JPH11175504A - Energy consumption predicting method - Google Patents

Energy consumption predicting method

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JPH11175504A
JPH11175504A JP33688597A JP33688597A JPH11175504A JP H11175504 A JPH11175504 A JP H11175504A JP 33688597 A JP33688597 A JP 33688597A JP 33688597 A JP33688597 A JP 33688597A JP H11175504 A JPH11175504 A JP H11175504A
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JP
Japan
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equation
data
energy demand
estimating
given
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Takashi Matsumoto
隆 松本
Hiroaki Hamagishi
広明 浜岸
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To predict further exact energy demand in a building or a city. SOLUTION: In this predicting method, energy demand is predicted based on the applied past energy demand data of a building or the entire city, and weather data such as indoor or outdoor temperature or humidity, solar light quantity, and wind speed by using a hierarchical Bayesian statistical method.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ビルディングない
しは都市におけるエネルギー消費を高精度で予測する方
法に関する。本発明の方法は、低負荷環境の実現、炭酸
ガス発生の低減、省エネルギーの実現といった、幅広い
産業上の利用が可能である。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for accurately predicting energy consumption in a building or city. The method of the present invention can be used in a wide range of industries, such as realizing a low-load environment, reducing the generation of carbon dioxide, and realizing energy saving.

【0002】[0002]

【従来の技術】低負荷環境、炭酸ガス発生の低減、省エ
ネルギーの実現と関連し、ビルディングないしは都市の
エネルギー消費予測は、重要な役割を演じている。この
ような問題は、例えば、廉価な夜間電力を用いて蓄えた
水を冷却し、翌日の空調に用いる電力を節約する問題に
適用可能である。夜間に冷却した水が少なすぎると翌
日、割高な電力を購入する必要があり、一方、夜間に冷
却した水が多すぎれば、これも無駄になることはいうま
でもない。この種の問題はいわゆる「低負荷環境」の問
題として、二酸化炭素の発生量の低減とも関連して、日
本でも注目されつつある。
2. Description of the Related Art In connection with realization of a low-load environment, reduction of carbon dioxide gas generation, and energy saving, prediction of energy consumption of a building or a city plays an important role. Such a problem is applicable to, for example, a problem of cooling stored water using inexpensive nighttime power and saving power used for air conditioning on the next day. If the amount of water cooled at night is too small, it will be necessary to purchase expensive power the next day, while if the amount of water cooled at night is too large, it goes without saying that this is also wasted. This kind of problem is also attracting attention in Japan as a so-called "low load environment" problem in connection with the reduction of the amount of carbon dioxide generated.

【0003】このようなエネルギー消費予測のために
は、すでに多くの方法が報告されている。たとえば、筒
井、「データマイニングにおける非線形システムのモデ
リングとその応用」、システム/制御/情報、Vol. 40,
No. 12, pp. 522-530, 1996では、Topological Case-B
ased Modeling と呼ばれる手法が報告されている。この
手法は、位相(topology) の概念に基づいて、入出力関
係の連続性が成り立つ対象について一般的にモデルの具
現化を行うものである。
[0003] Many methods have been reported for such energy consumption prediction. For example, Tsutsui, "Modeling and Application of Nonlinear Systems in Data Mining", Systems / Control / Information, Vol. 40,
No. 12, pp. 522-530, 1996, Topological Case-B
A technique called ased Modeling has been reported. In this method, a model is generally embodied for an object in which continuity of an input-output relationship is established, based on a concept of topology.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述のような
従来技術とは全く別の観点から予測を行う、精度の高い
エネルギー消費予測手法を提供することを目的とする。
本発明の方法は、ワークステーションやパソコンなど、
現行の標準的なハードウェアにより実行可能なプログラ
ムとして実現可能なものである。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a highly accurate energy consumption prediction method for performing prediction from a completely different point of view as compared with the above-mentioned prior art.
The method of the present invention can be used to
It can be realized as a program executable by current standard hardware.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明は、階層ベイズ的
ニューラルネットワークと呼ばれるパラダイムにより、
与えられたスカラーデータから非線形ダイナミカルシス
テムを生成することによりエネルギー消費予測を行うこ
とを提案するものである。ニューラルネットを「基底関
数」として、非線形時系列予測手法を提案するものであ
る。
The present invention is based on a paradigm called a hierarchical Bayesian neural network.
This paper proposes to perform energy consumption prediction by generating a nonlinear dynamical system from given scalar data. This paper proposes a nonlinear time-series prediction method using a neural network as a “basic function”.

【0006】本発明において、「エネルギー消費」と
は、単一のビルディング、ビルディングの集合体、ある
いは、特定の地域、都市全体、ないしは全国にあるビル
ディング全部における電気、ガス、その他の燃料、温
水、冷水などのエネルギー消費を広く意味するものであ
る。また、予測の頻度については、1時間毎、数分毎、
1日ごと、1週間毎など、与えられたデータと目的によ
り適応的に予測を行うことができる。
In the context of the present invention, "energy consumption" refers to electricity, gas, other fuels, hot water, and the like in a single building, a group of buildings, or a specific area, an entire city, or all buildings nationwide. It widely means energy consumption such as cold water. For the frequency of prediction, every hour, every few minutes,
The prediction can be made adaptively according to given data and purpose, for example, every day or every week.

【0007】本発明は、階層ベイズ統計手法を用いて、
与えられた過去のビルディングあるいは都市全体のエネ
ルギー需要データと気象データに基づいてエネルギー需
要を予測する方法であって、与えられたデータからパラ
メータ化されたフィードフォワードニューラルネットワ
ーク族により非線形ダイナミカルシステムとしてのマル
コフ過程を生成するステップと、ダイナミカルシステム
の次数を推定するステップと、パラメータ化されたフィ
ードフォワードニューラルネットワーク族の隠れた素子
数を推定するステップと、パラメータ化されたフィード
フォワードニューラルネットワーク族により非線形ダイ
ナミカルシステムを生成する際のハイパーパラメータを
推定するステップと、パラメータ化されたフィードフォ
ワードニューラルネットワーク族により非線形ダイナミ
カルシステムを生成する際のパラメータを推定するステ
ップと、を含み、予測確率が最大になるパラメータによ
り生成されるダイナミカルシステムから得られる値を最
も確からしい予測値とするエネルギー需要予測方法を提
供する。
The present invention uses a hierarchical Bayesian statistical technique,
A method for predicting energy demand based on given past building or city-wide energy demand data and meteorological data, wherein Markov as a nonlinear dynamical system is provided by a family of feedforward neural networks parameterized from given data. Generating a process, estimating the order of the dynamical system, estimating the number of hidden elements of the parameterized feedforward neural network family, and performing a nonlinear dynamical system with the parameterized feedforward neural network family. Estimating hyper-parameters in generating a nonlinear dynamic system using a parameterized feed-forward neural network family Wherein estimating a parameter in the predicted probabilities provide energy demand prediction method of the most probable prediction value the value obtained from the dynamical system generated by the parameter to be maximized.

【0008】ここで、気象データとは、たとえば、室内
外の温度や湿度、太陽光線量、風速等である。エネルギ
ー需要データとは、たとえば、電力、ガス、温水、冷水
の需要量に関するデータのことである。隠れた素子数と
は、たとえば、ニューラルネットワークの中間素子数を
意味する。また、ハイパーパラメータは、後に説明する
が、ウェイトパラメータの上位に位置するパラメータで
ある。階層的ベイズ手法については、時系列的な応用に
ついてではないが、たとえば、伊庭幸人、「統計科学文
献案内」、統計数理研究所、Research Memorumdom No.
630, Jan. 1997などに説明されている。
Here, the weather data is, for example, the temperature and humidity inside and outside the room, the dose of sunlight, the wind speed, and the like. The energy demand data is, for example, data relating to the demand of electric power, gas, hot water, and cold water. The number of hidden elements means, for example, the number of intermediate elements of the neural network. As will be described later, the hyper parameter is a parameter positioned at a higher level than the weight parameter. Hierarchical Bayesian methods are not about time-series applications.
630, Jan. 1997.

【0009】また。本発明方法によれば、与えられたス
カラー時系列データから連続状態量マルコフ過程を生成
する。
[0009] Also. According to the method of the present invention, a continuous state Markov process is generated from given scalar time-series data.

【0010】そして、本発明の方法においては、与えら
れたデータから、パラメータ化されたフィードフォワー
ドニューラルネットワーク族により、上記マルコフ過程
を生成する際、周辺尤度を最大にする次数をマルコフ過
程の最も確からしい次数とすることもできる。
In the method of the present invention, when the above-mentioned Markov process is generated from a given data by a parameterized feedforward neural network family, the order that maximizes the marginal likelihood is determined by the most significant of the Markov process. It can be a certain order.

【0011】さらに、本発明の方法においては、与えら
れたデータに対してのオーバーフィットを防ぐため、パ
ラメータの二乗和ないしはパラメータの絶対値和を用い
た正規化項を導入し、どちらの正規化項がより相応しい
かを周辺尤度比較により推定するとこともできる。
Further, in the method of the present invention, in order to prevent overfitting of given data, a normalization term using a sum of squares of parameters or a sum of absolute values of parameters is introduced. Whether the term is more appropriate can be estimated by marginal likelihood comparison.

【0012】また、本発明の方法において、与えられた
スカラーデータから生成しようとするマルコフ過程の次
数の推定が、ハイパーパラメータに関する周辺化は行わ
ずに、周辺尤度比較で行うことができるし、与えられた
スカラーデータからパラメータ化されたフィードフォワ
ードニューラルネットワーク族によるマルコフ過程を生
成する際、隠れた素子数の推定に当たり、ハイパーパラ
メータに関する周辺化は行わずに、周辺尤度を用いて行
うことも可能である。
Further, in the method of the present invention, the estimation of the order of the Markov process to be generated from the given scalar data can be performed by marginal likelihood comparison without marginalization relating to hyperparameters, When generating a Markov process using a feedforward neural network family parameterized from given scalar data, estimation of the number of hidden elements can be performed using marginal likelihood without performing peripheralization related to hyperparameters. It is possible.

【0013】本発明の方法は、実行可能なコンピュータ
プログラムとして、CD−ROM、ハードディスク、メ
モリーチップ、その他の適当なコンピュータにより読み
出し可能な記憶媒体に記憶させた形で提供することがで
きる。
The method of the present invention can be provided as an executable computer program stored in a CD-ROM, hard disk, memory chip, or other suitable computer-readable storage medium.

【0014】[0014]

【発明を実施するための形態】与えられた過去のエネル
ギー消費値を
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Given a past energy consumption value,

【数1】 とし、対応する気象データを(Equation 1) And the corresponding weather data

【数2】 とする。tは時間を表すパラメータであり、1時間単位
でも、1分単位でも、あるいは1日単位でも原理的には
適用可能である。ut は、時刻tにおける、例えば室内
外温度、室内外湿度、太陽光線量、風速等を表すベクト
ルである。
(Equation 2) And t is a parameter representing time, and can be applied in principle in units of one hour, one minute, or one day. u t is a vector representing, for example, indoor and outdoor temperature, indoor and outdoor humidity, sunlight dose, wind speed, and the like at time t.

【数3】 とおく。(Equation 3) far.

【0015】次のシンボルで表す仮定(hypothesis)るい
はモデル(model)
A hypothesis or model represented by the following symbol:

【数4】 は、以下のような項目からなる。(Equation 4) Consists of the following items.

【0016】(i)アーキテクチャ 用いるモデルの構造を指定する。ここでは中間素子数
h、出力関数1/(1+exp(−u))の3層パーセ
プトロンを用いる。
(I) Architecture The structure of the model to be used is specified. Here, a three-layer perceptron having an intermediate element number h and an output function 1 / (1 + exp (-u)) is used.

【0017】(ii)尤度(likelihood)(Ii) Likelihood

【数5】 (Equation 5)

【数6】 (Equation 6)

【0018】但し、f(・)は、ウェイトパラメータで
ある
Here, f (·) is a weight parameter.

【数7】 をもつパーセプトロン出力、βは不確定性レベル(未
知)、ZD (β)は正規化定数、そしてτはダイナミカ
ルシステムの次数(未知)である。
(Equation 7) Is the perceptron output with, β is the uncertainty level (unknown), Z D (β) is the normalization constant, and τ is the order of the dynamical system (unknown).

【0019】(iii)ωのプライア(priorあるいは先
験)
(Iii) Prior of ω (prior or prior)

【数8】 (Equation 8)

【数9】 ωは、線分ベクトルに分割され、(Equation 9) ω is divided into line segment vectors,

【数10】 対応するαはベクトル(Equation 10) The corresponding α is a vector

【数11】 である。各exp(−αc Ewc (ωc ))/Zw(α
c )は、各ωc がいかに分布しているかの先験情報であ
る。
[Equation 11] It is. Each exp (−α c Ew cc )) / Zw (α
c ) is a priori information on how each ω c is distributed.

【0020】(iv)(α、β)そして仮定のプライ
ア:
(Iv) (α, β) and hypothetical prior:

【数12】 (Equation 12)

【0021】次に、これらの項目を説明する。Next, these items will be described.

【0022】数5及び数6に表された式は本質的なもの
である。数5の式は、{xt }を状態遷移確率密度関数
が数5の式で指定されるτ次マルコフ過程として捕らえ
られている。
The equations shown in equations (5) and (6) are essential. Equation (5) captures {x t } as a τ-order Markov process whose state transition probability density function is specified by Equation (5).

【0023】数9の式は、真の意味の「滑らかさの拘
束」ではない。滑らかさの拘束は、たとえば、パーセプ
トロン入力をyとすれば、
Equation 9 is not a true “smoothness constraint”. For example, if the perceptron input is y,

【数13】 というような量のはずである。数9の式は、(Equation 13) It should be such an amount. Equation 9 is:

【数14】 が小さいものが多く、大きいものは少ないことを意味
し、そして原点近くへの集中の度合いがαc であること
を意味する。
[Equation 14] Means that many are small, large means few, and the degree of concentration near the origin is α c .

【0024】この定式化でもう一つ重要なものがある。
それは、数8と数11の式で記述される
There is another important thing in this formulation.
It is described by Equations 8 and 11.

【数15】 の分割である。分割の仕方は種々考えられるが、以下に
具体的な問題への応用に関連して述べるところでは、仮
定されたマルコフ過程の次数τに対して、xt
t-1 ,...,xt-τ+1各々を入力とし、各入力から
中間層へのウェイト
(Equation 15) Is the division of Although there are various ways of division, in the following, in relation to application to a specific problem, xt, xt ,
x t−1,. . . , X t- τ +1 as inputs, and the weight from each input to the hidden layer

【数16】 を考え、それ以外に中間層ユニットへのバイアス、出力
ユニットへのバイアス、各々一つずつ、合計C=τ+2
に分割する。数9の式について説明したことと合わせる
と、もし、あるαc の推定値が非常に大きいと、それは
ωc が原点近くに集中しており、対応するxt-c はモデ
ル構成に必要とされる度合いが低いことを意味する。後
に見るように、ωを分割してパーセプトロンに柔軟性を
持たせるアイデアは、時系列に対してではないが、すで
に、MacKay, D.J.C. 1991 ,"Bayesian Methods for Ada
ptive Models, PhD thesis", California Inst. Tech.
Pasadena 1991 の論文にある。
(Equation 16) In addition, the bias to the intermediate layer unit and the bias to the output unit, one for each, total C = τ + 2
Divided into Combined with what was described for equation (9), if a certain estimate of α c is very large, it means that ω c is concentrated near the origin and the corresponding x tc is needed for model construction It means that the degree is low. As we will see later, the idea of splitting ω to make perceptrons flexible is not for time series, but it has already been described in MacKay, DJC 1991, "Bayesian Methods for Ada
ptive Models, PhD thesis ", California Inst. Tech.
In a Pasadena 1991 paper.

【0025】そして、(α,β)は、パラメータωより
さらに上位に位置するパラメータとしての、いわゆるハ
イパーパラメータであり、本明細書では、
(Α, β) is a so-called hyperparameter as a parameter located at a higher level than the parameter ω, and in this specification,

【数17】 は、一様分布を仮定する。これは、パラメータωやシス
テムノイズの分布を記述するハイパーパラメータに関し
ては、特に先験情報はないという自然な仮定を意味す
る。また、
[Equation 17] Assumes a uniform distribution. This implies a natural assumption that there is no particular a priori information regarding the parameter ω and the hyperparameter describing the distribution of system noise. Also,

【数18】 も一様性を仮定する。これは特定の次数τ、そして特定
の中間素子数
(Equation 18) Also assume uniformity. This is a specific order τ, and a specific number of intermediate elements

【数19】 (以下、明細書中において、これをHとして記載するこ
とがある)が、より確からしいと仮定する理由がないこ
とを意味する。以上の設定に基づき、予測分布
[Equation 19] (Hereinafter, this may be described as H in the specification) means that there is no reason to assume that it is more likely. Based on the above settings, the forecast distribution

【数20】 を計算するのが、ここでの目的である。記号を簡単にす
るため数5の式を
(Equation 20) Is the purpose here. Equation 5 is used to simplify the symbol.

【数21】 と書く。(Equation 21) Write

【0026】上に述べた(i)〜(iv)より、ベイズ
公式から以下のような自然な階層構造が帰結する。
From the above (i) to (iv), the following natural hierarchical structure results from the Bayes formula.

【数22】 (Equation 22)

【0027】各レベルの分母にある周辺尤度Marginal likelihood in the denominator of each level

【数23】 が本質的役割を演じる。(Equation 23) Plays an essential role.

【0028】具体的な計算は、以下のようにして行う。The specific calculation is performed as follows.

【0029】[予測]まず、数22で示すように与えら
れた階層的スキームに従って、各パラメータの事後分布
を求めた上で予測分布
[Prediction] First, the posterior distribution of each parameter is obtained according to the hierarchical scheme given by Expression 22, and then the predicted distribution is calculated.

【数24】 を計算する。(Equation 24) Is calculated.

【0030】[Level 1](ωの事後分布) (D,α,β,h)が与えられたとき、ωの事後分布は
次式で与えられる。
[Level 1] (posterior distribution of ω) When (D, α, β, h) is given, the posterior distribution of ω is given by the following equation.

【数25】 (Equation 25)

【数26】 (Equation 26)

【0031】従って、最も確からしいウェイトωMPは、
次式で与えられる。
Therefore, the most probable weight ω MP is
It is given by the following equation.

【数27】 [Equation 27]

【0032】[0032]

【数28】 なので、数27の式はベイズ公式そのものである。[Equation 28] Therefore, the expression of Equation 27 is the Bayes formula itself.

【0033】[Level 2]((α,β)の事後分
布) ハイパーパラメータの先験分布
[Level 2] (posterior distribution of (α, β)) Prior distribution of hyperparameters

【数29】 が独立、一様の場合、最も確からしい値は次式で与えら
れる。
(Equation 29) Are independent and uniform, the most likely value is given by:

【数30】 [Equation 30]

【0034】したがって、Therefore,

【数31】 の(α,β)に関する微分情報を用いて計算可能であ
り、2次近似のもとで、以下を得る。
(Equation 31) Can be calculated by using the differential information on (α, β), and the following is obtained under the second-order approximation.

【数32】 (Equation 32)

【数33】 ここに、 A := M (数25の式)のωMPにおけるHessian BD :=ED (数6の式)のωMPにおけるHessian BC :=Ewc (数9の式)のωMPにおけるHessian であり、Trは行列のトレースを意味する。[Equation 33] Here, A: = M Hessian B D in omega MP (several 25 formula): = Hessian B C in omega MP of E D (6 formula): = Ew c (Equation 9 equation) omega MP , And Tr means a matrix trace.

【0035】このレベル2について、説明すると、上記
の「2次近似」の意味は、数30の式の被積分関数の対
The level 2 will be described. The meaning of the above “second order approximation” is the logarithm of the integrand of the equation (30).

【数34】 のωに関する2次近似であり、そのような仮定の下で
は、微分公式である数32と数33の式は容易に導出さ
れる。
(Equation 34) Is a second-order approximation with respect to ω. Under such an assumption, the differential formulas (32) and (33) are easily derived.

【0036】[Level 3](Hの事後分布(モデ
ル比較)) Hの先験分布P(H)が一様であれば、最も確からしい
モデルHMPは、次式で与えられる。
[Level 3] (post-hoc distribution of H (model comparison)) If the prior distribution P (H) of H is uniform, the most probable model H MP is given by the following equation.

【数35】 (Equation 35)

【0037】予測分布Predicted distribution

【数36】 を、[Equation 36] To

【数37】 で近似すると、最も確からしい予測xt,MPは、次式で与
えられる。
(37) , The most probable prediction x t, MP is given by:

【数38】 (38)

【0038】このレベル3について、以下に説明する。The level 3 will be described below.

【0039】(I)数36の式の右辺は、全変数の事後
分布と予測値
(I) The right side of the equation (36) is the posterior distribution of all the variables and the predicted value.

【数39】 の尤度とのコンボリューションを、すべてのモデルHに
関して加えたものになっている。実際には、この計算は
手に負えないので、数38の式の様な近似を用いている
のが普通である。
[Equation 39] Is added for all the models H. In practice, this calculation is intractable, so it is common to use an approximation such as in equation (38).

【0040】(II)周辺尤度(II) Marginal likelihood

【数40】 は、エビデンス(evidence)と呼ばれることもあり(上記
のMacKayの論文参照)、また、
(Equation 40) Is sometimes referred to as evidence (see the MacKay article above),

【数41】 は、ABICと呼ばれることがある(AICではない)
(Akaike, H. (1980), "Likelihood and the Bayes pro
cedure", In "Bayesian Statistics," J.J. Bernardo,
M.H. DeGroot, D.V. Lindley and A.F.M. Smith, eds.,
University Press, Valencia, Spain, 143-166 参
照)。次のレベルの周辺尤度
[Equation 41] Is sometimes called ABIC (not AIC)
(Akaike, H. (1980), "Likelihood and the Bayes pro
cedure ", In" Bayesian Statistics, "JJ Bernardo,
MH DeGroot, DV Lindley and AFM Smith, eds.,
University Press, Valencia, Spain, 143-166). Next level marginal likelihood

【数42】 は、モデルのためのエビデンス(evidence for model)と
呼ばれることがある。上記のAkaikeの論文の最後に提案
されている
(Equation 42) Is sometimes referred to as evidence for model. Suggested at the end of the Akaike paper above

【数43】 [Equation 43] When

【数44】 は、別のものである。[Equation 44] Is another.

【0041】(III)最初の定式化における数6の式
のf(・)は、パーセプトロンである必要はなく、適当
な基底関数でよい。ただし、ダイナミカルシステムから
眺めると、パーセプトロンには、一つよい性質がある。
それは、
(III) In the first formulation, f (·) in the equation (6) does not need to be a perceptron, but may be an appropriate basis function. However, when viewed from a dynamical system, perceptrons have one good property.
that is,

【数45】 が生成するトラジェクトリーxi は、必ず一様有界にな
ることである。f(・)を多項式にすると、たとえば、
ガウスノイズが加わった場合、必ず発散する(尾崎統、
「時系列論」、放送大学教材、1986参照)。
[Equation 45] Generates a trajectory x i that is always uniformly bounded. If f (·) is a polynomial, for example,
When Gaussian noise is added, it always diverges (Ozaki,
See "Time Series Theory", The Open University of Japan Teaching Materials, 1986).

【0042】(IV)f(・)をパーセプトロンとした
ときと、たとえば、多項式としたときを、
(IV) When f (·) is a perceptron, for example, when it is a polynomial,

【数46】 でモデル比較することは可能であろうか?原理的には
「イエス」といえるが、ここではさらには述べない。
[Equation 46] Is it possible to compare models with each other? In principle, it can be said "yes," but we will not discuss it further here.

【0043】(V)本明細書においては、パーセプトロ
ンに限っているので、モデルHは、遅延座標の数τと中
間層ユニット数hのペア(τ,h)を意味する。
(V) In the present specification, since the present invention is limited to perceptrons, the model H means a pair (τ, h) of the number τ of delay coordinates and the number h of intermediate layer units.

【0044】[0044]

【実施例】次に、以上に説明してきた方法論を、ビルデ
ィングのエネルギー予測という問題に適用する。これ
は、時系列予測の極めて実用的な問題である。米国の冷
暖房の熱に関係する学会ASHRAEが、以下に述べる
ような時系列予測コンテストを実施したので、本発明者
らも、上述した手法をもとに参加した(Haberl, J.S.,Th
amilseran, S., (1996), "The Great Energy Predictor
Shootout II: Measuring Retrofit Savings", ASHRAE
Transactions 1996 Vol. 102, Part 2, 419-435。むろ
ん、コンテストには、結果のみを提出したものであり、
本発明の方法は、コンテスト主催者には開示しなかっ
た。
Next, the methodology described above is applied to the problem of building energy prediction. This is a very practical problem of time series prediction. Since the academic society ASHRAE related to heat of heating and cooling in the United States conducted a time series prediction contest as described below, the present inventors also participated based on the method described above (Haberl, JS, Th.
amilseran, S., (1996), "The Great Energy Predictor
Shootout II: Measuring Retrofit Savings ", ASHRAE
Transactions 1996 Vol. 102, Part 2, 419-435. Of course, the contest only submitted the results,
The method of the present invention was not disclosed to contest organizers.

【0045】このコンテストは、米国のあるビルディン
グの1時間毎の電力消費量、冷・温水使用量を、過去の
学習用データと気象データ(気温、湿度、太陽光、風
速)が与えられ、データ中において人為的に隠された電
力、冷・温水使用量を予測して、その精度を競うもので
ある。
In this contest, power consumption and cold / hot water usage per hour of a building in the United States are given past learning data and weather data (temperature, humidity, sunlight, wind speed). It predicts the amount of power and cold and hot water used artificially hidden inside, and competes for its accuracy.

【0046】評価基準となる値は次の二つであった。The following two values were used as evaluation criteria.

【0047】(a)二乗平均誤差の変動の係数(coeffic
ient of variation of the root mean square error)
(A) Coefficient of variation of mean square error (coeffic
ient of variation of the root mean square error)

【数47】 [Equation 47]

【0048】(b)平均バイアス誤差(mean bias erro
r)
(B) Mean bias error
r)

【数48】 ここで、ypred,iは予測値、ydata,iは真の値、[Equation 48] Where y pred, i is the predicted value, y data, i is the true value,

【数49】 は真の値の平均値であり、また、nは予測するデータ点
の数である。
[Equation 49] Is the average of the true values, and n is the number of data points to predict.

【0049】このような問題は、気象データが関連する
ので、時系列データと入力データから出力データを予測
する問題に属するものであり、入力は気温、湿度、太陽
光線量、風速に対応し、xt は電力、温水、冷水の使用
量である。
Such a problem belongs to the problem of predicting output data from time-series data and input data because weather data is related. The inputs correspond to temperature, humidity, sunlight dose, and wind speed. xt is the amount of electric power, hot water, and cold water used.

【0050】ここで、与えられた学習データは、時間に
関する依存性があるものが多い。例えば、電力使用量
は、かなり明快な24時間の周期性があり、また、平日
と週末、休日とでは、明らかな相違がある。これらを考
慮し、適当な前処理を行った後、ニューラルネットで学
習を行った。時間の拘束が厳しかったので、τ=1とし
た。各入力に一つずつαc が割り振られており、風速に
対応するものは、αc,MPが極端に大きくなり、予測に関
しては不要と判断し、予測フェーズでは用いなかった。
Here, the given learning data often has a time dependency. For example, power usage has a fairly clear 24 hour periodicity, and there is a clear difference between weekdays, weekends and holidays. In consideration of these, after performing appropriate preprocessing, learning was performed using a neural network. Since time constraints were severe, τ = 1 was set. Α c is assigned to each input, and α c, MP becomes extremely large for the one corresponding to the wind speed, and it is determined that it is unnecessary for prediction, and is not used in the prediction phase.

【0051】コンテストの結果は、数47の式について
は3位、数48の式については1位であった。
The result of the contest was third in the equation (47) and first in the equation (48).

【0052】[0052]

【発明の効果】上述のように、本発明の方法によれば、
非常に精度よく、ビルディング等におけるエネルギー消
費の予測ができる。本発明方法は、二酸化炭素ガスの放
出抑制、省エネルギー効果の改善など、現在非常に重要
になっている問題の解決に大きく貢献するものである。
As described above, according to the method of the present invention,
It is possible to predict energy consumption in a building or the like very accurately. The method of the present invention greatly contributes to solving problems that are very important at present, such as controlling the emission of carbon dioxide gas and improving the energy saving effect.

【0053】なお、ごく最近、日本でも空気調和・衛生
工学会による同様のコンテストが開催され(Society of
Heating, Air-conditioning and Sanitary Engineers
in Japa (SHASE)(1997), "International Benchmark Te
st of Air-conditioning Load Prediction Methods for
Optimum Operation of Thermal Energy Storage Syste
m", http://www.t3.rim.or.jp/〜bmtest)、これにおい
ては1位であった。
Very recently, a similar contest has been held in Japan by the Society of Air Conditioning and Sanitary Engineers (Society of
Heating, Air-conditioning and Sanitary Engineers
in Japa (SHASE) (1997), "International Benchmark Te
st of Air-conditioning Load Prediction Methods for
Optimum Operation of Thermal Energy Storage System
m ", http://www.t3.rim.or.jp/~bmtest), which ranked first.

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 階層ベイズ統計手法を用いて、与えられ
た、ビルディングあるいは都市全体についての過去のエ
ネルギー需要データと気象データとに基づいてエネルギ
ー需要を予測する方法であって、 与えられたデータからパラメータ化されたフィードフォ
ワードニューラルネットワーク族により非線形ダイナミ
カルシステムとしてのマルコフ過程を生成するステップ
と、 ダイナミカルシステムの次数を推定するステップと、 パラメータ化されたフィードフォワードニューラルネッ
トワーク族の隠れた素子数を推定するステップと、 パラメータ化されたフィードフォワードニューラルネッ
トワーク族により非線形ダイナミカルシステムを生成す
る際のハイパーパラメータを推定するステップと、 パラメータ化されたフィードフォワードニューラルネッ
トワーク族により非線形ダイナミカルシステムを生成す
る際のパラメータを推定するステップと、を含み、 予測確率が最大になるパラメータにより生成されるダイ
ナミカルシステムから得られる値を最も確からしい予測
値とするエネルギー需要予測方法。
1. A method for predicting energy demand based on past energy demand data and weather data for a given building or an entire city using a hierarchical Bayesian statistical method, comprising the steps of: Generating a Markov process as a nonlinear dynamical system using a parameterized feedforward neural network family; estimating the order of the dynamical system; estimating the number of hidden elements of the parameterized feedforward neural network family. Estimating hyperparameters in generating a nonlinear dynamical system with a family of parameterized feedforward neural networks; Estimating parameters for generating a nonlinear dynamical system by a family of neural networks, and estimating a parameter obtained from the dynamical system generated by a parameter having a maximum prediction probability as a most probable predicted value. Method.
【請求項2】 与えられたスカラー時系列データから連
続状態量マルコフ過程を生成することを特徴とする請求
項1に記載のエネルギー需要予測方法。
2. The energy demand forecasting method according to claim 1, wherein a continuous state Markov process is generated from the given scalar time series data.
【請求項3】 与えられたデータから、パラメータ化さ
れたフィードフォワードニューラルネットワーク族によ
り、上記マルコフ過程を生成する際、周辺尤度を最大に
する次数をマルコフ過程の最も確からしい次数とするこ
とを特徴とする請求項1または2に記載のエネルギー需
要予測方法。
3. When the Markov process is generated from a given data by a parameterized feedforward neural network family, the order that maximizes the marginal likelihood is determined to be the most probable order of the Markov process. The energy demand forecasting method according to claim 1 or 2, wherein
【請求項4】 与えられたデータに対してのオーバーフ
ィットを防ぐため、パラメータの二乗和ないしはパラメ
ータの絶対値和を用いた正規化項を導入し、どちらの正
規化項がより相応しいかを周辺尤度比較により推定する
とことを特徴とする請求項1から3のいずれか一に記載
のエネルギ−需要予測方法。
4. In order to prevent overfitting of given data, a normalization term using a sum of squares of parameters or a sum of absolute values of parameters is introduced to determine which normalization term is more appropriate. The energy demand forecasting method according to any one of claims 1 to 3, wherein the estimation is performed by likelihood comparison.
【請求項5】与えられたスカラーデータから生成しよう
とするマルコフ過程の次数の推定を、ハイパーパラメー
タに関する周辺化は行わずに、周辺尤度比較で行うこと
を特徴とする請求項3記載のエネルギー需要予測方法。
5. The energy according to claim 3, wherein the estimation of the order of the Markov process to be generated from the given scalar data is performed by marginal likelihood comparison without marginalization with respect to hyperparameters. Demand forecasting method.
【請求項6】与えられたスカラーデータからパラメータ
化されたフィードフォワードニューラルネットワーク族
によるマルコフ過程を生成する際、隠れた素子数の推定
に当たり、ハイパーパラメータに関する周辺化は行わず
に、周辺尤度を用いて行うことを特徴とする請求項1記
載のエネルギー需要予測方法。
6. When generating a Markov process using a feedforward neural network family parameterized from given scalar data, in estimating the number of hidden elements, a marginal likelihood is calculated without performing marginalization on hyperparameters. 2. The energy demand forecasting method according to claim 1, wherein the energy demand forecasting method is used.
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