更长途的解决方案解决了发动机效率、寿命、续航里程等痛点 打造更安全高效的智慧加氢站新一代智能加氢站利用加氢站 管理控制系统全面提升加氢站的管理、服务和运营效率在安全运营的同时实现无人操作降本增效“氢能”具有巨大的潜力和无限的可能性在更深层次的融和下“双能合璧”必然将爆发出更惊人的能量为碳中和目标的早日完成贡献力量在其他领域方面人工智能技术也实现了完美的融合人工智能技术实现了太阳能电站维护和衰减评估在潮汐能发电领域人工智能正在积极利用人工智能技术对地热资源进行定位与预测等等人工智能在改变能源行业在能源转型过程中起到衔接作用实现了人工智能行业与能源行业的整合并且在悄然改变着世界图 人工智能在零碳领域中的应用图谱林业机械与木工设备第 卷.减碳领域的应用人工智能应用于减碳领域主要应用在化工、制造、发电、交通等高排碳行业其应用图谱如图 所示 通过监测和预测排碳量优化技术模型设计降低碳排放在交通领域通过 传输数据将物联网、车辆网、与城市大脑相连分析每辆车的位置以及路线提供最佳方案减少能源损耗应用计算机视觉芯片的交通红绿灯通过边缘计算交通流优化灯时提高通行率减少能源损耗 同时还有通过自动驾驶技术快速发展的无人驾驶智能车自动驾驶等行业均是人工智能的成果将生活产品便捷化、舒适化的同时降低能耗减少碳排放在电力方面可再生能源的普及、复杂大数据网络和双向能量流动特征的电力设备的使用人工智能正在推动电力生产和电网行业的改革 在发电侧利用新能源发电利用人工智能的机器学习、智能算法等技术进行短期、长期、超长期预测优化系统设计模型减少传统能耗在输变电设备故障智能诊断和状态评估中根据出现的问题综合非均衡数据学习、代价敏感学习等算法给出变压器设备的自动化、差异化、客观量化状态评价结果减少运输过程中的电力损失间接减少碳排放在化工领域主要应用知识图谱技术、预防性维护、全厂智能优化等技术依托阿里云强大的云计算、物联网与大数据技术建立化工大数据平台对于企业生产设备、运营的数据进行数据价值挖掘帮助企业优化工艺降低人力成本提高生产安全 可通过收集导热油炉的实时数据辨识导热油炉内油温、送风量、给煤量的模型并通过实时控制和优化的算法进行强化学习稳定控制炉内油温降低燃煤消耗应用于锅炉时吨蒸汽煤耗降低.每年节省数千万的燃煤成本 还可通过成分收率提升引擎通过对历史数据和实时数据的学习和大数据建模分析寻找最佳的参数组合在合理的能源、原料消耗的前提下最大限度地提高成分收率减少原耗兼顾能耗在工业制造领域主要为人工智能机器人的投入使用减少人工干预减少能耗提高能效人工智能在高排碳行业的大量应用通过预测模拟和实际操作两种方式使行业更加智能化、有序化、便捷化实现实时优化调度节约了能源和成本图 人工智能在减碳领域中的应用图谱.负碳领域的应用负碳主要是指通过吸收二氧化碳并进行转化的技术按功能划分为碳资源化利用技术生物炭固碳技术生态碳汇技术人工智能在负碳行业中主要应用于林业碳汇碳捕集、利用与封存应用()等其应用图谱如图 所示在林碳汇行业中通过人工智能技术为传统林业输入新的活力通过人工智能林业创建新模式开发新领域建设完备的信息化农林机制开展示范性工程 指充分利用云计算、物联网、大数据、移动互联网等新一代信息技术通过感知化、物联化、智能化的手段形成林业立体感知、管理协同高效、生态价值凸显、服务内外一体的林业发展新模式实现林业信息资源数字化、林业资源相互感知化、林业信息传输互联化、林业系统管控智能化、林业体系运转一体化、林业创新发展生态化、林业综合效益最优化为碳中和计划的实现贡献一份力量碳捕集、利用、封存()主要利用烟气预处理、吸收再生、压缩干燥以及制冷液化系统对电厂等大型二氧化碳排放源的烟气进行预处理生成二氧化碳产品再利用的过程最终目标实现化石能源的零排放人工智能技术主要应用于数据预估和技第 期王豪杰等:人工智能在“碳中和”行业中的应用及展望术、模型的建造优化方案接下来我将列举一些应用和案例来介绍人工智能在此技术中的应用碳捕集可以分为燃烧前捕集()、富氧燃烧()和燃烧后捕集()人工智能技术在燃烧碳捕集中主要运用于(整体煤气化联合循环)系统精密计算水煤气的制作过程中配置的空气含量应用神经网络和深度学习进行技术分析和数据总结建立完整的神经网络根据输入结果取得输出最优结果减少能源浪费同时可通过 视觉监测技术监测化工塔内的温度、空气密度等并及时核算和调整在此过程中提供的燃烧热冷冻条件等均可利用遗传回归算法、模拟技术进行模拟与计算 美国在未来发电计划中投资建设一座 电厂计划实现零排碳的目标 富养燃烧主要通过提升燃烧过程中的氧气提升最终二氧化碳浓度直接进行处理重点是监测氧气浓度和生成二氧化碳浓度人工智能技术在此方面发挥巨大作用 主要应用有:燃烧后捕集是指在烟气中收集二氧化碳主要利用化学吸收和物理吸收以及膜分离技术通过人工智能技术的计算与模拟优化最终方案碳利用主要包括化工利用将 以化学形式转换成合成能源、化学品等目标产物通过机器学习技术利用规律对数据进行预测分析的算法 在化学合成领域中主要应用于根据化学物的结构分析出多种合成路线预测材料化学性质、谱图模拟以及路线的算法优化利用神经网络在蒙特卡洛树步骤中引入深度神经网络能够提高计算精度与效率该项技术在化学合成领域中既可用于寻找路径也可对可能的逆合成路线进行初步筛选用于训练神经网络的测试集包括了所有过往的有机化学反应采用计算机视觉技术在化学合成主要应用于分子合成中的结构块形态、反应的起始点和节点的识别 以及通过推荐系统根据系统所设定的条件借助自身云计算的能力所实现主要能够帮助化学家在多种合成路径当中筛选出简洁高效的最优方法 同时还可以通过机器人技术在化学合成时主要应用于以机器人执行的自动化合成平台机器人辅助执行所有合成操作流程组装连续流动路径实现自动化合成 包括自动检测机器人、自动控制机器人、自动合成机器人 二氧化碳封存技术主要可分为地质封存与海洋封存两种在地质封存过程中可采用数据驱动与知识引导相结合的方法对地质变化、径流走向、封存深度等复杂场景下的非线性演化进行预测同时可根据地质结构进行评估和推断预测二氧化碳应该注入地质层的深度以及注入的体积和封存时间可利用人工智能模拟实际环境进行评估与总结 在海洋封存中利用大数据、智能追踪技术系统解析海洋微生物所驱动的碳循环过程解析碳汇相关的关键微型生物物种、功能基因家族的碳汇图谱等但海洋封存技术尚未成熟同时监测二氧化碳是否逸出也是一项重要难题图 人工智能在负碳领域中的应用 人工智能在碳中和行业中的展望碳中和各行业有巨大的发展空间和潜力人工智能技术尚未完全融入其中在清洁能源的利用与开发方面可通过收集和分析大量数据做到更为精准的预测与监测提升神经网络系统的灵活性同时可利用人工智能技术拓宽清洁能源的开发渠道和建立高智能化能源收集工厂同时利用人工智能进行行业创新不断提升能源开发技术例如谷歌在利用人工智能技术开发地热能使用先进的钻探、光纤(下转第 页)林业机械与木工设备第 卷()建议有关部门组织对新标准进行宣贯促进新标准在企业产品生产和检测机构标准方法验证中的正确理解和运用促进实木复合地板产业高质量发展参考文献:中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会.实木复合地板:/.北京:中国标准出版社.国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会.实木复合地板:/.北京:中国标准出版社.国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会.实木地板 第 部分:技术要求:/.北京:中国标准出版社.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会.室内装饰装修材料人造板及其制品中甲醛释放限量:.北京:中国标准出版社.国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会.人造板及其制品甲醛释放量分级:/.北京:中国标准出版社.国家林业和草原局.仿古木质地板:/.北京:中国标准出版社.国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会.地采暖用木质地板:/.北京:中国标准出版社.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会.铅笔:/.北京:中国标准出版社.(上接第 页)传感、分析技术收集流量、温度的实时数据精确控制水流和寻找资源位置灵活释放地热能同时在传统能源的开发与利用方面要及时兼顾通过技术模拟提高能源利用率的同时提高碳回收率人工智能技术在碳中和行业中的应用推动着该行业的不断改革它提供了一个难得的机会可以加速向高效、零排放和互联的能源系统发展这是我们创造更美好明天所需的 在负碳行业中人工智能将传统能源与新能源的衔接作用推动电力行业的快速转型大力发展光电、水电逐步将火电转换为辅助电力 在交通领域通过发展人工智能技术对货运以及客运场景进行模拟创建场景模拟系统通过不断发展使得场景更为简洁、智能推动货运客运的智慧发展同时可通过人工智能技术为人们的出行规划更为精准方案实现智慧出行还通过人工智能技术与氢能紧密结合推动新能源汽车行业的改革 将人工智能与碳捕集相结合通过建立人工智能系统进行不断模拟与测试设计最优方案促进碳捕集行业的发展 同时通过不断优化智能系统将进一步推进碳利用的进步同时在碳封存领域可以开发海洋荒漠等地域通过人工智能技术进行智能分析为碳存储开辟新的天地同时可建立监测系统对封存情况进行及时反馈和调整参考文献:肖斌薛丽敏李照顺.对人工智能发展新方向的思考.信息技术():.王恰.破立并举、稳扎稳打 有序推进非化石能源替代.中国能源():.童飞.人工智能技术在风力发电领域的应用.低碳世界():.王林霞郭陈旭.人工智能技术在机械电子工程领域的应用.信息记录材料():.王灿张雅欣.碳中和愿景的实现路径与政策体系.中国环境管理():.郑晓李国栋.智能技术在核电领域中的应用探究.中小企业管理与科技(中旬刊)():.陈维维.多元智能视域中的人工智能技术发展及教育应用.电化教育研究():.郭丽.大数据与人工智能技术在水电智慧工程建设领域的探索及应用.通信与信息技术():.陈向春.浅谈“双碳”战略目标下我国氢能标准化的发展.标准科学():.赵英华.人工智能技术在交通领域的应用.河南科技():.马建浦.通信技术在我国智慧林业建设中的应用.世界林业研究():.张凯陈掌星兰海帆等.碳捕集、利用与封存技术的现状及前景.特种油气藏():.焦念志刘纪化石拓等.实施海洋负排放践行碳中和战略.中国科学:地球科学():.