DE102013214967A1 - Method and device for adapting a data-based function model - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Adaptieren eines datenbasierten Funktionsmodells, insbesondere eines Gauß-Prozess-Modells, umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen von Stützstellendaten, durch die das datenbasierte Funktionsmodell definiert ist und die Stützstellendatenpunkte mit jeweils einem Betriebspunkt und einem dem Betriebspunkt zugeordneten Zielwert einer Zielgröße umfassen; – Bereitstellen eines Messpunkts und eines an dem Messpunkt erfassten Werts der Zielgröße; – Bestimmen desjenigen Stützstellendatenpunkts, der gemäß einer Wichtigkeitsfunktion eine geringste Wichtigkeit aufweist; und – Ersetzen des bestimmten Stützstellendatenpunkts durch den Messpunkt gemäß einem Ersetzungskriterium.The invention relates to a method for adapting a data-based function model, in particular a Gaussian process model, comprising the following steps: providing support point data by which the data-based function model is defined and the support point data points each having an operating point and a target value associated with the operating point Include target size; Providing a measuring point and a value of the target variable detected at the measuring point; - determining that support point data point which has a least importance according to an importance function; and - replacing the determined node point by the measuring point according to a replacement criterion.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft allgemein Motorsteuergeräte, in denen Funktionsmodelle als datenbasierte Funktionsmodelle implementiert sind bzw. berechnet werden. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren, um datenbasierte Funktionsmodelle im Motorsteuergerät online, d. h. ressourcenschonend, zu adaptieren.The invention generally relates to engine control units in which function models are implemented or calculated as data-based function models. In particular, the present invention relates to methods for updating data-based functional models in the engine control unit online, i. H. resource-saving, adapt.
Stand der TechnikState of the art
Zur Implementierung von Funktionsmodellen in Steuergeräten, insbesondere Motorsteuergeräten für Verbrennungsmotoren, ist die Verwendung von datenbasierten Funktionsmodellen vorgesehen. Häufig werden parameterfreie datenbasierte Funktionsmodelle verwendet, da sie ohne spezifische Vorgaben aus Trainingsdaten, d. h. einer Menge von Trainingsdatenpunkten, erstellt werden können.For the implementation of functional models in control units, in particular engine control units for internal combustion engines, the use of data-based functional models is provided. Frequently, parameter-free data-based function models are used, since they can be used without specific specifications from training data, ie. H. a set of training data points that can be created.
Ein Beispiel für ein datenbasiertes Funktionsmodell stellt das so genannte Gauß-Prozess-Modell dar, das auf einer Gauß-Prozess-Regression basiert. Die Gauß-Prozess-Regression ist eine vielseitige Methode zur datenbasierten Modellierung komplexer physikalischer Systeme. Die Regressionsanalyse basiert auf üblicherweise großen Mengen an Trainingsdaten, so dass es sinnvoll ist, approximative Lösungsansätze zu verwenden, die effizienter ausgewertet werden können.An example of a data-based function model is the so-called Gaussian process model, which is based on a Gaussian process regression. Gaussian Process Regression is a versatile method for data-based modeling of complex physical systems. The regression analysis is based on usually large amounts of training data, so it makes sense to use approximate solutions, which can be evaluated more efficiently.
Für das Gauß-Prozess-Modell existiert die Möglichkeit einer spärlichen Gauß-Prozess-Regression, bei der zur Erstellung des datenbasierten Funktionsmodells lediglich eine repräsentative Menge an Stützstellendaten genutzt wird. Dazu müssen die Stützstellendaten in geeigneter Weise aus den Trainingsdaten selektiert werden.For the Gaussian process model there is the possibility of a sparse Gaussian process regression, in which only a representative amount of support point data is used to create the data-based function model. For this purpose, the support point data must be selected in a suitable manner from the training data.
Die
Andere Verfahren zur Manipulation von Trainingsdaten bzw. zur Erzeugung von Stützstellendaten sind z. B. aus
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Adaptieren eines datenbasierten Funktionsmodells gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung, ein System und ein Computerprogramm gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.According to the invention, a method for adapting a data-based functional model according to
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further advantageous embodiments are specified in the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Adaptieren eines datenbasierten Funktionsmodells, insbesondere eines Gauß-Prozess-Modells vorgesehen, umfassend die folgenden Schritte:
- – Bereitstellen von Stützstellendaten, durch die das datenbasierte Funktionsmodell definiert ist und die Stützstellendatenpunkte mit jeweils einem Betriebspunkt und einem dem Betriebspunkt zugeordneten Zielwert einer Zielgröße umfassen;
- – Bereitstellen eines Messpunkts und eines an dem Messpunkt erfassten Werts der Zielgröße;
- – Bestimmen desjenigen Stützstellendatenpunkts, der gemäß einer Wichtigkeitsfunktion eine geringste Wichtigkeit aufweist; und
- – Ersetzen des bestimmten Stützstellendatenpunkts durch den Messpunkt gemäß einem Ersetzungskriterium.
- Providing support point data, by which the data-based function model is defined, and the support point data points each having an operating point and a target value of a target variable associated with the operating point;
- Providing a measuring point and a value of the target variable detected at the measuring point;
- - determining that support point data point which has a least importance according to an importance function; and
- Replacing the determined support point data point by the measurement point according to a replacement criterion.
Das obige Verfahren stellt eine Möglichkeit bereit, um ein bestehendes datenbasiertes Funktionsmodell zu adaptieren, wenn neue Messdaten zur Verfügung stehen. Das datenbasierte Funktionsmodell kann insbesondere als Gauß-Prozess-Modell ausgebildet sein und wird durch Hyperparameter und eine Menge von Stützstellendaten definiert. Die Berechnung von Funktionswerten des datenbasierten Funktionsmodells erfolgt in einem Motorsteuergerät in der Regel online, während Hyperparameter und Stützstellendaten vorab berechnet und in einem dafür vorgesehenen Speicherbereich in dem Motorsteuergerät bereitgestellt werden.The above method provides a way to adapt an existing data-based functional model when new measurement data is available. In particular, the data-based function model can be embodied as a Gaussian process model and is defined by hyperparameters and a set of support point data. The calculation of function values of the data-based function model is usually carried out online in an engine control unit, while hyperparameters and support point data are calculated in advance and provided in a dedicated memory area in the engine control unit.
Für viele Anwendungsgebiete ist die Online-Adaption von Funktionsmodellen notwendig, um eine gleichbleibend hohe Leistungsfähigkeit des zu betreibenden physikalischen Systems zu gewährleisten. Übliche Anwendungen von Modelladaptionen bestehen in der Korrektur von Bauteiltoleranzen oder der Korrektur von Parameterdriften während der Lebensdauer von Bauteilen.For many applications, the online adaptation of functional models is necessary to ensure a consistently high performance of the physical system to be operated. Common applications of model adaptations are the correction of component tolerances or the correction of parameter drifts over the life of components.
Bei der Verwendung von datenbasierten Funktionsmodellen ist die Adaption des Modells in dem Motorsteuergerät, das zur Modellierung von Systemfunktionen bzw. zur Steuerung der physikalischen Einrichtung vorgesehen ist, durch eine Neuberechnung des datenbasierten Funktionsmodells aufgrund beschränkter Rechenkapazitäten in der Regel nicht möglich.When using data-based function models, adaptation of the model in the engine control unit, which is intended to model system functions or to control the physical device, is generally not possible by recalculating the data-based function model due to limited computing capacities.
Gemäß dem obigen Verfahren ist daher vorgesehen, während des Betriebs des physikalischen Systems mithilfe des Steuergeräts erfasste weitere Messdaten heranzuziehen und einen Stützstellendatenpunkt der das datenbasierte Funktionsmodell definierenden Stützstellendaten durch einen durch die erfassten Messdaten definierten Datenpunkt zu ersetzen, wenn ein Ersetzungskriterium erfüllt ist. Das Ersetzungskriterium bewertet die Wichtigkeit des Stützstellendatenpunkts des datenbasierten Funktionsmodells und wählt den Stützstellendatenpunkt mit der geringsten Wichtigkeit aus, um diesen durch den Messdatenpunkt zu ersetzen. Auf diese Weise kann das datenbasierte Funktionsmodell permanent adaptiert werden, indem neu erfasste Messpunkte in das datenbasierte Funktionsmodell aufgenommen werden. Durch das Ersetzen des Stützstellendatenpunkts mit der geringsten Wichtigkeit kann die Menge der Stützstellendatenpunkte um einen neuen Messpunkt erweitert werden, ohne die Gesamtmenge an Stützstellendatenpunkten zu vergrößern. Dadurch wird die Anzahl der Stützstellendatenpunkte festgelegt, so dass die Menge an benötigtem Speicherplatz zum Speichern der Stützstellendaten konstant bleibt und sich nicht während nachfolgender Adaptionen ändert. Dadurch kann auch gewährleistet werden, dass die Zeitdauer für die Berechnung des datenbasierten Funktionsmodells konstant bleibt, so dass im Steuergerät von einem unveränderten Berechnungshorizont ausgegangen werden kann. According to the above method, it is therefore provided to use further measurement data acquired by the control unit during operation of the physical system and to replace a support point data point of the support point data defining the data-based function model with a data point defined by the acquired measurement data, if a replacement criterion is met. The replacement criterion evaluates the importance of the support point data point of the data-based function model and selects the support point data point of least importance to replace it with the measurement data point. In this way, the data-based function model can be permanently adapted by including newly acquired measurement points in the data-based function model. By replacing the least significant support point data point, the set of support point data points can be extended by a new measurement point without increasing the total amount of support point data points. This sets the number of node data points so that the amount of memory space needed to store the node data remains constant and does not change during subsequent adaptations. This can also ensure that the time duration for the calculation of the data-based function model remains constant, so that an unchanged calculation horizon can be assumed in the control unit.
Das obige Verfahren zur Online-Adaption von datenbasierten Funktionsmodellen ist insbesondere vorteilhaft, wenn nicht alle Stützstellendatenpunkte über einen Prüfstand ermittelt werden konnten, z. B. weil die Betriebspunkte auf dem Prüfstand nicht einstellbar sind oder weil der Eingangsgrößenbereich sehr groß ist, so dass die Erfassung von Trainingsdaten sehr zeitaufwändig ist.The above method for online adaptation of data-based function models is particularly advantageous if not all support point data points could be determined via a test bench, for. B. because the operating points on the test bench are not adjustable or because the input variable range is very large, so that the acquisition of training data is very time consuming.
Weiterhin kann das Ersetzungskriterium erfüllt sein, wenn ein projektionsinduzierter Fehler des bereitgestellten Messpunkts größer ist als der Abstand des Zielwerts des Stützstellendatenpunkts mit der geringsten Wichtigkeit von den Funktionswerten des geltenden datenbasierten Funktionsmodells.Furthermore, the replacement criterion may be satisfied if a projection-induced error of the provided measurement point is greater than the distance of the target value of the least significant support point data point from the function values of the applicable data-based function model.
Insbesondere kann sich der projektionsinduzierte Fehler des bereitgestellten Messpunkts aus
Es kann vorgesehen sein, dass die Wichtigkeitsfunktion für die Wichtigkeit einer Stützstelle einen Unterschied, insbesondere einen Abstand, des Zielwerts eines Stützstellendatenpunkts von dem Funktionswert des datenbasierten Funktionsmodells an der entsprechenden Stützstelle angibt.It can be provided that the importance function for the importance of a support point indicates a difference, in particular a distance, of the target value of a support point data point from the function value of the data-based function model at the corresponding support point.
Insbesondere kann die Wichtigkeitsfunktion
Gemäß einer Ausführungsform kann das datenbasierte Funktionsmodell einem Gauß-Prozess-Modell entsprechen und Hyperparameter des Gauß-Prozess-Modells können nach einem Ersetzen eines Stützstellendatenpunkts durch ein Optimierungsverfahren, insbesondere mithilfe eines Gradientenabstiegsverfahrens, adaptiert werden.According to one embodiment, the data-based function model may correspond to a Gaussian process model and hyper parameters of the Gaussian process model may be adapted after replacement of a support point data point by an optimization method, in particular by means of a gradient descent method.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung, insbesondere eine Steuereinheit, zum Adaptieren eines datenbasierten Funktionsmodells, insbesondere eines Gauß-Prozess-Modells, vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um:
- – Stützstellendaten bereitzustellen, durch die das datenbasierte Funktionsmodell definiert ist und die Stützstellendatenpunkte mit jeweils einem Betriebspunkt und einem dem Betriebspunkt zugeordneten Zielwert einer Zielgröße umfassen;
- – einen Messpunkt und einen an dem Messpunkt erfassten Wert der Zielgröße bereitzustellen;
- – denjenigen Stützstellendatenpunkt zu bestimmen, der gemäß einer Wichtigkeitsfunktion eine geringste Wichtigkeit aufweist; und
- – den bestimmten Stützstellendatenpunkt gemäß einem Ersetzungskriterium durch den Messpunkt zu ersetzen.
- Provide support point data by which the data-based function model is defined and which includes support point data points each having an operating point and a target value of a target value associated with the operating point;
- To provide a measuring point and a value of the target value detected at the measuring point;
- To determine the support point data point which has a least importance according to an importance function; and
- To replace the determined support point data point by the measurement point according to a replacement criterion.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein System vorgesehen, das die obige Vorrichtung sowie eine physikalische Einrichtung, die durch die Vorrichtung betrieben wird, umfasst.In another aspect, a system is provided that includes the above device and a physical device operated by the device.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Embodiments are explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Beschreibung von Ausführungsformen Description of embodiments
Die Steuereinheit
Grundsätzlich ist die Modellberechnungseinheit
Die Verwendung von nicht parametrischen, datenbasierten Funktionsmodellen basiert auf einem Bayes-Regressionsverfahren. Die Grundlagen der Bayes-Regression sind beispielsweise in
Die abstrakten Hyperparameter werden durch ein Optimierungsverfahren bestimmt. Eine Möglichkeit für ein solches Optimierungsverfahren besteht in einer Optimierung einer Marginal Likelihood p(Y|H, X). Die Marginal Likelihood p(Y|H, X) beschreibt die Plausibilität der gemessenen Zielwerte y an den Messpunkten der Trainingsdaten, dargestellt als Vektor Y, gegeben die Modellparameter H und die Messpunkte x (dargestellt durch die Matrix X) der Trainingsdaten. Im Modelltraining wird p(Y|H, X) maximiert, indem geeignete Hyperparameter gesucht werden, die zu einem Verlauf der durch die Hyperparameter und die Trainingsdaten bzw. Stützstellendaten (sofern von den Trainingsdaten abweichend) bestimmten Modellfunktion führen und die Trainingsdaten möglichst genau abbilden. Zur Vereinfachung der Berechnung wird der Logarithmus von p(Y|H, X) maximiert, da der Logarithmus die Stetigkeit der Plausibilitätsfunktion nicht verändert.The abstract hyperparameters are determined by an optimization method. One possibility for such an optimization method is an optimization of a marginal likelihood p (Y | H, X). The marginal likelihood p (Y | H, X) describes the plausibility of the measured target values y at the measurement points of the training data, represented as vector Y, given the model parameters H and the measurement points x (represented by the matrix X) of the training data. In model training, p (Y | H, X) is maximized by searching for suitable hyperparameters that lead to a progression of the model function determined by the hyperparameters and the training data or support point data (if different from the training data) and map the training data as accurately as possible. To simplify the calculation, the logarithm of p (Y | H, X) is maximized because the logarithm does not change the continuity of the plausibility function.
Die Berechnung des Gauß-Prozess-Modells erfolgt gemäß der nachfolgenden Rechenvorschrift. Die Eingangswerte
Dabei entsprechen jeweils mx der Mittelwertfunktion bezüglich eines Mittelwerts der Eingangswerte der Stützstellendaten, sx der Varianz der Eingangswerte der Stützstellendaten und d dem Index für die Dimension D des Testpunkts u.In each case, m x the mean value function with respect to an average value corresponding to the input values of the nodes data, s x the variance of the input values of the nodes data, and d the index for the dimension D of the test point u.
Als Ergebnis der Erstellung des nicht parametrischen, datenbasierten Funktionsmodells erhält man: As a result of creating the non-parametric, data-based function model you get:
Der so ermittelte Modellwert v wird mithilfe einer Ausgangsnormierung normiert, und zwar gemäß der Formel:
Dabei entsprechen jeweils v einem normierten Modellwert (Ausgangswert) an einem normierten Testpunkt u (Eingangsgrößenvektor der Dimension D),
Ausgehend von dem normalen Betrieb des Systems
Anhand des in
Als Ausgangssituation wird in Schritt S1 das datenbasierte Funktionsmodell in Form eines Gauß-Prozess-Modells bereitgestellt, wobei Hyperparameter und Stützstellendaten in der Speichereinheit
In Schritt S2 werden die Stützstellendaten analysiert, um denjenigen Stützstellendatenpunkt festzustellen, der die geringste Wichtigkeit aufweist. Dies wird wie folgt durchgeführt. Basierend auf dem bereitgestellten, d. h. in der Regel offline trainierten, Gauß-Prozess-Modell mit dem Prädiktionsvektor wobei K ∈ der Kovarianzmatrix entspricht, die durch die Stützstellendaten und die Kovarianzfunktion definiert ist, wird derjenige Stützstellendatenpunkt mit dem Index i = argminj=1,...n(γj) bestimmt, der in der bestehenden Menge von Stützstellendaten die geringste Wichtigkeit aufweist. Als Kriterium für die Wichtigkeit kann der Abstand des Zielwerts des betrachteten Stützstellendatenpunkts von den Funktionswerten des datenbasierten Funktionsmodells verwendet werden, der sich aus dem Schurkomplement der reduzierten Kovarianzmatrix
In Schritt S3 wird für einen neu gemessenen Messpunkt (x*, y*) der projektionsindizierte Fehler
In Schritt S4 wird überprüft, ob der projektionsinduzierte Fehler des neu bemessenen Messpunkts größer ist als der Abstand des Zielwerts des oben betrachteten Stützstellendatenpunkts von den Funktionswerten des datenbasierten Funktionsmodells mit der geringsten Wichtigkeit. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), so wird in Schritt S5 der zuvor ermittelte Stützstellendatenpunkt mit der geringsten Wichtigkeit mit dem Index i durch den neuen Messpunkt ersetzt und in Schritt Schritt S6 ein neuer Prädiktionsvektor α berechnet. Anschließend wird zu Schritt S2 zurückgesprungen. Die Aktualisierung des Prädiktionsvektors kann durch eine Cholesky-Aktualisierung mit LLT = σ2I + K erfolgen, die numerisch stabil und effizient ist. Weiterhin wird der Mittelwertfunktionswert mi durch m* ersetzt, der sich aus der beim Training des datenbasierten Gauß-Prozess-Modells verwendeten Mittelwertfunktion und dem Betriebspunkt des neuen Messpunkts ergibt (im einfachsten Fall m = 0), um den neuen Prädiktionsvektor α zu ermitteln.In step S4, it is checked whether the projection-induced error of the newly measured measuring point is greater than the distance of the target value of the above-considered supporting point data point from the function values of the least significant data-based operating model. If this is the case (alternative: yes), in step S5 the previously determined support point data point with the least importance is replaced with the index i by the new measurement point, and in step step S6 a new prediction vector α is calculated. Subsequently, it returns to step S2. The updating of the prediction vector can be done by a Cholesky update with LL T = σ 2 I + K, which is numerically stable and efficient. Furthermore, the average function value m i is replaced by m * , which results from the mean value function used in training the data-based Gaussian process model and the operating point of the new measurement point (m = 0 in the simplest case) in order to determine the new prediction vector α.
Wird in Schritt S4 festgestellt, dass der projektionsinduzierte Fehler des neu bemessenen Messpunktes kleiner ist als der Abstand des Zielwerts des oben betrachteten Stützstellendatenpunkts von den Funktionswerten des datenbasierten Funktionsmodells mit der geringsten Wichtigkeit (Alternative: Nein), so wird in Schritt S7 der zuvor ermittelte Stützstellendatenpunkt mit der geringsten Wichtigkeit in den Stützstellendaten belassen und der betrachtete Messpunkt verworfen.If it is determined in step S4 that the projection-induced error of the newly measured measuring point is smaller than the distance of the target value of the above-considered support point data point from the function values of the data-based function model with the least importance (alternative: no), then the previously determined Leave support point data point with the least importance in the support point data and discard the considered measurement point.
Weiterhin kann vorgesehen sein, die Hyperparameter nach einem Austausch eines Stützstellendatenpunkts in Schritt S5 durch einen Messpunkt online zu adaptieren, z. B. mithilfe eines Gradienten-Abstiegsverfahrens.Furthermore, it can be provided to adapt the hyperparameters online after a replacement of a support point data point in step S5 by a measuring point, for. B. using a gradient descent method.
Im Falle eines Gauß-Prozess-Modells, wie oben beschrieben, basieren die obigen Berechnungen auf der Kovarianzmatrix K. Daher muss die Kovarianzmatrix K in der Steuereinheit
Um zu verhindern, dass die Online-Adaption dazu führt, dass die Funktionswerte des datenbasierten Funktionsmodells zu weit von dem anfänglichen datenbasierten Funktionsmodell abweichen, kann das Selektionskriterium weiter verfeinert werden, um ein Ersetzen eines Stützstellendatenpunkts durch einen Messpunkt nur dann zuzulassen, wenn die dadurch bewirkte Abweichung von dem anfänglichen datenbasierten Funktionsmodell ein bestimmtes Maß nicht überschreitet.To prevent the on-line adaptation from causing the function-based values of the data-based function model to deviate too much from the initial data-based function model, the selection criterion can be further refined to allow a support point data point to be replaced by a measurement point only if it causes it Deviation from the initial data-based function model does not exceed a certain level.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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R016 | Response to examination communication |