一種提高樓宇設(shè)備運行效率的非合作分布式優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及了一種用于樓宇設(shè)備的分布式優(yōu)化方法，尤其是涉及了一種提高樓宇 設(shè)備運行效率的非合作分布式優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，我國的建筑能耗逐年大幅度上升，已達全社會能源消 耗量的32%，加上每年房屋建筑材料生產(chǎn)能耗約13%，建筑總能耗已達全國能源總消耗量 的45%。我國現(xiàn)有建筑面積為400多億m2,絕大部分為高能耗建筑，且每年新建建筑近20 億m2,其中95%以上仍是高能耗建筑。如果繼續(xù)執(zhí)行節(jié)能水平較低的設(shè)計標(biāo)準，將留下很重 的能耗負擔(dān)和治理困難。龐大的建筑能耗，已經(jīng)成為國民經(jīng)濟的巨大負擔(dān)。因此建筑行業(yè) 全面節(jié)能勢在必行。
[0003] 建筑樓宇集成系統(tǒng)中的建筑自動化智能系統(tǒng)就是通過合理配備建筑現(xiàn)場控制設(shè) 備，對建筑物（或建筑群）內(nèi)樓宇設(shè)備（空調(diào)、電梯、給排水、照明等設(shè)備）諸多子系統(tǒng)構(gòu)成 一個有機的整體，通過優(yōu)化控制系統(tǒng)，達到在確保建筑內(nèi)環(huán)境舒適、充分考慮能源節(jié)約和環(huán) 境保護的條件下，使設(shè)備處于最佳運行狀態(tài)和最佳利用率，提高管理水平，降低運營成本， 提供安全舒適、高效便利的工作環(huán)境。
[0004] 樓宇設(shè)備控制系統(tǒng)中的控制方法作為控制系統(tǒng)的核心，對于保證樓宇內(nèi)部多種設(shè) 備的高效、節(jié)能運行具有重要作用。
[0005] 為便于工程應(yīng)用，現(xiàn)有的控制系統(tǒng)以微機技術(shù)為基礎(chǔ)，基于高速DDC和相應(yīng)操作 軟件，具有現(xiàn)場采集、控制、通訊、數(shù)據(jù)存儲、故障上傳、現(xiàn)場監(jiān)控等功能，系統(tǒng)包括上位機網(wǎng) 絡(luò)管理系統(tǒng)及現(xiàn)場主控模塊、數(shù)字量和模擬量輸入/輸出模塊，可接插多類網(wǎng)絡(luò)板卡，支持 多點物理點和虛擬點。但是現(xiàn)有技術(shù)只針對硬件系統(tǒng)的改進，缺少對于控制系統(tǒng)中控制方 法的研發(fā)，致使樓宇設(shè)備難以發(fā)揮智能化控制作用，節(jié)能效果有限。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 為解決上述問題，本發(fā)明提出了一種提高樓宇設(shè)備運行效率的非合作分布式優(yōu)化 方法，通過優(yōu)化樓宇設(shè)備控制方法，以達到提高運行效率、節(jié)約能源、提高樓宇舒適度的目 的。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案采用如下步驟：
[0008] 1)針對樓宇設(shè)備建立通信矩陣s(t)及其最小通信要求，以實現(xiàn)對分布式優(yōu)化問 題的有效求解，樓宇設(shè)備包括中央空調(diào)、智能照明、電梯智能監(jiān)控設(shè)備和給排水系統(tǒng)；
[0009] 2)通信矩陣下，在局部信息條件下將各個樓宇設(shè)備的分布式優(yōu)化問題映射建模為 基于狀態(tài)量序數(shù)的分布式優(yōu)化模型，分布式優(yōu)化模型包括狀態(tài)空間函數(shù)、行為函數(shù)、狀態(tài)更 新函數(shù)、收益函數(shù)和勢函數(shù)；
[0010] 3)針對分布式優(yōu)化模型，采用基于收益函數(shù)的基準學(xué)習(xí)方法，對各個時刻的分布 式優(yōu)化模型進行迭代計算，實現(xiàn)樓宇設(shè)備行為的分布式優(yōu)化。
[0011] 所述的步驟1)中通信矩陣s(t)采用以下公式1 :
[0012]
【主權(quán)項】
1. 一種提高樓宇設(shè)備運行效率的非合作分布式優(yōu)化方法，其特征在于包括以下步驟： 1) 針對樓宇設(shè)備建立通信矩陣s(t)及其最小通信要求，以實現(xiàn)對分布式優(yōu)化問題的 有效求解，樓宇設(shè)備包括中央空調(diào)、智能照明、電梯智能監(jiān)控設(shè)備和給排水系統(tǒng)； 2) 通信矩陣下，在局部信息條件下將各個樓宇設(shè)備的分布式優(yōu)化問題映射建模為基于 狀態(tài)量序數(shù)的分布式優(yōu)化模型，分布式優(yōu)化模型包括狀態(tài)空間函數(shù)、行為函數(shù)、狀態(tài)更新函 數(shù)、收益函數(shù)和勢函數(shù)； 3) 針對分布式優(yōu)化模型，采用基于收益函數(shù)的基準學(xué)習(xí)方法，對各個時刻的分布式優(yōu) 化模型進行迭代計算，實現(xiàn)樓宇設(shè)備行為的分布式優(yōu)化。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高樓宇設(shè)備運行效率的非合作分布式優(yōu)化方法，其特 征在于：所述的步驟1)中通信矩陣S (t)采用以下公式1 :
其中，syt)為通信矩陣中的元素，表示設(shè)備i和設(shè)備j之間的通信關(guān)系，i和j代表 四類樓宇設(shè)備中的任一一種設(shè)備，i和j均取1，2, 3或者4,1，2, 3, 4分別代表中央空調(diào)、智 能照明系統(tǒng)、電梯智能監(jiān)控設(shè)備和給排水系統(tǒng)，t代表時刻；當(dāng)設(shè)備i和設(shè)備j之間不存在 通信時，S u(t) = O ;當(dāng)設(shè)備i和設(shè)備j之間存在通信時，Su(t) = 1。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高樓宇設(shè)備運行效率的非合作分布式優(yōu)化方法，其特 征在于：所述的步驟1)中通信矩陣S (t)的最小通信要求具體為： 將各時刻的通信矩陣組成以下公式2的序列S-(τι )，并利用序列完備條件進行判斷： S-(n) = s(tn)'sUn) ~s(tn_2) ~s(t0) (2) 其中，η代表時刻的序數(shù)，η取正整數(shù)，η = 1，2……;如果序列S-(η)是下三角完備 的，那么該序列S-(Il)對應(yīng)的通信矩陣s(t)滿足最小通信要求。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高樓宇設(shè)備運行效率的非合作分布式優(yōu)化方法，其特 征在于：所述的步驟2)中的狀態(tài)空間函數(shù)為：
其中，X為狀態(tài)空間中的狀態(tài)變量；Vi表示當(dāng)前設(shè)備i的真實值，心4分別表示當(dāng) 前設(shè)備i對中央空調(diào)、智能照明系統(tǒng)、電梯智能監(jiān)控設(shè)備和給排水系統(tǒng)的真實值的狀態(tài)空 間估計值，A = , ef)表示包括, e；4的向量。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高樓宇設(shè)備運行效率的非合作分布式優(yōu)化方法，其特 征在于：所述的步驟2)中的行為函數(shù)如下：
其中，表示當(dāng)前行為屮所引起的真實值^的行為改變量，分別表示當(dāng) 前行為％所引起的設(shè)備i對中央空調(diào)、智能照明系統(tǒng)、電梯智能監(jiān)控設(shè)備和給排水系統(tǒng) 的真實值的狀態(tài)空間估計值的改變量，《=^,€,&<)代表包括1琴,與,<的向量；上述 均采用以下公式計算：
其中，表示設(shè)備i傳遞給設(shè)備j關(guān)于設(shè)備k的狀態(tài)空間估計值的改變量，k代表四 類樓宇設(shè)備中任一一種設(shè)備，k取1，2, 3或者4,1，2, 3, 4分別代表中央空調(diào)、智能照明系統(tǒng)、 電梯智能監(jiān)控設(shè)備和給排水系統(tǒng)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高樓宇設(shè)備運行效率的非合作分布式優(yōu)化方法，其特 征在于：所述的步驟2)中的狀態(tài)更新函數(shù)具體為：
其中，^表示設(shè)備i真實值的更新值，ef表示當(dāng)前設(shè)備i對任意樓宇設(shè)備k的真實值的 狀態(tài)空間估計值，之表示設(shè)備i對任意設(shè)備k狀態(tài)空間估計值的更新值，η為樓宇設(shè)備的總 數(shù)；C為判斷函數(shù)，i = k時，0=1，i乒k時，ζ/=O ; Sij (t)為通信矩陣中的元素。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高樓宇設(shè)備運行效率的非合作分布式優(yōu)化方法，其特 征在于：所述的步驟2)中的收益函數(shù)Uy(X)采用以下公式：
其中，Vi表示當(dāng)前設(shè)備i的真實值，ω yt)是設(shè)備i和設(shè)備j之間的通信權(quán)重參數(shù)， ω u (t)彡0, <表示當(dāng)前設(shè)備j對任意樓宇設(shè)備k的真實值的狀態(tài)空間估計值，V為目標(biāo)函 數(shù)，α為權(quán)重參數(shù)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高樓宇設(shè)備運行效率的非合作分布式優(yōu)化方法，其特 征在于：所述的步驟2)中的勢函數(shù)<?(幻采用以下公式：
其中，α為權(quán)重參數(shù)，V為目標(biāo)函數(shù)，X為狀態(tài)空間中的狀態(tài)變量，< 表示當(dāng)前設(shè)備j對 任意樓宇設(shè)備k的真實值的狀態(tài)空間估計值，k代表四類樓宇設(shè)備中任一一種設(shè)備。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高樓宇設(shè)備運行效率的非合作分布式優(yōu)化方法，其特 征在于：所述的步驟3)中基于收益函數(shù)的基準學(xué)習(xí)方法具體為： 3. 1)由采用所述行為函數(shù)得到的所有行為％組成行為集合，在起始時刻t = 0,隨機 從行為集合中選擇任意一個樓宇設(shè)備i的行為ajt)作為基準行為<，并且將其當(dāng)前的收 益函數(shù)UiUa))作為基準收益函數(shù)巧，即<=a,(0)，(x(0)); 3. 2)對于時刻t多1的任意樓宇設(shè)備i，其新行為ai(t)的取值滿足以下方式： 時刻t的新行為％⑴與基準行為of相等的概率為1- ε，時刻t的新行為％⑴與從 行為集合中隨機其他任一行為相等的概率為ε，ε e (〇，1); 3. 3)各個時刻下，基準行為和基準收益函數(shù)采用以下方式進行更新： 對于任意樓宇設(shè)備i，如果當(dāng)前時刻t的新行為％ (t)下的收益函數(shù)小于基準收益函 數(shù)，則用當(dāng)前時刻t的新行為％ (t)代替基準行為，即 ⑴，并用當(dāng)前時刻t的新行為 % (t)下的收益函數(shù)代替基準收益函數(shù)，S卩巧=MCv(O); 如果當(dāng)前時刻t的新行為％ (t)下的收益函數(shù)大于等于基準收益函數(shù)，則基準行為和 基準收益保持不變； 3.4)建立目標(biāo)函數(shù)V，按照各個時刻t = t+l進行迭代計算，重復(fù)步驟3. 2)和3. 3)直 到目標(biāo)函數(shù)V的值達到穩(wěn)定的最小值。
10.根據(jù)權(quán)利要求7?9任一所述的一種提高樓宇設(shè)備運行效率的非合作分布式優(yōu)化 方法，其特征在于：所述的目標(biāo)函數(shù)V采用以下公式： V = min (Xi)，f2 (Xi)，f3 (Xi)，f4 (Xi)} 其中，A(Xi)為表征樓宇舒適度的代價函數(shù)，舒適度為溫度與濕度的比值，f2(Xi)為表 征能耗的代價函數(shù)，f3 (Xi)為表征設(shè)備運行效率的代價函數(shù)，f4 (Xi)為表征設(shè)備運行磨損率 的代價函數(shù)； 上述的fi (Xi)、f2 (Xi)、f3 (Xi)和f4 (Xi)分別采用以下公式進行：
其中，111、&、131、&分別為第1次運算的中央空調(diào)進化值、智能照明系統(tǒng)進化值、電梯 智能監(jiān)控設(shè)備進化值和給排水系統(tǒng)進化值，i代表第i次運算。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種提高樓宇設(shè)備運行效率的非合作分布式優(yōu)化方法。針對樓宇設(shè)備建立通信矩陣及其最小通信要求，以實現(xiàn)對分布式優(yōu)化問題的有效求解；通信矩陣下，在局部信息條件下將各個樓宇設(shè)備的分布式優(yōu)化問題映射建模為基于狀態(tài)量序數(shù)的分布式優(yōu)化模型，分布式優(yōu)化模型包括狀態(tài)空間函數(shù)、行為函數(shù)、狀態(tài)更新函數(shù)、收益函數(shù)和勢函數(shù)；針對分布式優(yōu)化模型，采用基于收益函數(shù)的基準學(xué)習(xí)方法，對各個時刻的分布式優(yōu)化模型進行迭代計算，實現(xiàn)樓宇設(shè)備行為的分布式優(yōu)化。本發(fā)明可提高樓宇設(shè)備的分布式智能化控制，提高樓宇舒適度、降低能耗、提高設(shè)備運行效率、降低樓宇設(shè)備運行維護費用。
【IPC分類】H04L12-24, H04L12-28
【公開號】CN104539495
【申請?zhí)枴緾N201510036226
【發(fā)明人】楊捷, 張國月, 齊冬蓮, 張建良, 丁攀, 潘巍巍, 郁元朗
【申請人】浙江大學(xué), 寧波成筑智能科技有限公司
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2015年1月23日