基于人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的新型自動(dòng)故障檢測(cè)器的設(shè)計(jì)

袁瑋含 胡立夫 孫子群 李爽 齊航

摘??要：世界范圍內(nèi)對(duì)能源和環(huán)境問(wèn)題的關(guān)注導(dǎo)致了對(duì)減少能源使用的關(guān)注。每個(gè)能源領(lǐng)域的研究都表明，住宅和商業(yè)建筑領(lǐng)域比工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)和交通等其他領(lǐng)域消耗更多的電力。對(duì)建筑行業(yè)能耗的研究表明，使用人工智能（AI）可節(jié)省10%-30%的能源，該系統(tǒng)將能夠檢測(cè)和分析能源使用模式評(píng)估中的異常，診斷并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間提出最佳解決方案。本文提出將人工智能技術(shù)與大數(shù)據(jù)算法相結(jié)合，加強(qiáng)對(duì)建筑系統(tǒng)的監(jiān)控，提高舒適度，有效降低運(yùn)行成本。此外，作者還提出了利用人工智能（AI）和建筑管理系統(tǒng)（BMS）產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)，自動(dòng)檢測(cè)異常能耗的工具。這是通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)名為故障檢測(cè)工具（FDT）的軟件應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它可以自動(dòng)檢測(cè)能源的異常消耗，優(yōu)化不同資源的使用，并分析故障、投訴和終止它們所需的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)出建筑能耗的異常模式。這個(gè)工具將成為人工智能決策系統(tǒng)的一部分。

關(guān)鍵詞：人工智能;能源消耗異常;自動(dòng)故障檢測(cè)

1 前言

在當(dāng)今社會(huì)，一天產(chǎn)生的電子數(shù)據(jù)將比圖書(shū)館中所有印刷材料所包含的數(shù)據(jù)量還要多。大數(shù)據(jù)是指在各個(gè)領(lǐng)域的大量操作中產(chǎn)生的大量結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化信息。通過(guò)使用大數(shù)據(jù)來(lái)滲透，從而指導(dǎo)良好的決策和改善大量的操作。大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量、操作次數(shù)以及數(shù)據(jù)源的數(shù)量非常龐大，需要特殊的流程和技術(shù)來(lái)分析、存儲(chǔ)和收集。被分析的數(shù)據(jù)形成了大數(shù)據(jù)常用描述的基礎(chǔ)，即三個(gè) V： 多樣性 （Variety）、速度 （Velocity） 和體積 （Volume）。

2 背景

在本節(jié)中，我們將介紹與能源消耗有關(guān)的一些基本問(wèn)題，以及如何使用 AI 技術(shù)來(lái)優(yōu)化它。

2.1 大數(shù)據(jù)與AI的融合

人工智能使機(jī)器有可能從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)，安排新的輸入，并做類似人類的工作。大多數(shù)人工智能應(yīng)用，比如下棋的電腦、自動(dòng)駕駛汽車，都經(jīng)歷了深度學(xué)習(xí)和自然語(yǔ)言處理的許多階段。使用這些技術(shù)，機(jī)器可以通過(guò)處理大量信息并識(shí)別這些信息中的模式來(lái)訓(xùn)練并執(zhí)行特殊任務(wù)。大數(shù)據(jù)反映了使用人工智能應(yīng)用將大量來(lái)源多樣的信息結(jié)合起來(lái)提供洞察力的實(shí)踐。

2.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于衛(wèi)生、金融、工程和科學(xué)領(lǐng)域，通過(guò)使用一種調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的稱重系統(tǒng)來(lái)預(yù)測(cè)輸入變量對(duì)輸出的影響，以將誤差降低到盡可能低的比率。ANN 主要有三層，分別是輸入層、隱藏層和輸出層，這三層之間相互聯(lián)系。它們也有加權(quán)的輸入成分，當(dāng)信號(hào)通過(guò)隱藏的神經(jīng)元時(shí)，這些成分會(huì)發(fā)生變化，隱層神經(jīng)元 （hi） 與相鄰層的輸入神經(jīng)元相連，并通過(guò)一個(gè)權(quán)系數(shù)與輸出神經(jīng)元相連。

樓宇管理系統(tǒng) （building management system，BMS）是現(xiàn)代商業(yè)樓宇尤其是智能樓宇運(yùn)營(yíng)中必不可少的一部分。業(yè)主及營(yíng)辦商一般會(huì)維修及升級(jí)這些控制系統(tǒng)，目的如下：確保維持基本的運(yùn)作水平，滿足預(yù)期的設(shè)計(jì)條件，提高效率，減少能源消耗和二氧化碳排放，將風(fēng)險(xiǎn)、投訴處理和控制系統(tǒng)的使用壽命最優(yōu)化。技術(shù)已經(jīng)為建筑控制系統(tǒng)相關(guān)的硬件和軟件平臺(tái)在成本、性能和可靠性方面提供了廣泛的改進(jìn)。

雖然大部分電力用于建筑的主要日常用途，但由于建筑系統(tǒng)設(shè)備故障和錯(cuò)誤配置的 BMS，大量的能源出現(xiàn)損失。例如，錯(cuò)誤配置的設(shè)定值或建筑設(shè)備，或錯(cuò)位的傳感器和執(zhí)行器，都可能導(dǎo)致實(shí)際能源消耗與預(yù)測(cè)的偏差。我們的提議目的是精確定位 BMS 元素中可能影響建筑電力效率的錯(cuò)誤類型，以及檢查可用于其識(shí)別和診斷的過(guò)程。在本文中，我們提出了一種技術(shù)，旨在利用 BMS 大數(shù)據(jù)和 AI 技術(shù)跟蹤投訴和完成投訴的時(shí)間，自動(dòng)檢測(cè)異常能耗。

3 文獻(xiàn)綜述

Andrii Zakovorotnyi 提出了一種用于確定不同行為模式的新方法，其中每個(gè)行為模式代表一組相似的日常配置文件，并以不同的頻率出現(xiàn)在建筑 （ 建筑系統(tǒng) ） 中。該方法以兩個(gè)聚類程序?yàn)榛A(chǔ)，并行實(shí)現(xiàn)，并借助人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利用 MATLAB 軟件實(shí)現(xiàn)。

Adam Kucera 提出了一種能夠自動(dòng)檢測(cè)和診斷商用建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)故障的新系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、可靠地實(shí)時(shí)檢測(cè)故障，使用來(lái)自澳大利亞紐卡斯?fàn)栆蛔\(yùn)營(yíng)大樓的數(shù)據(jù)，以及標(biāo)準(zhǔn) ASHRAE 1020 項(xiàng)目的 FDD數(shù)據(jù)集。他提出了一種基于隱馬爾可夫模型的 FDD 技術(shù)，用于學(xué)習(xí)正常和故障運(yùn)行過(guò)程中集合點(diǎn)之間的概率關(guān)系。這可以在未來(lái)的操作中被動(dòng)地推斷出信息中相似模式的可能性，效率很高。

4 新型自動(dòng)故障檢測(cè)器

本文提出了一種新的工具，通過(guò) AI 和 BMS 大數(shù)據(jù)的集成，能夠自動(dòng)檢測(cè)和診斷故障。該工具能夠使用新的和歷史的 BMS數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確、可靠地實(shí)時(shí)檢測(cè)故障。FDT（Fault Detection Tool）是一款利用 BMS 大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，完成異常能耗檢測(cè)任務(wù)的軟件應(yīng)用。BMS 收集大量的數(shù)據(jù)，如運(yùn)行數(shù)據(jù)（ 如溫度、電力 ）、能源使用模式數(shù)據(jù)和天氣數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)集具有時(shí)間序列特征。因此，F(xiàn)DT 利用時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)模型對(duì) BMS 收集的數(shù)據(jù)集進(jìn)行有效的建模。FDT 建立在 BMS 的基礎(chǔ)上，如圖 2 所示。

4.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障檢測(cè)

為了應(yīng)用當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)的故障檢測(cè)，需要輸入的歷史數(shù)據(jù)和新的大數(shù)據(jù)，因?yàn)橄到y(tǒng)的行為將與歷史模式不同。

實(shí)時(shí) FDT 的第一步是預(yù)處理，預(yù)處理需要替換缺失的值，刪除不完整的列和行以及極值。這些信息清理的步驟還可以包括數(shù)據(jù)集成、還原、離散化和轉(zhuǎn)換，以使工具快速工作并禁止虛假結(jié)果。因此，多余的輸入變量 （ 如常量 ） 被刪除，缺失的值被替換為零，并取缺失值單元最近鄰居值的平均值。

本研究使用重要度評(píng)分來(lái)建立源元素 （ 輸入數(shù)據(jù) ）對(duì)目標(biāo)元素 （ 輸出數(shù)據(jù) ） 行為的影響。這些步驟旨在確定可操作的數(shù)據(jù)處理大小，將對(duì)目標(biāo)組件的態(tài)度提供有效貢獻(xiàn)。

因此，預(yù)測(cè)分析中的第一個(gè)過(guò)程是將源元素的讀數(shù)與目標(biāo)元素的讀數(shù)以及源元素對(duì)記錄的目標(biāo)元素的累積影響關(guān)聯(lián)起來(lái)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練利用公式中的信息組合估計(jì)目標(biāo)組件的值，在交叉驗(yàn)證集成過(guò)程中使用如圖

3 所示的結(jié)構(gòu)執(zhí)行。

用于 FD 改進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，Txl 為目標(biāo)元素 （ 輸出 ），Tx2，Tx3，…，Tx234 表示系統(tǒng)的源元素 （ 輸入 ）。

建議的方法使用兩組輸入數(shù)據(jù)，即當(dāng)前的 BMS 數(shù)據(jù)和過(guò)去的 BMS 數(shù)據(jù)，計(jì)算兩者之間的相似性，以判斷當(dāng)前建筑能源使用模式是否存在異常。因此，建議的FDT 由兩個(gè)子任務(wù)組成：（1） 從數(shù)據(jù)集中獲取歷史數(shù)據(jù)，（2） 確定當(dāng)前 BMS 讀取值與過(guò)去值之間的相似性。

建筑系統(tǒng)在不同的天氣和操作模式下表現(xiàn)非常不同。為了有效地檢測(cè)建筑用電量的異常模式，在相似的環(huán)境和運(yùn)行條件下，比較觀察到的用電量模式是很重要的。因此，建議的 FDT 第一個(gè)子任務(wù)是檢測(cè)與當(dāng)前情況類似的過(guò)去情況下觀察到的電力使用信息。

4.2 本算法功能

（1）驗(yàn)證數(shù)據(jù)，去除人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中極端和遺漏的列。

（2）比較兩組數(shù)據(jù)的每個(gè)參數(shù)值。

（3）如果所有遵從度小于或等于 5%，顯示 OK 消息并關(guān)閉。

（4）如果遵從度大于 5%，顯示錯(cuò)誤并保存報(bào)告。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在本節(jié)中，我們描述了為評(píng)估建議方法的有效性而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。我們執(zhí)行了兩次算法，每次使用不同的數(shù)據(jù)集。

5.1 第一個(gè)數(shù)據(jù)集測(cè)試

本文測(cè)試的第一個(gè)數(shù)據(jù)集，是由Energy Plus生成的，這是最流行的能源模擬工具。為了進(jìn)行評(píng)估，我們創(chuàng)建了兩個(gè)不同的數(shù)據(jù)集：過(guò)去的電力使用數(shù)據(jù)集和當(dāng)前的能源使用數(shù)據(jù)集。為了收集過(guò)去的能源使用數(shù)據(jù)集，模擬了一個(gè)住宅建筑一年時(shí)間的 Energy Plus。過(guò)去的電力使用數(shù)據(jù)被收集并建模然后存儲(chǔ)在 XML 文件中。為了對(duì)建議的方法進(jìn)行評(píng)估，我們還生成了當(dāng)前的電力使用數(shù)據(jù)集 （ 與測(cè)試數(shù)據(jù)集兼容 ）。通過(guò)在 Energy Plus 上模擬相同的建筑，還隨機(jī)提取了部分用電數(shù)據(jù)并加入了噪聲。注意，我們向 Energy Plus 生成的電力使用數(shù)據(jù)添加噪聲的想法是創(chuàng)建一組作為異常電力使用模式工作的測(cè)試數(shù)據(jù)。圖 4 顯示了檢測(cè)建筑用電量的異常模式，并向操作中心實(shí)時(shí)解決這些問(wèn)題。通過(guò) FDT 可以看出，我們可以實(shí)現(xiàn)非常低的錯(cuò)誤率。這驗(yàn)證了所提出的方法可非常有效地檢測(cè)異常模式的建筑能耗。

5.2 第二個(gè)數(shù)據(jù)集測(cè)試

在 BMS 用于機(jī)場(chǎng)等大型建筑運(yùn)行監(jiān)控的基礎(chǔ)上，選擇了用于說(shuō)明 FDT 有效性的實(shí)驗(yàn)用例。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由7 個(gè)大廳、154 個(gè)辦公室、12 個(gè)數(shù)據(jù)室和 22 個(gè)動(dòng)力室的輸入組成，它們屬于本次任務(wù)選擇的建筑之一。每個(gè)地方都配備了當(dāng)?shù)氐目照{(diào) （AC） 機(jī)組，可以通過(guò)位于房間內(nèi)的控制面板進(jìn)行管理。用戶可以開(kāi)關(guān) AC 單元，來(lái)改變所需的室溫?？照{(diào)控制送風(fēng)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，控制中央暖氣散熱器閥門的開(kāi)啟或關(guān)閉。如果該地方的窗戶被打開(kāi)，空調(diào)自動(dòng)關(guān)閉。所有的交流操作都對(duì)能耗有直接影響。數(shù)據(jù)集是由 BMS 生成的，包含所有選定位置數(shù)據(jù)的 30 480 個(gè) XML 文件。采用 FDT 后，我們發(fā)現(xiàn)它對(duì)能源消耗有很大的影響，已經(jīng)報(bào)告和處理了許多能源使用失真。

在使用 FDT 后，如果功耗出現(xiàn)失真，報(bào)警將發(fā)送到操作中心，執(zhí)行所有程序，恢復(fù)到如圖 5 所示的正常狀態(tài)。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著人們對(duì)能源的日益關(guān)注，提高能源利用效率已經(jīng)成為世界各國(guó)一個(gè)非常重要的課題。在本文中，我們首先回顧和研究了大數(shù)據(jù)與人工智能的融合;在此基礎(chǔ)上，提出了一種利用 BMS 大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)檢測(cè)異常能耗的新工具。這可以加強(qiáng)對(duì)建筑系統(tǒng)的監(jiān)控，提高建筑的舒適性，有效降低建筑的能耗運(yùn)行成本。此外，作者還提出了一種利用人工智能和建筑管理系統(tǒng) （BMS）產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)自動(dòng)檢測(cè)異常能耗的工具;設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)故障檢測(cè)工具 （FDT），用于檢測(cè)能源的異常消耗，優(yōu)化不同資源的使用，分析故障、投訴和終止它們所需的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)出建筑能耗的異常模式，該工具是人工智能決策系統(tǒng)的一部分。

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