2. 8. 2017
Za úspěchem, díky němuž došlo k ušetření na vytápění komplexu ČVUT, které znamená průměrnou úsporu 18 procent (800 tisíc Kč) za topnou sezónu, stojí pokročilá matematika a práce studentů z katedry řídicí techniky.
Budovy jsou dle školy ideálním testovacím prostředím, a tak zde vědci jako první v Evropě použili k řízení vytápění takzvaný prediktivní regulátor.
Výpočty v půlhodinových cyklech
Prediktivní regulátor je počítačový program, který se stará se o optimalizaci veškerých energetických toků budovy. Software v půlhodinových cyklech provádí výpočty založené na matematickém popisu termodynamiky budovy, aktuálním vývoji teploty uvnitř i venku či předpovědi počasí, a následně reguluje přívod otopné vody do systému.
Provoz regulátoru je úsporný, náklady na hardware i software jsou minimální. Nevyžaduje navíc velké zásahy do stávajícího systému vytápění. Tvorba matematického modelu budovy a samotná implementace systému však vyžaduje znalosti z oboru řídicí techniky, fyziky budov a také zkušenosti s napojením řídicích systémů budov.
„Jelikož implementace prediktivního regulátoru v univerzitní budově byla první reálnou aplikací v Evropě, zahraniční partneři měli značný zájem o praktické poznatky našich studentů,“ uvedlo ČVUT.
Výzkum tématu na katedře pokračuje i dále, kupříkladu nedávná práce Evy Žáčekové publikovaná v odborném časopise Control Engineering Practice ukázala další možnosti zefektivnění této metody.
„S odstupem času lze říci, že se jedná o mimořádný úspěch našeho výzkumu a vývoje. Články na toto téma jsou hojně citované a patří mezi základní publikace oboru," řekl Michael Šebek z dané katedry.
Metoda se rozšiřuje i ve světě
Pro svou efektivitu se v letech 2011–2017 metoda aplikovala v mnoha dalších budovách v ČR i ve světě, a to v Praze a okolí (kancelářská budova, základní škola, obytný panelový dům), v Belgii (kancelářská budova s tepelným čerpadlem) a dokonce i v USA v budově knihovny Kalifornské univerzity v Berkeley.
Komerčně dále metodu rozvíjejí firmy Feramat Cybernetics a Energocentrum Plus. „V posledním roce jsme prediktivní řízení budovy ČVUT rozšířili o hlídání maximálního odběru tepla, což je limit, který je nastavený s teplárenskou společností," dodal Jan Široký ze společnosti Energocentrum Plus s tím, že díky tomu nehrozí penále za překročení limitu.
„Metoda se v budoucnu může stát samozřejmou součástí inteligentních budov na celém světě. Jsme rádi, že jsme k tomu mohli významně přispět," uzavřel Šebek.
Tolik tisková zpráva. Vysvětlení matematických principů metody - ale s vynecháním matematiky samotné, tedy bez vzorců a rovnic ;) - najdete na webu programu KyR a na webu katedry.
Prediktivní řízení - známé také jako Model Predictive Control či pod zkratkou MPC – je moderní pokročilá metoda automatického řízení. V 80. let 20. století se začala heuristicky používat pro řízení průmyslových procesů v chemických provozech a rafineriích ropy. Hlavní výzkumné úsilí začíná až v 90. letech zapojením sofistikované matematiky zejména pro hledání důkazů a vysvětlení úspěšného chování a zkoumání vlastností této metody. Teprve poté byla navržena další výrazná vylepšení a modifikace, postupně rozšiřující využitelnost metody v dalších průmyslových odvětvích.
MPC využívá znalost matematického modelu řízeného procesu - odtud písmeno M ve zkratce. Obvykle začíná s jednoduchým empirickým modelem a v průběhu řízení ho mění a vylepšuje průběžnou identifikací. Dalším nezbytným prvkem metody je odhad – Predikce – budoucích poruch, požadavků na chování, a všech možných dalších externích signálů a veličin ovlivňujících proces a jeho řízení. Tato – jako by dokonalá – znalost řízeného procesu přes jeho model a – jako by spolehlivé -předpovídání blízké i daleké budoucnosti teoreticky umožnuje zapojit složité optimalizační algoritmy a jimi navrhnout dokonalé budoucí chování celého procesu a hlavně k němu nezbytné optimální řídicí zásahy. Takže se taková až do daleké budoucnosti nejlepší možná posloupnost řídicích zásahů vypočte – a pak se z ní provede se jen jediný krok – právě ten první!. Druhý, a ani žádný další krok se už neprovede – neboť přirozeně nikdo doopravdy nevěří, že budoucnost bude právě taková, jak jsme při výpočtu předpokládali. Podobně nikdo nevěří, že model použitý pro výpočet je absolutně přesný. Co tedy uděláme dál? Nejprve změříme výstup procesu a případně podle něj upravíme a upřesníme model. Dále změříme všechny současné - a tedy skutečné – hodnoty externích signálů a veličin, a podle nich upravíme jejich predikce do budoucna. No, a když tohle vše máme – tak prostě zopakujeme znovu celý ten složitý postup pěkně od začátku, ale teď s novými a aktuálnějšími hodnotami. A zas použijeme jediný krok. A pak to celé znovu, a znovu a znovu – pořád dokola.
Opakovaně provádíme složité výpočty, a velkou většinu jejich výsledků pak rozmařile zahazujeme. Ano, to je prediktivní řízení – až naivně odvážné při návrhu a současně extrémně opatrné při realizaci. Zdravý rozum nám říká, že to fungovat může, a také první pokusy tomu nasvědčovaly – přesto trvalo mnoho let, než se začalo dařit dokázat globální konvergenci celého procesu a tak vůbec ospravedlnit použití tohoto přístupu.
Jako vše, také MPC má nevýhody. Výpočet v každém kroku dost dlouho trvá, takže se metoda dosud používá jen pro pomalé procesy, u kterých je na to čas. Přestože se postupem času zrychluje hardware i algoritmy, pořád je vhodnější pomalejší procesy s periodami vzorkování v minutách než pro ty rychlé v milisekundách. Další nevýhoda je metodický. Celý ten postup často funguje, ale my ani nevíme, proč. Většinou ani nepřináší žádný vhled a porozumění procesu a jeho řízení. Vlastně to funguje – a my tak nějak ani nevíme, proč. Tudíž často netušíme, kdy to fungovat přestane, proč to přestane a jak daleko od takového stavu jsme. A samotný proces konkrétního návrhu a ladění
Katedra řídicí techniky se výzkumu a vývoji prediktivního řízení věnuje už řadu let, jak teorii (Sam Prívara, Milan Korda, Eva Žáčeková), a i v aplikacích, zejména pro řízení vytápění budov (Lukáš Ferkl, Jirka Cigler). V této oblasti jsme se dostali mezi nejvýznamnější výzkumné skupiny na světě, vedle ETH Zurich (Manfred Morari a jeho skupina) and UC-Berkeley (Francesco Borrelli a jeho lab), se kterým jsme úspěšně spolupracovali formou společných projektů, společných publikací a pobytů našich doktorandů). Z evropských skupin jsme nejblíže belgické KU Leuven a německé TU Mnichov. MPC je pro řízení vytápění velmi vhodné, protože u takových procesů vystačíme s periodami vzorkování kolem půl hodiny. Úspěšně jsme na několika konkrétních budovách v Praze, Mnichově a Leuven. O to podrobněji hovoří právě článek „ČVUT díky nové metodě ušetřilo milióny za vytápění“ na Novinky.cz .
MPC se ale postupně šíří i do dalších technických oborů: Naši významní absolventi a doktorandi Dan Pachner a Jarda Pekař, kteří dnes pracují ve výzkumu firmy Honeywell, se nedávno proslavili úspěšným použitím MPC metod pro řízení automobilových motorů a dokonce za to dostali významnou Cenu za průmyslový úspěch od Mezinárodní federace automatického řízení IFAC na Světovém kongresu v Toulouse. O tom ale podrobněji píšeme v předchozí aktualitě.
Již první den po odeslání TZ na téma prediktivní vytápění máme veliké úspěchy v médiích:
http://vytapeni.tzb-info.cz/121588-cvut-usetrilo-za-vytapeni-diky-novemu-pocitacovemu-programu
http://sciencemag.cz/algoritmy-pro-prediktivni-rizeni-vytapeni/
http://oenergetice.cz/urady-instituce/cvut-usetrilo-za-vytapeni-diky-novemu-pocitacovemu-programu/
Právo strana 3 - https://gyazo.com/27a7bd4943df714f1d30a3692e688132