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        基于數(shù)據(jù)分析的智能用電設(shè)備自學(xué)習(xí)模型方案設(shè)計(jì)

        2016-12-31 00:00:00趙賀劉慶時(shí)趙大明賈孟揚(yáng)
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年27期

        摘 要:隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與人們生活水平的提高,智能家居累積了大量用電數(shù)據(jù),對(duì)家庭中家電簡(jiǎn)單的控制與管理已不能滿足用戶舒適、環(huán)保、省電的需求。為了在保障用戶的正常生活需求的前提下節(jié)省用戶生活時(shí)間,文章設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器自學(xué)習(xí)的智能用電電器控制方案。該方案充分利用了智能家居的歷史數(shù)據(jù),通過(guò)機(jī)器自學(xué)習(xí)算法調(diào)整電器的工作方式,提高居民生活質(zhì)量。

        關(guān)鍵詞:智能家居;機(jī)器自學(xué)習(xí);電器控制

        引言

        隨著經(jīng)濟(jì)與科技水平的不斷提高和智能家居技術(shù)的快速發(fā)展,以及計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的不斷發(fā)展,人們開(kāi)始追求更加安全、舒適、環(huán)保、節(jié)能的綠色生活,更加方便、靈活、智能的家用電器也應(yīng)運(yùn)而生,大量用電數(shù)據(jù)開(kāi)始出現(xiàn)并儲(chǔ)存起來(lái),而如何利用這些數(shù)據(jù)就成為了研究的重點(diǎn)。面對(duì)智能家居的巨大市場(chǎng),許多公司都參與到智能家居控制系統(tǒng)的研發(fā)中來(lái),微軟發(fā)布了一個(gè)旨在幫助居民節(jié)省能源的網(wǎng)站-Microsoft Hohm,該網(wǎng)站通過(guò)分析用戶的用電數(shù)據(jù)來(lái)幫助居民節(jié)約能源開(kāi)支;Google公司推出了PowerMeter工具,通過(guò)用戶歷史用電數(shù)據(jù)用來(lái)衡量家用或者商用電器的電能利用情況,以使得用戶了解他們家里各種電器的電能使用狀況,引導(dǎo)用戶作出更明智的電能分配[1-2]。目前研究的方向是建立相應(yīng)的能耗模型,通過(guò)歷史數(shù)據(jù)分析,找尋優(yōu)化策略,進(jìn)行智能化管理。本文提出將機(jī)器自學(xué)習(xí)來(lái)分析用電數(shù)據(jù),合理設(shè)計(jì)出一種基于機(jī)器自學(xué)習(xí)的智能用電電器控制方案。

        1 基于歷史數(shù)據(jù)的機(jī)器自學(xué)習(xí)

        隨著機(jī)器學(xué)習(xí)理論研究的逐漸深入,它的應(yīng)用也日益廣泛,許多優(yōu)秀的算法應(yīng)運(yùn)而生。算法可以分為基于符號(hào)的和基于非符號(hào)的兩類。前者包含機(jī)械式學(xué)習(xí)、歸納學(xué)習(xí)、基于解釋的學(xué)習(xí)等,后者包括基于遺傳算法的學(xué)習(xí)和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)等[3]。

        文章選擇的機(jī)器自學(xué)習(xí)方法為遺傳算法。算法實(shí)現(xiàn)的具體過(guò)程如下:

        (1)定義適應(yīng)度函數(shù),給定種群規(guī)模N,交叉率Pc和變異率Pm以及最大迭代代數(shù)。

        (2)隨機(jī)選擇N個(gè)個(gè)體組成初始種群S,設(shè)置迭代計(jì)數(shù)器t=1。

        (3)計(jì)算種群S中每一個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度函數(shù)值。

        (4)若終止條件滿足,則取S中適應(yīng)度最大的染色體作為所求結(jié)果,算法結(jié)束;否則根據(jù)個(gè)體被選擇的概率p做N次選擇,每次隨機(jī)選擇一個(gè)個(gè)體并復(fù)制,然后將N個(gè)復(fù)制得到的染色體記為新群體S1。

        (5)按Pc所決定的參加交叉的染色體數(shù)c,從S1中隨機(jī)確定c個(gè)染色體,配對(duì)進(jìn)行交叉操作,并用產(chǎn)生的染色體代替原染色體,組成群體S2。

        (6)按Pm所決定的變異次數(shù)m,從S2中隨機(jī)確定m個(gè)染色體,分別進(jìn)行變異操作,并用產(chǎn)生的新染色體代替原染色體,組成群體S3。

        (7)將群體S3作為新種群,即用S3代替S,迭代計(jì)數(shù)器t=t+1,轉(zhuǎn)步驟3。

        2 家電控制模型設(shè)計(jì)

        家庭用電電器選擇空調(diào)、洗衣機(jī)、電熱水器、電視機(jī)、電燈、吸塵器、電飯鍋等七個(gè)用電設(shè)備,其中因?yàn)橛脩魧?duì)空調(diào)的需求量最大,且空調(diào)的控制較為復(fù)雜,空調(diào)負(fù)荷的變化波動(dòng)較大,現(xiàn)在對(duì)用戶的空調(diào)電費(fèi)和空調(diào)舒適度進(jìn)行優(yōu)化,其多目標(biāo)優(yōu)化模型如下:

        其中,t為時(shí)間標(biāo)記(t=0,1,…,23,間隔為1h),Pt為時(shí)刻t對(duì)應(yīng)的分時(shí)/實(shí)時(shí)電價(jià)(元/kWh),Qt為時(shí)間t內(nèi)對(duì)應(yīng)的空調(diào)用電量(kWh),Tdesired為室內(nèi)最舒適溫度(℃),Ttin為t時(shí)刻對(duì)應(yīng)的室內(nèi)溫度(℃),Qmax為時(shí)刻t內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)最大電能消耗量(kWh),Tmin和Tmax分別為室內(nèi)溫度下限和上限(℃)。

        空調(diào)控制以用戶手動(dòng)控制為最高優(yōu)先級(jí),在用戶不進(jìn)行手動(dòng)控制時(shí)進(jìn)行自動(dòng)控制。自動(dòng)控制通過(guò)遺傳算法來(lái)計(jì)算空調(diào)優(yōu)化后的負(fù)荷數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ),使空調(diào)按照優(yōu)化后的負(fù)荷曲線工作。在空調(diào)工作一天完成后,以實(shí)際工作負(fù)荷曲線作為歷史數(shù)據(jù),進(jìn)行第二天的優(yōu)化控制。

        3 實(shí)驗(yàn)仿真

        實(shí)驗(yàn)環(huán)境為MATLAB R2014a,選取式4作為適應(yīng)度函數(shù),取種群規(guī)模為50,交叉概率為0.6,變異概率為0.1,則遺傳次數(shù)為30次本文模型及算法的設(shè)計(jì)基于當(dāng)前國(guó)內(nèi)電價(jià)市場(chǎng)現(xiàn)狀,Pt和T分別采用北京市分時(shí)電價(jià)以及夏季典型日氣溫曲線如圖1、圖2所示。

        將實(shí)時(shí)電價(jià)與溫度曲線作為參數(shù),將用戶原始用電負(fù)荷作為歷史數(shù)據(jù),通過(guò)遺傳算法計(jì)算優(yōu)化前后用電設(shè)備總優(yōu)化效果如圖3:

        a曲線為原始的負(fù)荷曲線,b曲線為優(yōu)化后的負(fù)荷曲線,由于實(shí)時(shí)電價(jià)的原因,用電負(fù)荷在高峰時(shí)期有少量的降低,同時(shí)在夜間休息時(shí)期,也降低了用電量,減少了不必要的損失。

        優(yōu)化前后電費(fèi)與電量如表1所示。

        由負(fù)荷曲線可得優(yōu)化前電費(fèi)為9.56元,優(yōu)化后電費(fèi)為7.81元,優(yōu)化前的電量為8.9144kW/h,優(yōu)化后的電量為7.1722kW/h。用戶舒適度K=0.9173,可見(jiàn)根據(jù)用戶用電行為習(xí)慣的歷史數(shù)據(jù),考慮用戶實(shí)時(shí)電價(jià)的因素,通過(guò)機(jī)器自學(xué)習(xí)算法,降低電費(fèi)與電能損耗,同時(shí)保證了一定的用戶用電舒適度,比如空調(diào)負(fù)荷的優(yōu)化與氣溫有著相似變化,呈現(xiàn)正比關(guān)系,氣溫高時(shí)空調(diào)功率較大,氣溫低時(shí)降低了空調(diào)功率,電飯鍋開(kāi)啟時(shí)間由11:00調(diào)整至10:30,洗衣機(jī)開(kāi)啟時(shí)間由21:00調(diào)整至22:00,電熱水器由22:00-次日2:00調(diào)整至0:00-4:00,在降低了電費(fèi)的情況下,又一定程度保持了用戶的用電習(xí)慣,達(dá)到優(yōu)化目的。

        4 總結(jié)與展望

        文章通過(guò)智能用電電器控制策略研究,設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器自學(xué)習(xí)的智能用電電器控制方案,該方案可以利用以往歷史中存儲(chǔ)的大量用電數(shù)據(jù),通過(guò)自學(xué)習(xí)算法,電器可以自行調(diào)整至最佳的工作狀態(tài),并依據(jù)不同的實(shí)際情況調(diào)整自身工作方式,并將每次工作狀態(tài)作為歷史記錄保存起來(lái),為用戶制定更加舒適、環(huán)保、省電的電器使用策略提供了依據(jù)。

        參考文獻(xiàn)

        [1]侍必勝.家庭能耗管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京信息工程大學(xué),2012.

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        [3]郭亞寧,馮莎莎.機(jī)器學(xué)習(xí)理論研究[J].中國(guó)科技信息,2010,14:208-209,214.

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