Методика обеспечения комфортного состояния микроклимата умного дома с использованием ансамбля нечетких искусственных нейронных сетей
Ключевые слова:
умный дом, ансамбль искусственных нейронных сетей, система климат-контроля, система управления, киберфизические устройстваАннотация
Анализ применения технологии умный дом указывает на недостаточный уровень управляемости его инфраструктурой, что приводит к избыточному потреблению энергетических и информационных ресурсов. Проблема управления цифровой инфраструктурой жилого пространства человека, связана с большим числом узкоспециализированных решений по домашней автоматизации, которые усложняют процесс управления. Умный дом рассматривается как множество независимых киберфизических устройств направленных на достижение своей цели. Для согласованной работы киберфизических устройств предлагается обеспечивать их совместную работу через единый информационный центр. Моделирования режимов работы устройств в цифровой среде сохраняет ресурс физических устройств, производя виртуальный расчет для всевозможных вариантов взаимодействия устройств между собой и физической средой. Разработана методика управления микроклиматом умного дома с применением ансамбля нечетких искусственных нейронных сетей, на примере совместного использования кондиционера, вентиляции и отопления. Алгоритм работы нейронной сети позволяет контролировать параметры состояния физической среды, прогнозировать режимы работы киберфизических устройств и формировать сигналы управления для каждого из них, обеспечивая совместную работу устройств с минимальным ресурсопотреблением и информационным трафиком. Предложен вариант практической реализации системы управления микроклиматом умного дома на примере многофункционального учебного компьютерного класса. Разработаны гибридные нейронные сети систем кондиционирования, вентиляции и отопления. Произведено тестирование работы системы управления микроклиматом многофункциональной аудитории университета с применением гибридных нейронных сетей, в качестве устройства управления использован программируемый логический контроллер отечественного производства. Целью управления на основе взаимодействующих киберфизических устройств является достижения минимума используемой мощности и информационного трафика при их совместной работе.
Литература
1. Eungha Kim and Changsup Keum, Integrated community service platform system linked to smart home and smart city // 2016 Eighth International Conference on Ubiquitous and Future Networks (ICUFN), Vienna, 2016. pp. 380-382. doi: 10.1109/ICUFN.2016.7537053.
2. Eungha Kim, Smart city service platform associated with smart home // 2017 International Conference on Information Networking (ICOIN), Da Nang, 2017. pp. 608-610. doi: 10.1109/ICOIN.2017.7899557.
3. Masera M., Bompard E.F., Profumo F., Hadjsaid N. Smart (electricity) grids for smart cities: assessing roles and societal impacts // Proceedings of the IEEE, 2018. Vol. 106. № 4. pp. 613-625. doi: 10.1109/JPROC.2018.2812212.
4. Cheng Z., Duan J., Chow M-Y. To centralize or to distribute: that is the question: a comparison of advanced microgrid management systems // Industrial Electronics Magazine IEEE, 2018. vol. 12. № 1. pp. 6-24. doi: 10.1109 / MIE.2018.2789926.
5. Du Y., Hao T., Lukic S., Lubkeman D., Dubey A., Karsai G. Development of a controller hardware-in-the-loop platform for microgrid distributed control applications // Electronic Power Grid (eGrid) 2018 IEEE. 2018. pp. 1-6. doi: 10.1109/eGRID.2018.8598696.
6. V. Govindraj, M. Sathiyanarayanan and B. Abubakar, Customary homes to smart homes using Internet of Things (IoT) and mobile application // 2017 International Conference On Smart Technologies For Smart Nation (SmartTechCon), Bangalore, 2017. pp. 1059-1063. doi: 10.1109/SmartTechCon.2017.8358532.
7. S.J. Clement, D.W. McKee, R. Romano, J. Xu, J.M. Lopez, D. Battersby, The Internet of Simulation: enabling agile model based systems engineering for cyber-physical systems // 12th System of Systems Engineering Conference (SoSE), IEEE (2017). pp. 1-6. doi: 10.1109/SYSOSE.2017.7994948.
8. Y. Cheng, Y. Zhang, P. Ji, W. Xu, Z. Zhou, F. Tao. Cyber-physical integration for moving digital factories forward towards smart manufacturing: a survey // Int J Adv Manuf Technol (2018). pp. 1-13. doi: 10.1016/j.jii.2017.08.001.
9. Shvedenko, V.N., Mozokhin, A.E. Methodological Foundations for the Formation of Information Space and Digital Twin Objects in Smart Homes // Autom. Doc. Math. Linguist. 53, 303–308 (2019). doi: 10.3103/S0005105519060074.
10. V.-H. Bui, A. Hussain, Y.-H. Im, and H.-M. Kim, An internal trading strategy for optimal energy management of combined cooling, heat and power in building microgrids // Appl. Energy. vol. 239. pp. 536-548. Apr. 2019.
11. S. Huang, Y. Lin, V. Chinde, X. Ma, and J. Lian, Simulation-based performance evaluation of model predictive control for building energy systems // Appl. Energy. vol. 281, Jan. 2021, P. 116027.
12. Álvarez, J. & Costa-Castelló, Ramon & Castilla, María del Mar. (2018). Repetitive Control to Improve Users’ Thermal Comfort and Energy Efficiency in Buildings // Energies. 11(4): 976. doi: 10.3390/en11040976.
13. Abhinandana, Boodi & Beddiar, Karim & Benamour, Malek & Amirat, Yassine & Benbouzid, Mohamed // (2018) Intelligent Systems for Building Energy and Occupant Comfort Optimization: A State of the Art Review and Recommendations. Energies. 11(10): 1-26. doi:10.3390/en11102604.
14. Шведенко В.В., Мозохин А.Е. Методология организации полиструктурной системы обеспечения информационного взаимодействия и мониторинга процессов генерации, транспорта, распределения и потребления электрической энергии // Информационно-экономические аспекты стандартизации и технического регулирования. 2021. № 2 (60). С. 71-82.
15. Шведенко В.Н., Мозохин А.Е. Концепция управления сетевой структурой интеллектуальных устройств в условиях цифровой трансформации энергетической отрасли // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21, № 5. С. 748–754. doi:10.17586/2226-1494-2021-21-5-748-754
16. Z. Pezeshki and S.M. Mazinani, Comparison of artificial neural networks, fuzzy logic and neuro fuzzy for predicting optimization of building thermal consumption: A survey // Artif. Intell. Rev. vol. 52. no. 1. pp. 495-525, Jun. 2019.
17. A. Esmaeilzadeh, M.R. Zakerzadeh, and A.Y. Koma, The comparison of some advanced control methods for energy optimization and comfort management in buildings // Sustain. Cities Soc. vol. 43. pp. 601-623. Nov. 2018.
18. M.S. Ahmed, A. Mohamed, H. Shareef, R.Z. Homod, and J.A. Ali, Artificial neural network based controller for home energy management considering demand response events // in Proc. Int. Conf. Adv. Electr., Electron. Syst. Eng. (ICAEES). Nov. 2016. pp. 506-509.
19. E. Isik and M. Inalli, Artificial neural networks and adaptive neurofuzzy inference systems approaches to forecast the meteorological data for HVAC: The case of cities for Turkey // Energy. vol. 154. pp. 7-16. Jul. 2018.
20. A.Y. Abdelaziz and E.S. Ali, Cuckoo search algorithm based load frequency controller design for nonlinear interconnected power system // Int. J. Electr. Power Energy Syst. vol. 73. pp. 632-643. Dec. 2015.
21. J. Wang, S. Li, H. Chen, Y. Yuan, and Y. Huang, Data-driven model predictive control for building climate control: Three case studies on different buildings // Building Environ. vol. 160. Aug. 2019. Art. no. 106204.
22. S.K. Howell, H. Wicaksono, B. Yuce, K. McGlinn, and Y. Rezgui, User centered neuro-fuzzy energy management through semantic-based optimization // IEEE Trans. Cybern. vol. 49. no. 9. pp. 3278-3292. Sep. 2019.
23. Лабинский А.Ю., Нефедьев С.А., Бардулин Е.Н. Использование нечеткой логики и нейронных сетей в системах автоматического управления // Научно-аналитический журнал «Вестник Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России». 2019. №1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ispolzovanie-nechetkoy-logiki-i-neyronnyh-setey-v-sistemah-avtomaticheskogo-upravleniya (дата обращения: 01.11.2021).
24. Parvin, Khadija & Hossain Lipu, M.S. & Hannan, M.A. & Abdullah, Majid & Ker, Pin Jern & Begum, Rawshan & Mansor, Muhamad & Muttaqi, Kashem & Mahlia, T. & Dong, Z.Y.. (2021). Intelligent Controllers and Optimization Algorithms for Building Energy Management Towards Achieving Sustainable Development: Challenges and Prospects // IEEE Access. no. 9. pp. 41577 - 41602. doi:10.1109/ACCESS.2021.3065087.
25. Круглов, В.В. Нечеткая логика и искусственные нейронные сети /В.В. Круглов, М.И. Дли, Р.Ю. Голунов. – СПб.: Питер, 2003.
26. Анил К., Мао Д.-Д. Введение в искусственные нейронные сети. – Мичиган, США: Мичиганский гос. ун-т; Исследовательский центр IBM в Альмадене, США, 2006.
27. Яхъяева, Г.Э. Нечеткие множества и нейронные сети: Учебное пособие / Г.Э. Яхъяева. - М.: БИНОМ. ЛЗ, ИНТУИТ.РУ, 2012. - 316 c.
28. Оссовский, С. Нейронные сети для обработки информации: перев. с польского / С. Оссовский. – М.: Финансы и статистика, 2004. – 344 с.
29. СанПиН 1.2.3685-21 "Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания" / Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 28.01.2021 N 2. – М.: Минюст России, 2021. – 1142 с.
30. ГОСТ Р ЕН 13779-2007 Вентиляция для нежилых зданий. Требования к рабочим характеристикам для вентиляционных и кондиционерных комнатных систем. – М.: Минстрой России, 2007. – 43 с.
31. A. Garnier, J. Eynard, M. Caussanel, and S. Grieu, Predictive control of multizone heating, ventilation and air-conditioning systems in non-residential buildings // Appl. Soft Comput.. vol. 37. pp. 847-862. Dec. 2015.
32. Z. Yong, Y. Li-Juan, Z. Qian, and S. Xiao-Yan, Multi-objective optimization of building energy performance using a particle swarm optimizer with less control parameters // J. Building Eng. vol. 32. Nov. 2020. Art. no. 101505.
33. Мозохин А.Е., Цифровые платформы интеллектуальных сервисов / А.Е. Мозохин, Б.А. Староверов //Сборник докладов научно-технической конференции молодых специалистов РЕЛАВЭКСПО-2019. – Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2019. – С. 240–245.
34. Guozeng Feng, Shuya Lei, Xinxin Gu, Yuejiao Guo, Junyi Wang. Predictive control model for variable air volume terminal valve opening based on backpropagation neural network // Building and Environment, 2020. ISSN 0360-1323. doi:10.1016/j.buildenv.2020.107485
35. M. Ayani, M. Ganebäck, A.H.C. Ng Digital Twin: applying emulation for machine reconditioning // 51st CIRP Conference on Manufacturing Systems, Stockholm, May 16–18, 2018 (2018). pp. 243-248. doi: 10.1016/j.procir.2018.03.139
36. Y. Cai, B. Starly, P. Cohen, Y.S. Lee. Sensor data and information fusion to construct digital-twins virtual machine tools for cyber-physical manufacturing // Procedia Manuf, 10 (2017). pp. 1031-1042. doi: 10.1016/j.promfg.2017.07.094
37. M. Macchi, I. Roda, E. Negri, L. Fumagalli. Exploring the role of digital twin for asset lifecycle management IFAC-PapersOnLine, 51 (2018). pp. 790-795. doi: 10.1016/j.ifacol.2018.08.415
2. Eungha Kim, Smart city service platform associated with smart home // 2017 International Conference on Information Networking (ICOIN), Da Nang, 2017. pp. 608-610. doi: 10.1109/ICOIN.2017.7899557.
3. Masera M., Bompard E.F., Profumo F., Hadjsaid N. Smart (electricity) grids for smart cities: assessing roles and societal impacts // Proceedings of the IEEE, 2018. Vol. 106. № 4. pp. 613-625. doi: 10.1109/JPROC.2018.2812212.
4. Cheng Z., Duan J., Chow M-Y. To centralize or to distribute: that is the question: a comparison of advanced microgrid management systems // Industrial Electronics Magazine IEEE, 2018. vol. 12. № 1. pp. 6-24. doi: 10.1109 / MIE.2018.2789926.
5. Du Y., Hao T., Lukic S., Lubkeman D., Dubey A., Karsai G. Development of a controller hardware-in-the-loop platform for microgrid distributed control applications // Electronic Power Grid (eGrid) 2018 IEEE. 2018. pp. 1-6. doi: 10.1109/eGRID.2018.8598696.
6. V. Govindraj, M. Sathiyanarayanan and B. Abubakar, Customary homes to smart homes using Internet of Things (IoT) and mobile application // 2017 International Conference On Smart Technologies For Smart Nation (SmartTechCon), Bangalore, 2017. pp. 1059-1063. doi: 10.1109/SmartTechCon.2017.8358532.
7. S.J. Clement, D.W. McKee, R. Romano, J. Xu, J.M. Lopez, D. Battersby, The Internet of Simulation: enabling agile model based systems engineering for cyber-physical systems // 12th System of Systems Engineering Conference (SoSE), IEEE (2017). pp. 1-6. doi: 10.1109/SYSOSE.2017.7994948.
8. Y. Cheng, Y. Zhang, P. Ji, W. Xu, Z. Zhou, F. Tao. Cyber-physical integration for moving digital factories forward towards smart manufacturing: a survey // Int J Adv Manuf Technol (2018). pp. 1-13. doi: 10.1016/j.jii.2017.08.001.
9. Shvedenko, V.N., Mozokhin, A.E. Methodological Foundations for the Formation of Information Space and Digital Twin Objects in Smart Homes // Autom. Doc. Math. Linguist. 53, 303–308 (2019). doi: 10.3103/S0005105519060074.
10. V.-H. Bui, A. Hussain, Y.-H. Im, and H.-M. Kim, An internal trading strategy for optimal energy management of combined cooling, heat and power in building microgrids // Appl. Energy. vol. 239. pp. 536-548. Apr. 2019.
11. S. Huang, Y. Lin, V. Chinde, X. Ma, and J. Lian, Simulation-based performance evaluation of model predictive control for building energy systems // Appl. Energy. vol. 281, Jan. 2021, P. 116027.
12. Álvarez, J. & Costa-Castelló, Ramon & Castilla, María del Mar. (2018). Repetitive Control to Improve Users’ Thermal Comfort and Energy Efficiency in Buildings // Energies. 11(4): 976. doi: 10.3390/en11040976.
13. Abhinandana, Boodi & Beddiar, Karim & Benamour, Malek & Amirat, Yassine & Benbouzid, Mohamed // (2018) Intelligent Systems for Building Energy and Occupant Comfort Optimization: A State of the Art Review and Recommendations. Energies. 11(10): 1-26. doi:10.3390/en11102604.
14. Шведенко В.В., Мозохин А.Е. Методология организации полиструктурной системы обеспечения информационного взаимодействия и мониторинга процессов генерации, транспорта, распределения и потребления электрической энергии // Информационно-экономические аспекты стандартизации и технического регулирования. 2021. № 2 (60). С. 71-82.
15. Шведенко В.Н., Мозохин А.Е. Концепция управления сетевой структурой интеллектуальных устройств в условиях цифровой трансформации энергетической отрасли // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21, № 5. С. 748–754. doi:10.17586/2226-1494-2021-21-5-748-754
16. Z. Pezeshki and S.M. Mazinani, Comparison of artificial neural networks, fuzzy logic and neuro fuzzy for predicting optimization of building thermal consumption: A survey // Artif. Intell. Rev. vol. 52. no. 1. pp. 495-525, Jun. 2019.
17. A. Esmaeilzadeh, M.R. Zakerzadeh, and A.Y. Koma, The comparison of some advanced control methods for energy optimization and comfort management in buildings // Sustain. Cities Soc. vol. 43. pp. 601-623. Nov. 2018.
18. M.S. Ahmed, A. Mohamed, H. Shareef, R.Z. Homod, and J.A. Ali, Artificial neural network based controller for home energy management considering demand response events // in Proc. Int. Conf. Adv. Electr., Electron. Syst. Eng. (ICAEES). Nov. 2016. pp. 506-509.
19. E. Isik and M. Inalli, Artificial neural networks and adaptive neurofuzzy inference systems approaches to forecast the meteorological data for HVAC: The case of cities for Turkey // Energy. vol. 154. pp. 7-16. Jul. 2018.
20. A.Y. Abdelaziz and E.S. Ali, Cuckoo search algorithm based load frequency controller design for nonlinear interconnected power system // Int. J. Electr. Power Energy Syst. vol. 73. pp. 632-643. Dec. 2015.
21. J. Wang, S. Li, H. Chen, Y. Yuan, and Y. Huang, Data-driven model predictive control for building climate control: Three case studies on different buildings // Building Environ. vol. 160. Aug. 2019. Art. no. 106204.
22. S.K. Howell, H. Wicaksono, B. Yuce, K. McGlinn, and Y. Rezgui, User centered neuro-fuzzy energy management through semantic-based optimization // IEEE Trans. Cybern. vol. 49. no. 9. pp. 3278-3292. Sep. 2019.
23. Лабинский А.Ю., Нефедьев С.А., Бардулин Е.Н. Использование нечеткой логики и нейронных сетей в системах автоматического управления // Научно-аналитический журнал «Вестник Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России». 2019. №1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ispolzovanie-nechetkoy-logiki-i-neyronnyh-setey-v-sistemah-avtomaticheskogo-upravleniya (дата обращения: 01.11.2021).
24. Parvin, Khadija & Hossain Lipu, M.S. & Hannan, M.A. & Abdullah, Majid & Ker, Pin Jern & Begum, Rawshan & Mansor, Muhamad & Muttaqi, Kashem & Mahlia, T. & Dong, Z.Y.. (2021). Intelligent Controllers and Optimization Algorithms for Building Energy Management Towards Achieving Sustainable Development: Challenges and Prospects // IEEE Access. no. 9. pp. 41577 - 41602. doi:10.1109/ACCESS.2021.3065087.
25. Круглов, В.В. Нечеткая логика и искусственные нейронные сети /В.В. Круглов, М.И. Дли, Р.Ю. Голунов. – СПб.: Питер, 2003.
26. Анил К., Мао Д.-Д. Введение в искусственные нейронные сети. – Мичиган, США: Мичиганский гос. ун-т; Исследовательский центр IBM в Альмадене, США, 2006.
27. Яхъяева, Г.Э. Нечеткие множества и нейронные сети: Учебное пособие / Г.Э. Яхъяева. - М.: БИНОМ. ЛЗ, ИНТУИТ.РУ, 2012. - 316 c.
28. Оссовский, С. Нейронные сети для обработки информации: перев. с польского / С. Оссовский. – М.: Финансы и статистика, 2004. – 344 с.
29. СанПиН 1.2.3685-21 "Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания" / Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 28.01.2021 N 2. – М.: Минюст России, 2021. – 1142 с.
30. ГОСТ Р ЕН 13779-2007 Вентиляция для нежилых зданий. Требования к рабочим характеристикам для вентиляционных и кондиционерных комнатных систем. – М.: Минстрой России, 2007. – 43 с.
31. A. Garnier, J. Eynard, M. Caussanel, and S. Grieu, Predictive control of multizone heating, ventilation and air-conditioning systems in non-residential buildings // Appl. Soft Comput.. vol. 37. pp. 847-862. Dec. 2015.
32. Z. Yong, Y. Li-Juan, Z. Qian, and S. Xiao-Yan, Multi-objective optimization of building energy performance using a particle swarm optimizer with less control parameters // J. Building Eng. vol. 32. Nov. 2020. Art. no. 101505.
33. Мозохин А.Е., Цифровые платформы интеллектуальных сервисов / А.Е. Мозохин, Б.А. Староверов //Сборник докладов научно-технической конференции молодых специалистов РЕЛАВЭКСПО-2019. – Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2019. – С. 240–245.
34. Guozeng Feng, Shuya Lei, Xinxin Gu, Yuejiao Guo, Junyi Wang. Predictive control model for variable air volume terminal valve opening based on backpropagation neural network // Building and Environment, 2020. ISSN 0360-1323. doi:10.1016/j.buildenv.2020.107485
35. M. Ayani, M. Ganebäck, A.H.C. Ng Digital Twin: applying emulation for machine reconditioning // 51st CIRP Conference on Manufacturing Systems, Stockholm, May 16–18, 2018 (2018). pp. 243-248. doi: 10.1016/j.procir.2018.03.139
36. Y. Cai, B. Starly, P. Cohen, Y.S. Lee. Sensor data and information fusion to construct digital-twins virtual machine tools for cyber-physical manufacturing // Procedia Manuf, 10 (2017). pp. 1031-1042. doi: 10.1016/j.promfg.2017.07.094
37. M. Macchi, I. Roda, E. Negri, L. Fumagalli. Exploring the role of digital twin for asset lifecycle management IFAC-PapersOnLine, 51 (2018). pp. 790-795. doi: 10.1016/j.ifacol.2018.08.415
Опубликован
2021-12-02
Как цитировать
Мозохин, А. Е. (2021). Методика обеспечения комфортного состояния микроклимата умного дома с использованием ансамбля нечетких искусственных нейронных сетей. Информатика и автоматизация, 20(6), 1418-1447. https://doi.org/10.15622/ia.20.6.9
Раздел
Робототехника, автоматизация и системы управления
Copyright (c) Андрей Евгеньевич Мозохин
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
Авторы, которые публикуются в данном журнале, соглашаются со следующими условиями: Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и передают журналу право первой публикации вместе с работой, одновременно лицензируя ее на условиях Creative Commons Attribution License, которая позволяет другим распространять данную работу с обязательным указанием авторства данной работы и ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале. Авторы сохраняют право заключать отдельные, дополнительные контрактные соглашения на неэксклюзивное распространение версии работы, опубликованной этим журналом (например, разместить ее в университетском хранилище или опубликовать ее в книге), со ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале. Авторам разрешается размещать их работу в сети Интернет (например, в университетском хранилище или на их персональном веб-сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению, а также к большему количеству ссылок на данную опубликованную работу (Смотри The Effect of Open Access).