Супервизорное управление системами контроля климата в зданиях Тюков, Антон Павлович

Введение к работе

Актуальность. Рост цен на энергоносители, перспективы истощения месторождений и проблемы экологии вынуждают цивилизацию обратиться к более рациональному использованию энергоресурсов. Одной из приоритетных задач энергоэффективности является раскрытие потенциала энергосбережения. Сокращение огромных потерь энергии при эксплуатации зданий является стратегической задачей, которая может быть решена в рамках сокращения энергии на поддержание уровня температурного комфорта в зданиях с помощью модификации существующих алгоритмов управления системой контроля климата (СКК, от англ. heating ventilation air-condition cooling, HVAC) (Winner, 2012). Так, по данным международных исследований, энергопотребление зданий занимает до 30 % от производства энергии всей страны. Около 40 % энергии каждого здания расходуется на поддержание уровня температурного комфорта в СКК. Как правило, алгоритмы управления СКК не обновляются после установки системы в здании.

По данным исследований Европейской комиссии (Green Paper on Energy Efficiency, 2005) и профессора В. Веттера (W. Wetter, Калифорнийский университет Беркли, 2004), эффективность работы СКК может быть повышена от 20 до 40% за счет модификации существующих алгоритмов управления. В работах исследовательской группы Опти- контрол (Opticontrol, 2010) предлагаются подходы для создания новых эффективных СКК. Однако результаты данных исследований носят теоретический характер, ориентированы на использование в новых моделях СКК и в связи с этим трудно применимы к уже установленным системам.

Одним из подходов, позволяющих модифицировать алгоритмы управления, является супервизорное управление СКК. В работе под су- первизорном управлением понимается процесс управления системами управления с использованием дополнительной информации. Фактически, супервизорная система управления можно рассматривать как надсистему. Кроме того, согласно исследованиям Олдевултела (Oldewurtel, 2004) и Камачо (Camacho, 2004), использование упреждающих значений переменных, характеризующих погоду, позволит снизить расход энергии в СКК при сохранении допустимого уровня температурного комфорта. Использование упреждающих факторов в системах управлении сформировало но вое научное направление, получившее название «Управление с прогнозирующими моделями» (от англ. Model Predicted Control, MPC) (см. работы К. Фонга (K.Fong, 2009), Хаизюк (Hazyuk, 2010), Олдевултела (F. Oldewurtel, 2010), Яшио Ютсимы (Y. Utsumi,2012), исследовательской группы Оптиконтрол (Opticontrol, 2010)).

В рамках данной диссертации предлагается решение проблемы неоптимального расхода энергии в существующих СКК за счет разработки метода супервизорного управления СКК на основе прогнозирующих моделей.

Объектом исследования является СКК, установленное в здании.

Предметом исследования являются алгоритмы оптимального управления СКК.

Предполагаемая гипотеза: супервизорное управление СКК на основе прогнозирующих моделей позволит повысить энергетическую эффективность СКК.

Цель работы. Целью работы является повышение экономической эффективности управления зданием за счет супервизорного управления СКК. Для достижения цели в диссертационного исследования решаются задачи:

1. анализ здания как социально-экономической системы и определение факторов, влияющих на потребление энергии в СКК;

2. анализ алгоритмов функционирования СКК;

3. разработка метода супервизорного управления СКК на основе прогнозирующих моделей;

4. проверка предложенного метода на практике и оценка экономической эффективности метода.

5. разработка автоматизированной системы супервизорного управления СКК (масштабируемой, клиент-серверной);

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались методы: системного анализа, теории автоматического управления, управления с прогнозирующими моделями, машинного обучения, математической статистики, оптимизации, проектирования автоматизированных систем.

Научная новизна работы. Разработан новый метод супервизор- ного управления системой контроля климата на основе прогнозирующих моделей, позволивший повысить эффективность управления микроклиматом и включающий в себя:

5. 1. формальную модель изменения температуры как характеристики комфорта внутри здания с СКК, основанную на данных с датчиков СКК, упреждающих погодных факторов;

   2. оригинальный метод формирования управляющих воздействий на СКК, основанный на генетическом алгоритме, позволяющий оптимизировать потребление энергии в СКК при поддержании целевого уровня температурного комфорта.

   Достоверность и обоснованность научных положений и результатов, приведённых в диссертационной работе, подтверждается совпадением результатов моделирования и экспериментальной проверки, внедрением и опытной эксплуатации разработанной автоматизированной системы.

   Практическая значимость. Диссертационные исследования выполнены в рамках приоритетного направления «Информационно-телекоммуникационные системы» и способствуют развитию критических технологий: созданию энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии, обработки, хранения и передачи информации. Разработана архитектура и прототип клиент-серверной веб-ориентированной автоматизированной системой супервизорного управления СКК.

   Соответствие паспорту специальности. Работа выполнена в соответствии с паспортом специальности ВАК РФ: 05.13.01 - «Системный анализ, управление и обработка информации (в промышленности)», пункт 6,5,4,7,9,11; и 05.13.10 - «Управление в социальных и экономических системах», пункт 6, 7, 5.

   Апробация работы. Материалы работы докладывались на мероприятиях: 14 международной конференции по информационной интеграции и веб-ориентированным технологиям iiWAS-2012 (Индонезия, 2012); финале конкурса «Зворыкинская Премия-2012» (г.Сколково, 2012) (выигран приз 300 т. рублей), на международной инвестиционной встрече SeedForum (Москва, 2012), Финале конкурса ИТ-Старт (Москва, 2012), финале конкурса «Кубок Техноваций» (МФТИ, 2012), «3 международной конференции по технологиям разработки информационных систем ТРИС-2012» (Геленджик, 2012), «13 международной конференции по информационным и веб-ориентированным технологиям» (Вьетнам, 2011), школе-семинаре «Новые информационные технологии» (Украина, 2011), международной конференции «Применение искусственного интеллекта в инженерии и бизнесе» (Польша, 2011), школе-семинаре молодых новаторов НИЦ «Саров» (п.Сатис, 2011), «Информационные технологии в образовании, технике и медицине» (Волгоград, 2010), «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе» (IT+SE40), «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности АСТИНТЕХ-2010» (Астрахань, 2010), конгресс по интеллектуальным системам и информационным технологиями "IS&IT 11" (Дивноморское, 2011 г.), «Ресурсо- энергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышленных городов» (г. Волжский, 2010 г.),

   Автор награжден грантом У.М.Н.И.К. (2010) и стипендией Президента РФ (2013).

   Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 печатных работ, в том числе 6 статей в журналах, входящих в перечень ВАК, 3 статьи в трудах международных конференций (две из которых проиндексированы в SCOPUS), и 13 тезисов докладов на конференциях.

   Личный вклад автора. Личный вклад автора заключается в постановке целей и формулировке задач исследований, обосновании выбора теоретических и расчётных методов решения поставленных задач, анализе полученных данных и их интерпретации. Автор принимал непосредственное участие в разработке теоретических моделей, проведении исследований и обработке данных экспериментов, составлении отчётной документации, подготовке материалов докладов и публикаций, выводов и заключений по работе, выдаче рекомендаций для практического использования.

   Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 75 наименований. Объём диссертации - 130 с., включая 69 рис., 20 таблиц.

   Автор выражает признательность Адриану Бребельсу, преподавателю Высшей Католической Школе Томаса Мура, за предоставление данных для исследования.

   Похожие диссертации на Супервизорное управление системами контроля климата в зданиях

   

   Управление безопасностью химико-технологических систем на базе метода активного контроля утечекЛуконин Вадим Павлович

   

   Управление системой профилактики на транспортеОлейников Антон Владимирович

   

   Робастное управление системами случайной структурыРетинский Дмитрий Михайлович

   

   Рациональное управление системой психологической помощи на основе медицинского мониторинга и организации психопрофилактического процесса [Электронный ресурс]Склярова Татьяна Петровна

   

   Моделирование и управление системой вступительных экзаменов в техническом университетеНежевец Галина Петровна

   

   Управление системами со случайными параметрами и мультипликативными шумами с применением к оптимизации инвестиционного портфеляЛяшенко Елена Александровна

   

   Имитационное моделирование и технология экспертных систем в управлении сложными телекоммуникационными системамиСкворцов Андрей Борисович

   Приближенно-оптимальное управление динамическими системами с использованием вспомогательного критерия качестваЛанда, Андрей Юрьевич

   

   Модели и методы распределительного типа при планировании и оперативном управлении производственными системамиКуликов Михаил Сергеевич

   

   Об устойчивости и управлении некоторыми системами с последействиемКовалев Александр Андреевич