Artificial Intelligence Models for Large Scale Buildings Energy Consumption Analysis

par Haixiang Zhao

Thèse de doctorat en Mathématiques appliquées aux systèmes

Sous la direction de Frédéric Magoules.

Le président du jury était Choi-Hong Lai.

Le jury était composé de Frédéric Magoules, David Elizondo, Qingping Guo, Fred Lherminier.

Les rapporteurs étaient David Elizondo, Qingping Guo.

  • Titre traduit

    Modèles d'intelligence artificielle pour analyse énergétique des bâtiments de la consommation


  • Résumé

    La performance énergétique dans les bâtiments est influencée par de nombreux facteurs, tels que les conditions météorologiques ambiantes, la structure du bâtiment et les caractéristiques, l'occupation et leurs comportements, l'opération de sous-composants de niveau comme le chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC). Cette propriété rend complexe la prévision, l'analyse, ou faute de détection / diagnostic de la consommation énergétique du bâtiment est très difficile d'effectuer rapidement et avec précision. Cette thèse se concentre principalement sur la mise à jour des modèles d'intelligence artificielle avec des applications pour résoudre ces problèmes. Tout d'abord, nous passons en revue les modèles récemment développés pour résoudre ces problèmes, y compris des méthodes d'ingénierie détaillée et simplifiée, les méthodes statistiques et les méthodes d'intelligence artificielle. Puis nous simulons des profils de consommation d'énergie pour les bâtiments simples et multiples, et basé sur ces ensembles de données, des modèles de soutien vecteur de la machine sont formés et testés pour faire la prédiction. Les résultats des expériences montrent vaste précision de la prédiction haute et la robustesse de ces modèles. Deuxièmement, déterministe récursif Perceptron (RDP) modèle de réseau neuronal est utilisé pour détecter et diagnostiquer défectueuse consommation d'énergie du bâtiment. La consommation anormale est simulé par l'introduction manuelle d'une dégradation des performances des appareils électriques. Dans l'expérience, le modèle montre la capacité de détection RDP très élevé. Une nouvelle approche est proposée pour diagnostiquer des défauts. Il est basé sur l'évaluation des modèles RDP, dont chacun est capable de détecter une panne de matériel. Troisièmement, nous examinons comment la sélection des sous-ensembles caractéristiques de l'influence la performance du modèle. Les caractéristiques optimales sont choisis en fonction de la faisabilité de l'obtention eux et sur les scores qu'ils fournissent dans l'évaluation de deux méthodes de filtrage. Les résultats expérimentaux confirmer la validité de l'ensemble sélectionné et montrent que la proposé la méthode de sélection fonction peut garantir l'exactitude du modèle et réduit le temps de calcul. Un défi de la consommation énergétique du bâtiment est d'accélérer la prédiction de formation du modèle lorsque les données sont très importantes. Cette thèse propose une mise en œuvre efficace parallèle de Support Vector Machines basée sur la méthode de décomposition pour résoudre de tels problèmes. La parallélisation est réalisée sur le travail le plus fastidieux de formation, c'est à dire de mettre à jour le vecteur gradient de f. Les problèmes intérieurs sont traitées par solveur d'optimisation séquentielle minimale. Le parallélisme sous-jacente est réalisée par la version de mémoire partagée de Map-Reduce paradigme, qui rend le système particulièrement adapté pour être appliqué à des systèmes multi-core et multi-processeurs. Les résultats expérimentaux montrent que notre implémentation offre une augmentation de la vitesse élevée par rapport à libsvm, et il est supérieur à l'état de l'art Pisvm application MPI à la fois la rapidité et l'exigence de stockage.


  • Résumé

    The energy performance in buildings is influenced by many factors, such as ambient weather conditions, building structure and characteristics, occupancy and their behaviors, the operation of sub-level components like Heating, Ventilation and Air-Conditioning (HVAC) system. This complex property makes the prediction, analysis, or fault detection/diagnosis of building energy consumption very difficult to accurately and quickly perform. This thesis mainly focuses on up-to-date artificial intelligence models with the applications to solve these problems. First, we review recently developed models for solving these problems, including detailed and simplified engineering methods, statistical methods and artificial intelligence methods. Then we simulate energy consumption profiles for single and multiple buildings, and based on these datasets, support vector machine models are trained and tested to do the prediction. The results from extensive experiments demonstrate high prediction accuracy and robustness of these models. Second, Recursive Deterministic Perceptron (RDP) neural network model is used to detect and diagnose faulty building energy consumption. The abnormal consumption is simulated by manually introducing performance degradation to electric devices. In the experiment, RDP model shows very high detection ability. A new approach is proposed to diagnose faults. It is based on the evaluation of RDP models, each of which is able to detect an equipment fault.Third, we investigate how the selection of subsets of features influences the model performance. The optimal features are selected based on the feasibility of obtaining them and on the scores they provide under the evaluation of two filter methods. Experimental results confirm the validity of the selected subset and show that the proposed feature selection method can guarantee the model accuracy and reduces the computational time.One challenge of predicting building energy consumption is to accelerate model training when the dataset is very large. This thesis proposes an efficient parallel implementation of support vector machines based on decomposition method for solving such problems. The parallelization is performed on the most time-consuming work of training, i.e., to update the gradient vector f. The inner problems are dealt by sequential minimal optimization solver. The underlying parallelism is conducted by the shared memory version of Map-Reduce paradigm, making the system particularly suitable to be applied to multi-core and multiprocessor systems. Experimental results show that our implementation offers a high speed increase compared to Libsvm, and it is superior to the state-of-the-art MPI implementation Pisvm in both speed and storage requirement.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe sous forme papier

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Ecole Centrale Paris. Bibliothèque.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.