DE102022119607A1 - Computer-implemented method for predicting the availability of an infrastructure component and route planning based on the prediction - Google Patents

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Abstract

Um die Nutzung der Infrastruktur oder die Routenplanung zu verbessern, wird ein Vorhersagesystem (10) vorgeschlagen. Das Vorhersagesystem (10) ist für die Vorhersage eines Verfügbarkeitswerts (Yi) von Infrastrukturkomponenten innerhalb eines Straßennetzes konfiguriert, das durch Straßennetzstrukturdaten dargestellt wird, wobei das System umfasst:a) Ergänzungsmittel (12), die so konfiguriert sind, dass sie historische Verfügbarkeitsdaten (Xi) der Infrastrukturkomponente und Straßennetzstrukturdaten mit mindestens einer Attributdatenmatrix (α, β) erweitern, um attribut-erweiterte Verfügbarkeitsdaten (Ei) zu erhalten, wobei die historischen Verfügbarkeitsdaten (Xi) einen Verfügbarkeitswert der Infrastrukturkomponente zu verschiedenen Zeitpunkten anzeigen;b) ein erstes maschinelles Lernmodell (14), das mindestens eine Graphfaltungsnetzwerkschicht enthält, die so konfiguriert ist, dass sie räumliche Abhängigkeitsausgangsdaten bestimmt, die die räumliche Abhängigkeit der historischen Verfügbarkeitsdaten (Xi) auf der Grundlage der attribut- erweiterten Verfügbarkeitsdaten (Ei) und der Straßennetzstrukturdaten anzeigen;c) ein zweites maschinelles Lernmodell (16), das eine Informer-Schicht enthält, die trainiert ist, um eine Verfügbarkeitsbewertung der Infrastrukturkomponente auf der Grundlage der räumlichen Abhängigkeitsausgangsdaten zu bestimmen, wobei die Informer-Schicht mindestens einen Encoder (20) und mindestens einen Decoder (22) enthält, wobei der Encoder (20) eine Featurekarte (28) auf der Grundlage der räumlichen Abhängigkeitsausgangsdaten bestimmt, wobei die Featurekarte (28) in jeden Decoder (22) eingegeben wird.In order to improve the use of the infrastructure or route planning, a prediction system (10) is proposed. The prediction system (10) is configured to predict an availability value (Yi) of infrastructure components within a road network represented by road network structure data, the system comprising: a) supplementary means (12) configured to provide historical availability data (Xi ) expand the infrastructure component and road network structure data with at least one attribute data matrix (α, β) to obtain attribute-enhanced availability data (Ei), the historical availability data (Xi) indicating an availability value of the infrastructure component at different points in time; b) a first machine learning model ( 14) including at least one graph convolutional network layer configured to determine spatial dependence output data indicative of the spatial dependence of the historical availability data (Xi) based on the attribute-enhanced availability data (Ei) and the road network structure data; c) a second Machine learning model (16) containing an informer layer trained to determine an availability score of the infrastructure component based on the spatial dependency output data, the informer layer containing at least one encoder (20) and at least one decoder (22). , wherein the encoder (20) determines a feature map (28) based on the spatial dependence output data, the feature map (28) being input to each decoder (22).

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL FIELD

Die Erfindung betrifft ein computerimplementiertes Verfahren zum Vorhersagen der Verfügbarkeit einer Infrastrukturkomponente, wie z. B. einer Ladestation für Elektrofahrzeuge.The invention relates to a computer-implemented method for predicting the availability of an infrastructure component, such as. B. a charging station for electric vehicles.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Die genaue Vorhersage von Verkehrsinformationen spielt eine wichtige Rolle bei der Verwaltung einer intelligenten Stadt. Im Allgemeinen beinhalten Verkehrsinformationen die Verbindungsgeschwindigkeit, den Verkehrsfluss, die Fahrzeugdichte, die Reisezeit, den Nutzungszustand der Einrichtungen usw. Mit der rasanten Entwicklung von Elektrofahrzeugen (eng. electric vehicle EV) steigt der Anteil von Elektrofahrzeugen. Die begrenzte Reichweite und die begrenzte Anzahl an Ladestationen sowie die im Vergleich zur kurzen Betankungszeit von Benzinautos wesentlich längeren Ladezeiten führen bei den Fahrern von Elektrofahrzeugen jedoch zu Reichweitenangst. Als eine der wichtigsten Infrastrukturen für E-Fahrzeuge haben Ladestationen in letzter Zeit mehr Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Einige Studien zeigen, dass das Ladeverhalten bei Elektrofahrzeugen eine gewisse Regelmäßigkeit aufweist. Ein genaues Vorhersagesystem für die Nutzung von Ladestationen für EVs kann daher die Reichweitenangst effektiv verringern und die Effizienz im Straßenverkehr verbessern.Accurate traffic information prediction plays an important role in managing a smart city. Generally, traffic information includes connection speed, traffic flow, vehicle density, travel time, facility usage status, etc. With the rapid development of electric vehicle EV, the proportion of electric vehicles is increasing. However, the limited range and the limited number of charging stations as well as the significantly longer charging times compared to the short refueling time of petrol cars lead to range anxiety among drivers of electric vehicles. As one of the most important infrastructure for electric vehicles, charging stations have recently attracted more attention. Some studies show that the charging behavior of electric vehicles has a certain regularity. Therefore, an accurate EV charging station usage prediction system can effectively reduce range anxiety and improve road traffic efficiency.

Ein weiterer Vorteil der großen Anzahl intelligenter Sensoren ist die Echtzeitüberwachung auf der Stationsebene. Die meisten kanonischen Verfahren zur Vorhersage des Nutzungszustands von Einrichtungen sind auf historische Verkehrsmerkmale angewiesen, um Vorhersagen zu treffen. Die Verfügbarkeit von Ladestationen für EVs vorherzusagen ist jedoch im Allgemeinen viel komplexer als andere Zeitreihenvorhersagen, da die zukünftige Verfügbarkeit nicht nur von vergangenen Verfügbarkeitswerten abhängt, sondern auch mit topologischen Beziehungen oder umfassenden externen Einflüssen verbunden ist. Beispielsweise kann die Nutzung einer Ladestation auf dem Campus oder in einem zentralen Geschäftsviertel stark von der Pendelzeit beeinflusst werden. Im Gegensatz zu der Verfügbarkeit in einem Wohngebiet, ist ein deutlicher Anstieg der Verfügbarkeit in der dienstfreien Zeit zu beobachten, auch wenn die Straßenstruktur ähnlich sein mag. Ein weiteres Beispiel ist, dass schlechtes Wetter, wie beispielsweise starker Regen, den Weg zur Arbeiten einschränken und die Pendelzeit verzögern kann, was sich wiederum auf die Nutzung der Ladestationen auswirkt.Another advantage of the large number of intelligent sensors is real-time monitoring at the station level. Most canonical methods for predicting facility usage status rely on historical traffic characteristics to make predictions. However, predicting the availability of EV charging stations is generally much more complex than other time series predictions because future availability not only depends on past availability values, but is also associated with topological relationships or extensive external influences. For example, using a charging station on campus or in a central business district can be heavily influenced by commute time. In contrast to the availability in a residential area, a significant increase in availability can be observed during off-duty times, even if the street structure may be similar. Another example is that bad weather, such as heavy rain, can limit commutes and delay commute times, which in turn impacts charging station usage.

Bei den bekannten Verfahren stellt die durch diese externen Faktoren verursachte Zufälligkeit zu berücksichtigen, eine große Herausforderung dar. Mit der fortschreitenden Entwicklung von Deep-Learning-Technologien wurden mehrere Vorhersageverfahren vorgeschlagen, um dieses Problem zu lösen, z. B. die ARIMA-Methode (Auto regressive and Integrated Moving Average), die CNN-Methode (Convolutional Neural Network), die LSTM-Methode (Long Short-Term Memory), die GCN-Methode (Graph Convolution Network) und transformerbasierte Methoden. Jeder Algorithmus hat seine eigenen Stärken und Grenzen. Die meisten der bekannten Modelle berücksichtigen die externen Faktoren nicht und haben dementsprechend eine schwächere Wahrnehmung dieser externen Faktoren.In the known methods, taking into account the randomness caused by these external factors is a major challenge. With the progressive development of deep learning technologies, several prediction methods have been proposed to solve this problem, e.g. B. the ARIMA method (Auto regressive and Integrated Moving Average), the CNN method (Convolutional Neural Network), the LSTM method (Long Short-Term Memory), the GCN method (Graph Convolution Network) and transformer-based methods. Each algorithm has its own strengths and limitations. Most of the well-known models do not take external factors into account and, accordingly, have a weaker perception of these external factors.

Zusätzlich wird auf die folgenden Dokumente verwiesen:Additionally, reference is made to the following documents:

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  • [19] L. Zhao, Y. Song, C. Zhang, Y. Liu, P. Wang, T. Lin, M. Deng, and H. Li, „T-gcn: A temporal graph convolutional network for traffic prediction,“ IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, vol. 21, no. 9, pp. 3848-3858 , 2019.[19] L. Zhao, Y. Song, C. Zhang, Y. Liu, P. Wang, T. Lin, M. Deng, and H. Li, "T-gcn: A temporal graph convolutional network for traffic prediction," IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, vol. 21, no. 9, pp. 3848-3858 , 2019.
  • [20] T. N. Kipf und M. Welling, „Semi-supervised classification with graph convolutional networks,“ arXiv preprint arXiv:1609.02907, 2016.[20] T. N. Kipf and M. Welling, “Semi-supervised classification with graph convolutional networks,” arXiv preprint arXiv:1609.02907, 2016.
  • [21] Y.-H. H. Tsai, S. Bai, M. Yamada, L.-P. Morency, und R. Salakhutdinov, „Transformer dissection: A unified understanding of transformer's attention via the lens of kernel,“ arXiv preprint arXiv:1908.11775, 2019.[21] Y.-H. H. Tsai, S. Bai, M. Yamada, L.-P. Morency, and R. Salakhutdinov, “Transformer dissection: A unified understanding of transformer's attention via the lens of kernel,” arXiv preprint arXiv:1908.11775, 2019.
  • [22] H. Zhou, S. Zhang, J. Peng, S. Zhang, J. Li, H. Xiong, und W. Zhang, „Informer: Beyond efficient transformer for long sequence time-series forecasting,“ in Proceedings of AAAI, 2021.[22] H. Zhou, S. Zhang, J. Peng, S. Zhang, J. Li, H. Xiong, and W. Zhang, “Informer: Beyond efficient transformer for long sequence time-series forecasting,” in Proceedings of AAAI, 2021.

KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGBRIEF SUMMARY OF THE INVENTION

Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Nutzung der Infrastruktur durch Fahrzeuge zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.It is the object of the invention to improve the use of the infrastructure by vehicles. This task is solved by the subject matter of the independent claims. Preferred embodiments are the subject of the dependent claims.

Die Erfindung stellt ein computerimplementiertes Verfahren zur Vorhersage einer Verfügbarkeitsbewertung von Infrastrukturkomponenten innerhalb eines Straßennetzes bereit, das durch Straßennetzstrukturdaten dargestellt wird, wobei das Verfahren umfasst:

  1. a) Ergänzen von historischen Verfügbarkeitsdaten der Infrastrukturkomponente und von Straßennetzstrukturdaten mit mindestens einer Attributdatenmatrix, um attribut-erweiterte Verfügbarkeitsdaten zu erhalten, wobei die historischen Verfügbarkeitsdaten einen Verfügbarkeitswert der Infrastrukturkomponente zu verschiedenen Zeitpunkten anzeigen;
  2. b) Einspeisen der attribut-ergänzten Verfügbarkeitsdaten und der Straßennetzstrukturdaten in ein erstes maschinelles Lernmodell, das mindestens eine Graphfaltungsnetzwerkschicht enthält, die zum Ermitteln von Raumabhängigkeitsausgabedaten konfiguriert ist, die die räumliche Abhängigkeit der historischen Verfügbarkeitsdaten angeben;
  3. c) Einspeisen der Raumabhängigkeitsausgabedaten in ein zweites maschinelles Lernmodell, das eine Informer-Schicht enthält, die zum Ermitteln einer Verfügbarkeitsbewertung der Infrastrukturkomponente trainiert ist, wobei die Informer-Schicht mindestens einen Encoder und mindestens einen Decoder enthält, wobei der Encoder eine Featurekarte basierend auf den Raumabhängigkeitsausgabedaten bestimmt, wobei die Featurekarte in jeden Decoder eingespeist wird.
The invention provides a computer-implemented method for predicting an availability rating of infrastructure components within a road network represented by road network structure data, the method comprising:
  1. a) supplementing historical availability data of the infrastructure component and road network structure data with at least one attribute data matrix to obtain attribute-enhanced availability data, wherein the historical availability data indicates an availability value of the infrastructure component at different points in time;
  2. b) feeding the attribute-enhanced availability data and the road network structure data into a first machine learning model that includes at least one graph convolutional network layer configured to determine spatial dependence output data indicative of the spatial dependence of the historical availability data;
  3. c) feeding the spatial dependency output data into a second machine learning model that includes an informer layer trained to determine an availability score of the infrastructure component, wherein the Informer layer includes at least one encoder and at least one decoder, the encoder determining a feature map based on the spatial dependence output data, the feature map being fed to each decoder.

Vorzugsweise stellt in Schritt a) eine erste Attributdatenmatrix statische externe Faktoren dar, die mit jeder Infrastrukturkomponente assoziiert sind, wobei die statischen externen Faktoren durch zeitunabhängige Eigenschaften der Umgebung der jeweiligen Infrastrukturkomponente bestimmt sind.Preferably, in step a), a first attribute data matrix represents static external factors that are associated with each infrastructure component, the static external factors being determined by time-independent properties of the environment of the respective infrastructure component.

Vorzugsweise repräsentiert in Schritt a) eine zweite Attributdatenmatrix dynamische externe Faktoren, die jeder Infrastrukturkomponente und/oder dem Straßennetz zugeordnet sind, wobei die dynamischen externen Faktoren durch zeitabhängige Ereignisse bestimmt sind, die in der Umgebung auftreten, in der die jeweilige Infrastrukturkomponente angeordnet ist.Preferably, in step a), a second attribute data matrix represents dynamic external factors associated with each infrastructure component and/or the road network, wherein the dynamic external factors are determined by time-dependent events that occur in the environment in which the respective infrastructure component is arranged.

Vorzugsweise wird ein Zeitfenster einer bestimmten Länge gewählt, und nur Ereignisse innerhalb dieses Zeitfensters werden zu den historischen Verfügbarkeitsdaten ergänzt.Preferably, a time window of a certain length is selected, and only events within this time window are added to the historical availability data.

Vorzugsweise enthält die Informer-Schicht in Schritt c) einen ersten Encoder und einen letzten Encoder, wobei die Ausgabe von Schritt b) in den ersten Encoder eingespeist wird und die Ausgabe des ersten Encoder s in einen weiteren Encoder eingespeist wird, wobei die Featurekarte vom letzten Encoder ausgegeben wird.Preferably, the informer layer in step c) contains a first encoder and a last encoder, the output of step b) being fed into the first encoder and the output of the first encoder being fed into a further encoder, the feature map from the last encoder is output.

Vorzugsweise enthält die Informer-Schicht in Schritt c) einen ersten Decoder und einen letzten Decoder, wobei der Ausgang des letzten Decoders in eine vollständig verbundenen Ausgabeschicht eingespeist wird.Preferably, the informer layer in step c) contains a first decoder and a last decoder, the output of the last decoder being fed into a fully connected output layer.

Vorzugsweise werden in Schritt c) die Raumabhängigkeitsausgabedaten aufeinanderfolgend teilweise maskiert, und die teilweise nacheinander maskierten Daten werden in den Decoder oder den ersten Decoder eingespeist.Preferably, in step c), the spatial dependence output data is sequentially partially masked, and the partially sequentially masked data is fed into the decoder or the first decoder.

Vorzugsweise enthält in Schritt c) jeder Encoder eine erste Self-Attention-Pyramide und eine zweite Self-Attention-Pyramide, wobei die zweite Self-Attention-Pyramide weniger Eingaben hat als die erste Self-Attention-Pyramide und jede Self-Attention-Pyramide eine Semi-Featurekarte erzeugt, die zu der Ausgangsfeaturekarte miteinander verkettet wird.Preferably, in step c), each encoder contains a first self-attention pyramid and a second self-attention pyramid, the second self-attention pyramid having fewer inputs than the first self-attention pyramid and each self-attention pyramid creates a semi-feature map that is chained together to form the initial feature map.

Vorzugsweise weist die zweite Self-Attention-Pyramide die Hälfte der Eingänge der ersten Self-Attention-Pyramide auf.Preferably, the second self-attention pyramid has half of the inputs of the first self-attention pyramid.

Die Erfindung stellt ein computergestütztes Verfahren zur Planung einer Route eines Fahrzeugs bereit, wobei das Verfahren umfasst:

  1. a) Ermitteln einer anfänglichen Route von einer Startposition zu einem Ziel;
  2. b) Ermitteln einer Streckenlänge der anfänglichen Route und Vergleichen der Routenlänge mit einer verbleibenden Entfernung, die das Fahrzeug aufgrund des Kraftstoffverbrauchs noch zurücklegen kann;
  3. c) wenn festgestellt wird, dass die Routenlänge länger ist als die verbleibende Entfernung, Ausführen eines zuvor beschriebenen Verfahrens, um mindestens eine Verfügbarkeitsbewertung zu erhalten, Ermitteln eines Zwischenstopps auf der Grundlage der Verfügbarkeitsbewertung und Ändern der ursprünglichen Route, um den Zwischenstopp einzuschließen und eine endgültige Route zu erhalten;
  4. d) Erzeugung eines Steuersignals, das das Fahrzeug veranlasst, einen Fahrer über die endgültige Route zu informieren, oder das das Fahrzeug veranlasst, der endgültigen Route zu folgen.
The invention provides a computer-aided method for planning a route of a vehicle, the method comprising:
  1. a) determining an initial route from a starting position to a destination;
  2. b) determining a route length of the initial route and comparing the route length with a remaining distance that the vehicle can still travel based on fuel consumption;
  3. c) if it is determined that the route length is longer than the remaining distance, performing a previously described procedure to obtain at least one availability score, determining a stopover based on the availability score and changing the original route to include the stopover and a final one route to get;
  4. d) generating a control signal that causes the vehicle to inform a driver of the final route or that causes the vehicle to follow the final route.

Die Erfindung umfasst ein Computerprogramm, das Befehle enthält, die, wenn sie von einem Computer ausgeführt werden, den Computer veranlassen, einen, einige oder alle Schritte eines vorangehenden Verfahrens durchzuführen.The invention includes a computer program that contains instructions that, when executed by a computer, cause the computer to perform one, some, or all of the steps of a preceding method.

Die Erfindung umfasst ein computerlesbares Speichermedium oder ein Datenträgersignal, das das Computerprogramm enthält.The invention includes a computer-readable storage medium or a data carrier signal that contains the computer program.

Die Erfindung stellt ein Vorhersagesystem zur Verfügung, das für das Vorhersagen eines Verfügbarkeitswertes von Infrastrukturkomponenten innerhalb eines Straßennetzes konfiguriert ist, das durch Straßennetzstrukturdaten dargestellt wird, wobei das System umfasst:

  1. a) Ergänzungsmittel I, die zum Ergänzen von historischen Verfügbarkeitsdaten der Infrastrukturkomponente und von Straßennetzstrukturdaten mit mindestens einer Attributdatenmatrix konfiguriert sind, um attribut-ergänzte Verfügbarkeitsdaten zu erhalten, wobei die historischen Verfügbarkeitsdaten einen Verfügbarkeitswert der Infrastrukturkomponente zu verschiedenen Zeitpunkten angeben;
  2. b) ein erstes maschinelles Lernmodell, das mindestens eine Graphfaltungsnetzwerkschicht enthält, die zum Ermitteln von Raumunabhängigkeitsausgangsdaten konfiguriert ist, die die räumliche Abhängigkeit der historischen Verfügbarkeitsdaten auf der Grundlage der attribut-erweiterte Verfügbarkeitsdaten und der Straßennetzstrukturdaten angeben;
  3. c) ein zweites maschinelles Lernmodell, das eine Informer-Schicht enthält, die zum Ermitteln der Verfügbarkeitsbewertung der Infrakstrukturkomponente auf der Grundlage der Raumunabhängigkeitsausgangsdaten trainiert ist, wobei die Informer-Schicht mindestens einen Encoder und mindestens einen Decoder enthält, wobei der Encoder eine Featurekarte auf der Grundlage der Raumunabhängigkeitsausgangsdaten bestimmt, wobei die Featurekarte in jeden Decoder eingespeist wird. Die Erfindung stellt eine Fahrzeugroutenplanungsvorrichtung für ein Fahrzeug bereit, die ein Vorhersagesystem umfasst.
The invention provides a prediction system configured for predicting an availability value of infrastructure components within a road network represented by road network structure data, the system comprising:
  1. a) supplementary means I, which are configured to supplement historical availability data of the infrastructure component and road network structure data with at least one attribute data matrix in order to obtain attribute-supplemented availability data, the historical availability data indicating an availability value of the infrastructure component at different points in time;
  2. b) a first machine learning model that includes at least one graph convolutional network layer configured to determine spatial independence output data that shows the spatial dependence of the historical availability data based on the attribute provide extended availability data and road network structure data;
  3. c) a second machine learning model that includes an informer layer trained to determine the availability score of the infrastructure component based on the spatial independence output data, the informer layer including at least one encoder and at least one decoder, the encoder a feature map on the Based on the spatial independence output data, the feature map is fed into each decoder. The invention provides a vehicle route planning device for a vehicle that includes a prediction system.

Eine Idee ist der Aufbau eines neuronalen Netzes, das in der Lage ist, sowohl räumlich-zeitliche Informationen als auch externe Einflüsse zu extrahieren, um den Nutzungszustand der Ladestation, d.h. die Verfügbarkeit, vorherzusagen. Ein Attribut-Augmented Spatial-Temporal Graph Informer Network (AST-GIN) wird als maschinelles Lernmodell zur Bestimmung des Verfügbarkeitswertes verwendet. Das AST-GIN umfasst eine Attribut-Augmentierungseinheit (A2U), ein Graph Convolutional Network (GCN) und ein Informer Network. Das offenbarte AST-GIN-Modell kann im Gegensatz zu bekannten Modellen den Einfluss dynamischer und statischer externer Faktoren auf die EV-Ladestation gut berücksichtigen. Wie später beschrieben wird, wird das AST-GIN mit bekannten Grundmodellen verglichen, indem es mit einem realen Datensatz, der in Dundee gesammelt wurde, getestet wird.One idea is to build a neural network capable of extracting both spatial-temporal information and external influences to predict the charging station's usage status, i.e. availability. An Attribute-Augmented Spatial-Temporal Graph Informer Network (AST-GIN) is used as a machine learning model to determine the availability value. The AST-GIN includes an Attribute Augmentation Unit (A2U), a Graph Convolutional Network (GCN), and an Informer Network. The disclosed AST-GIN model, unlike known models, can well consider the influence of dynamic and static external factors on the EV charging station. As described later, the AST-GIN is compared to known baseline models by testing it on a real data set collected in Dundee.

Für die Verkehrsvorhersage gibt es verschiedene Ansätze und die Verfahren lassen sich im Allgemeinen in zwei Typen unterteilen: kanonische Modelle und auf Deep Learning basierende Modelle. Kanonische Vorhersagemodelle bauen in der Regel auf mathematischen Modellen auf und behandeln das Verkehrsverhalten als einen bedingten Prozess. Es gibt viele bekannte Modelle, wie das Modell des historischen Durchschnitts (eng. Historical Average, HA), das K-nearest Neighbor-Modell, das ARIMA-Modell und das Modell der Support-Vektor-Regression (SVR).There are different approaches to traffic prediction and the methods can generally be divided into two types: canonical models and deep learning-based models. Canonical prediction models are usually based on mathematical models and treat traffic behavior as a conditional process. There are many well-known models, such as the Historical Average (HA) model, the K-nearest neighbor model, the ARIMA model, and the Support Vector Regression (SVR) model.

Die meisten dieser Modelle berücksichtigen den Trend der Daten und gehen davon aus, dass Zeitreihendaten stabil sind, was es diesen Modellen erschwert, auf eine schnelle Änderung der Eingaben zu reagieren. In jüngster Zeit wurden auf Deep Learning basierende Vorhersageverfahren in großem Umfang zur Vorhersage von Zeitserien eingesetzt. Diese Modelle sind in der Regel in der Lage, nichtlineare Beziehungen aus der Eingabesequenz zu extrahieren, und umfassen ein rekurrentes neuronales Netzwerk (RNN), ein gestapeltes autocodierendes neuronales Netzwerk (engl. Stacked Autoencoding Neural Network, SAE), eine Gated Recurrent Unit (GRU), ein LSTM-Modell (Long Short-Term Memory), einen Transformer und Varianten davon. Die Modelle sind effizienter bei der Extraktion der zeitlichen Informationen als kanonische Vorhersagenmodelle.Most of these models take into account the trend of the data and assume that time series data is stable, which makes it difficult for these models to respond to a rapid change in inputs. Recently, deep learning-based prediction methods have been widely used for time series prediction. These models are typically capable of extracting nonlinear relationships from the input sequence and include a recurrent neural network (RNN), a stacked autoencoding neural network (SAE), a gated recurrent unit (GRU ), an LSTM model (Long Short-Term Memory), a Transformer and variants thereof. The models are more efficient at extracting the temporal information than canonical prediction models.

Wie bereits beschreiben, beeinflussen externe Faktoren die zukünftige Verfügbarkeit von Ladestationen für EVs. Bestehende Verfahren können durch die Berücksichtigung externer Informationsflüsse weiter verbessert werden. Dies geschieht mit dem AST-GIN für die Vorhersage der Verfügbarkeit von Ladestationen, das sowohl räumlich-zeitliche als auch externe Faktoren als Input integriert, um die Wahrnehmungsfähigkeit des Modells während der Vorhersage zu verbessern.As already described, external factors influence the future availability of charging stations for EVs. Existing procedures can be further improved by taking external information flows into account. This is done with the AST-GIN for charging station availability prediction, which integrates both spatiotemporal and external factors as inputs to improve the model's perceptive ability during prediction.

Das Ziel der Erfindung ist es, die zukünftige Verfügbarkeit einer EV-Ladestation auf der Grundlage historischer Zustände und zugehöriger Informationen vorherzusagen. Basierend auf dem eingeführten a priori Wissen, hat die Nachfrage nach EVs eine starke Periodizität und externe Faktoren haben eine hohe Korrelation mit der Nutzung von EVs.The aim of the invention is to predict the future availability of an EV charging station based on historical conditions and associated information. Based on the introduced a priori knowledge, the demand for EVs has a strong periodicity and external factors have a high correlation with the usage of EVs.

Die Chance, eine Verfügbarkeitsfunktion, die einen Verfügbarkeitswert für eine Ladestation schätzt, zu finden, ist sehr vielversprechend. Als Beispiel werden die historischen, aggregierten Verfügbarkeitsdaten von Ladestationen und zwei externe Faktoren, Wetterbedingungen und POI-Informationen (engl. Point Of Interest, POI), verwendet, um die Idee zu veranschaulichen.The chance of finding an availability function that estimates an availability value for a charging station is very promising. As an example, historical aggregated charging station availability data and two external factors, weather conditions and Point Of Interest (POI) information, are used to illustrate the idea.

Das Straßennetz, das die verschiedenen Ladestationen miteinander verbindet, wird als gewichteter ungerichteter Graph G = {V, E} behandelt. Die Ladestationen werden durch die Knoten V innerhalb des Graphen dargestellt. E ist die Kantenmenge des Graphen, die die Konnektivität zwischen den Stationen darstellt. Die entsprechende Adjazenzmatrix A kann auf der Grundlage von Knoten- und Kanteninformationen erstellt werden. Mit einer Straßenkarte, die auf den Breiten- und Längengraden der Ladestationen basiert, kann die Entfernung zwischen den EV-Stationen geschätzt werden. Die Elemente der Adjazenzmatrix werden vorzugsweise mit einer Gaußschen Kernel-Gewichtungsfunktion berechnet, die einen vorgegebenen Grenzwert hat. Mit anderen Worten: Nur wenn der Abstand zwischen zwei Stationen kleiner ist als ein vorgegebener Grenzabstand, ist das Matrixelement größer als 0. The road network connecting the different charging stations is treated as a weighted undirected graph G = {V, E}. The charging stations are represented by the nodes V within the graph. E is the edge set of the graph representing the connectivity between the stations. The corresponding adjacency matrix A can be constructed based on node and edge information. Using a road map based on the latitude and longitude of the charging stations, the distance between EV stations can be estimated. The elements of the adjacency matrix are preferably calculated using a Gaussian kernel weighting function that has a predetermined limit. In other words: Only if the distance between two stations is smaller than a specified limit distance is the matrix element greater than 0.

Ein weiteres Element ist eine Verkehrsmerkmalmatrix Xi, die hochdimensionale Informationen über die Verfügbarkeit von Ladestationen enthält. Mit anderen Worten: Die Verkehrsmerkmalmatrix enthält die historische Gesamtverfügbarkeitsbewertung jeder Ladestation, die modelliert wird.Another element is a traffic feature matrix X i , which contains high-dimensional information about the availability of charging stations. In other words: the traffic feature matrix contains the overall historical availability rating of each charging station being modeled.

So werden zum Zeitpunkt i die bekannten historischen Zustände der L Zeitschritte [Xi-L, Xi-L+1, ...,Xi] als partielle Eingaben verwendet, um die Zustände der nächsten M Schritte [Yi+1, ...,Yi+M] vorherzusagen.Thus, at time i, the known historical states of the L time steps [X i - L , X i-L+1 , ...,X i ] are used as partial inputs to determine the states of the next M steps [Y i+1 , ...,Y i+M ] to predict.

Ferner wird der Einfluss externer Faktoren als zugehörige Attributmatrix F betrachtet. Diese Faktoren bilden eine Attributmatrix [F1, F2, ..., FI], wobei I die Dimension der Attributinformationen ist. Zum Zeitpunkt i ist die Menge der j-ten zugehörigen Informationen Fj = [ji+L ,ji-L+1, ..., ji].Furthermore, the influence of external factors is considered as the associated attribute matrix F. These factors form an attribute matrix [F 1 , F 2 , ..., F I ], where I is the dimension of the attribute information. At time i, the set of the jth associated information is F j = [j i+L ,j i-L+1 , ..., j i ].

Die Erfindung löst das technische Problem der Ladestationsverfügbarkeitsvorhersage für EVs durch Berücksichtigung externer Faktoren und Verfeinerung der Beziehungsfunktion f auf der Grundlage der historischen Nutzungsdaten X, der Attributmatrix F und der Straßengraphenstruktur G, um die zukünftigen Nutzungswerte Y zu erhalten.The invention solves the technical problem of charging station availability prediction for EVs by considering external factors and refining the relationship function f based on the historical usage data X, the attribute matrix F and the road graph structure G to obtain the future usage values Y.

Das AST-GIN-Modell enthält eine Attribute Augmentation Unit (A2Unit), die die externen Informationen integrieren kann, eine GCN-Schicht und eine Informer-Schicht.The AST-GIN model contains an Attribute Augmentation Unit (A2Unit) that can integrate the external information, a GCN layer and an Informer layer.

Die historischen Zeitreihendaten und die externen Daten werden in die A2Unit zur Attributergänzung eingespeist. Anschließend werden die verarbeiteten Informationen in die GCN-Schicht eingespeist, um Rauminformationen zu extrahieren. Schließlich übernimmt die Informer-Schicht die Ausgaben der GCN-Schicht, um die zeitlichen Abhängigkeiten zu extrahieren.The historical time series data and the external data are fed into the A2Unit for attribute supplementation. Then the processed information is fed into the GCN layer to extract spatial information. Finally, the Informer layer adopts the outputs of the GCN layer to extract the temporal dependencies.

Um den Einfluss externer Faktoren umfassend zu berücksichtigen, werden für die Zielregion jeweils dynamische und statische Attribute ausgewählt. Die historische Verfügbarkeitsmatrix X der EV-Stationen, die Straßenstruktur G und zwei Arten von Attributmatrizen werden zur Erweiterung in die A2Unit integriert. Eine statische Attributmatrix α enthält p Kategorien von Attributen, die zeitinvariant sind. Dies kann sich auf die statische Umgebung der Ladestation beziehen, z. B. ob es einen Supermarkt oder andere Angebote gibt, die man nutzen kann, während das Auto geladen wird.In order to comprehensively take the influence of external factors into account, dynamic and static attributes are selected for the target region. The historical availability matrix X of the EV stations, the road structure G and two types of attribute matrices are integrated into the A2Unit for expansion. A static attribute matrix α contains p categories of attributes that are time invariant. This may refer to the static environment of the charging station, e.g. B. whether there is a supermarket or other offers that you can use while the car is charging.

In ähnlicher Weise steht β für w verschiedene dynamische Attribute, die sich im Laufe der Zeit ändern. Dazu gehören dynamische Umweltphänomene wie das Wetter, die Verkehrssituation usw. Um den kumulativen Einfluss der dynamischen Attribute zu aggregieren, wird ein historisches Fenster der Länge L gewählt. Die endgültige augmentierte Matrix, die von A2Unit zum Zeitpunkt i verarbeitet wird, lautet also Ei = [Xi, α, β , βi-Li-L+1, ... βi], und das gleiche Verarbeitungsverfahren wird für jeden Zeitstempel innerhalb der Verkehrsmerkmalmatrix X angewandt. Mit anderen Worten, für jeden Zeitpunkt i erhält man die augmentierte Matrix Ei, indem man an die Matrix Xi zusätzliche Spalten anhängt, die die statischen Attribute α und ein historisches Zeitfenster der dynamischen Attribute β enthalten.Similarly, β represents w different dynamic attributes that change over time. This includes dynamic environmental phenomena such as the weather, the traffic situation, etc. In order to aggregate the cumulative influence of the dynamic attributes, a historical window of length L is chosen. So the final augmented matrix processed by A2Unit at time i is E i = [Xi, α, β , β i-Li-L+1 , ... β i ], and the same processing procedure is used for each timestamp applied within the traffic feature matrix X. In other words, for each time point i, one obtains the augmented matrix E i by appending additional columns to the matrix X i , which contain the static attributes α and a historical time window of the dynamic attributes β.

Die GCN-Schicht wird verwendet, um die Raumabhängigkeit der Eingabedaten zu extrahieren. Die Faltung ist durch HI+1 = σ(D-1/2ÃD-1/2HIWI) gegeben, wobei σ die Aktivierungsfunktion ist, D die diagonale Gradmatrix, Ä die Adjazenzmatrix mit Selbstschleifen, WI die Gewichtsmatrix der Faltungsschicht I, HI+1 der Ausgang der Faltungsschicht, HI der Eingang, der für H0 die erweiterte Matrix E ist.The GCN layer is used to extract the spatial dependence of the input data. The convolution is given by H I+1 = σ(D -1/2 ÃD -1/2 H I W I ), where σ is the activation function, D is the diagonal degree matrix, Ä is the adjacency matrix with self-loops, W I is the weight matrix of the Convolutional layer I, H I+1 the output of the convolution layer, H I the input, which is the extended matrix E for H 0 .

Die Informer-Schicht wird verwendet, um bei der Vorhersage eine globale zeitliche Abhängigkeit zu erhalten. Die Informer-Schicht verwendet eine Encoder-Decoder-Architektur. Das Modell verbessert die Effizienz der Abfrageaufmerksamkeit, indem es die Sparsamkeit misst und die Dimension des Abfragewerts im Block „Multi-head ProbSparse Self-attention“ verringert.The Informer layer is used to obtain global temporal dependence in prediction. The informer layer uses an encoder-decoder architecture. The model improves the efficiency of query attention by measuring sparsity and reducing the dimension of the query value in the Multi-head ProbSparse Self-attention block.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Ausführungsformen der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen näher beschrieben.

  • 1 zeigt eine Ausführungsform eines AST-GIN-Modells;
  • 2 zeigt eine Ausführungsform einer Informer-Schicht;
  • 3 zeigt eine Tabelle mit den Versuchsergebnissen; und
  • 4 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Genauigkeit der verglichenen Modelle.
Embodiments of the invention are described in more detail with reference to the accompanying schematic drawings.
  • 1 shows an embodiment of an AST-GIN model;
  • 2 shows an embodiment of an informer layer;
  • 3 shows a table with the experimental results; and
  • 4 shows a diagram to illustrate the accuracy of the compared models.

DETAILBESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS

In 1 ist ein Vorhersagesystem 10 teilweise dargestellt. Das Vorhersagesystem 10 ist so konfiguriert, dass es einen Verfügbarkeitswert einer Infrastrukturkomponente, wie z. B. einer elektrischen Ladestation für Elektrofahrzeuge, vorhersagt. Normalerweise sind mehrere Ladestationen in einem Gebiet verteilt und durch ein Straßennetz verbunden. Es sollte beachtet werden, dass die Erfindung auf der Grundlage von elektrischer Ladeinfrastruktur beschrieben wird, aber die hier beschriebenen Ideen können ohne weiteres auf andere Infrastrukturkomponenten angewendet werden.In 1 a prediction system 10 is partially shown. The prediction system 10 is configured to provide an availability value of an infrastructure component, such as. B. an electric charging station for electric vehicles. Typically, several charging stations are distributed throughout an area and connected by a road network. It should be noted that the invention is described based on electrical charging infrastructure, but the ideas described herein can be readily applied to other infrastructure components.

Jede Ladestation befindet sich in einer Umgebung, die statische und/oder dynamische Merkmale aufweisen kann. Statische Attribute sind zeitunabhängig, z. B. umliegende Geschäfte oder Angebote, während sich dynamische Attribute, z. B. das Wetter im Laufe der Zeit ändern.Each charging station is located in an environment that may have static and/or dynamic characteristics. Static attributes are time-independent, e.g. B. surrounding shops or offers, while dynamic attributes, e.g. B. the weather changes over time.

Das Vorhersagesystem 10 wird mit historischen Verfügbarkeitsdaten Xi für jede Ladestation gespeist. Die historischen Verfügbarkeitsdaten können Aufschluss darüber geben, wie viele einzelne Ladegeräte an der Ladestation verfügbar sind.The prediction system 10 is fed with historical availability data X i for each charging station. The historical availability data can provide information about how many individual chargers are available at the charging station.

Das Vorhersagesystem 10 wird mit einer statischen Attributdatenmatrix α gespeist. Die statische Attributdatenmatrix α ist ein Indikator für die statische Umgebung um das elektrische Ladegerät.The prediction system 10 is fed with a static attribute data matrix α. The static attribute data matrix α is an indicator of the static environment around the electric charger.

Das Vorhersagesystem 10 wird mit einer dynamischen Attributdatenmatrix β gespeist, die Einträge für jeden Zeitpunkt i in der Vergangenheit für ein wählbares Zeitfenster L enthält. So enthält die dynamische Attributmatrix β beispielsweise Wetterdaten für jede Ladestation für die letzten L Stunden.The prediction system 10 is fed with a dynamic attribute data matrix β containing entries for each time i in the past for a selectable time window L. For example, the dynamic attribute matrix β contains weather data for each charging station for the last L hours.

Das Vorhersagesystem 10 umfasst ein Ergänzungsmittel 12. Das Ergänzungsmittel 12 empfängt die historischen Verfügbarkeitsdaten Xi und die Attributdatenmatrizen α, β. Das Ergänzungsmittel 12 verkettet diese Eingabedaten zu attribut-ergänzten Verfügbarkeitsdaten Ei.The prediction system 10 includes a supplement 12. The supplement 12 receives the historical availability data X i and the attribute data matrices α, β. The supplementary means 12 concatenates this input data into attribute-supplemented availability data E i .

Das Vorhersagesystem 10 umfasst ein erstes maschinelles Lernmodell 14 mit mindestens einer Graphfaltungsnetzwerkschicht (GCN). Das Straßennetz, das die Ladestationen verbindet, wird als ungerichteter Graph G dargestellt. Jede Ladestation wird durch einen Knoten V dargestellt und das Straßennetz wird durch die Kanten E dargestellt. Für die Adjazenzmatrix A wird eine Gaußsche Kernelfunktion mit einem vorgegebenen Cut-off-Wert verwendet. Das GCN extrahiert die Raumabhängigkeit der Eingabedaten und speist das Ergebnis in ein zweites maschinelles Lernmodell 16 ein.The prediction system 10 includes a first machine learning model 14 with at least one graph convolutional network (GCN) layer. The road network connecting the charging stations is represented as an undirected graph G. Each charging station is represented by a node V and the road network is represented by the edges E. A Gaussian kernel function with a specified cut-off value is used for the adjacency matrix A. The GCN extracts the spatial dependence of the input data and feeds the result into a second machine learning model 16.

Wie in 2 dargestellt, umfasst das Vorhersagesystem 10 das zweite maschinelle Lernmodell 16, das mindestens eine Informer-Schicht 18 enthält. Die Informer-Schicht 18 hat mindestens einen Encoder 20 und mindestens einen Decoder 22.As in 2 shown, the prediction system 10 includes the second machine learning model 16, which contains at least one informer layer 18. The informer layer 18 has at least one encoder 20 and at least one decoder 22.

Der Encoder 20 umfasst eine erste Self-Attention-Pyramide 24 und eine zweite Self-Attention-Pyramide 26, die die Hälfte der Eingänge der ersten Self-Attention-Pyramide 24 aufweist. Die beiden Self-Attention-Pyramide 24 und 26 sind als ProbSparse- Self-Attention-Pyramide konfiguriert. Die Ausgaben der Self-Attention-Pyramide 24 und 26 werden zu einer verketteten Featurekarte 28 zusammengefügt.The encoder 20 includes a first self-attention pyramid 24 and a second self-attention pyramid 26, which has half of the inputs of the first self-attention pyramid 24. The two self-attention pyramids 24 and 26 are configured as a ProbSparse self-attention pyramid. The outputs of the self-attention pyramid 24 and 26 are combined into a linked feature map 28.

Die verkettete Featurekarte 28 wird dem Decoder 22 in einen Multi-Head-Attention-Block 30 zugeführt. Der Multi-Head-Attention-Block 30 empfängt die Ausgabe einer maskierten Self-Attention-Pyramide 32, die mit maskierten Verfügbarkeitsdaten 34 gespeist wird. Der Decoder 22 verfügt über eine Ausgabeschicht, die die Decoderausgabe normalisiert, um einen Verfügbarkeitswert für jede Ladestation auszugeben.The concatenated feature map 28 is fed to the decoder 22 in a multi-head attention block 30. The multi-head attention block 30 receives the output of a masked self-attention pyramid 32 which is fed with masked availability data 34. The decoder 22 has an output layer that normalizes the decoder output to output an availability value for each charging station.

Die endgültige Ausgabe des Vorhersagesystems 10 ist eine erwartete Zeitreihe der Verfügbarkeitswerte, die für jeden Punkt i innerhalb eines vorbestimmten zukünftigen Zeitrahmens, z. B. von 30 Minuten bis 120 Minuten in 30-Minuten-Schritten, eine Vorhersage der Verfügbarkeitswerte Yi jeder Ladestation im Straßennetz enthält.The final output of the forecasting system 10 is an expected time series of availability values expected for each point i within a predetermined future time frame, e.g. B. from 30 minutes to 120 minutes in 30-minute increments, contains a prediction of the availability values Y i of each charging station in the road network.

Diese Ausgabe kann in ein Routenplanungssystem eingespeist werden, das bekannt und in der Lage ist, eine Route auf der Grundlage der verbleibenden Entfernung einer Batterieladung zu planen. Darüber hinaus wird die Route auch auf der Grundlage der Verfügbarkeitsbewertung Yi der Ladestationen in der Nähe der Route bestimmt.This output can be fed into a route planning system that is known and capable of planning a route based on the remaining distance of a battery charge. In addition, the route is also determined based on the availability rating Y i of the charging stations near the route.

Das Routenplanungssystem kann auf der Grundlage von Benutzereingaben und/oder Positionsdaten eine erste Route ermitteln. Dann wird die für die Fahrt auf der Route benötigte Ladung ermittelt. Wenn die verbleibende Energie für die verbleibende Strecke im Energiespeicher des Fahrzeugs nicht ausreicht, um das Ziel zu erreichen, wird die Route so geändert, dass sie mindestens eine Ladestation, basierend auf dem vorhergesagten Verfügbarkeitswert Yi zum Zeitpunkt der Ankunft an der jeweiligen Ladestation, einschließt. Auf diese Weise können die elektrische Infrastruktur und die verfügbaren Ressourcen effizienter genutzt werden. Darüber hinaus kann die Reichweitenangst der Fahrer verringert werden.The route planning system can determine a first route based on user input and/or position data. The load required to travel along the route is then determined. If the remaining energy for the remaining route in the vehicle's energy storage is insufficient to reach the destination, the route is changed to include at least one charging station based on the predicted availability value Y i at the time of arrival at the respective charging station . In this way, the electrical infrastructure and available resources can be used more efficiently. In addition, drivers' range anxiety can be reduced.

Um die Leistung des AST-GIN-Modells zu bewerten, wurden die notwendigen Experimente mit dem Datensatz zur Verfügbarkeit von EV-Ladestationen durchgeführt. Es wurden 5 effiziente Zeitreihenvorhersage-Basismodelle für den Vergleich ausgewählt. Während des Experiments wird die Leistung des AST-GIN-Modells nur mit statischen externen Faktoren, nur mit dynamischen externen Faktoren sowie sowohl mit statischen als auch mit dynamischen Faktoren separat bewertet.To evaluate the performance of the AST-GIN model, the necessary experiments were conducted on the EV charging station availability dataset. 5 efficient time series forecasting base models were selected for comparison. During the experiment, the performance of the AST-GIN model is evaluated with only static external factors, only with dynamic external factors, and with both static and dynamic factors separately.

Dundee EV charging dataset: Dieser Datensatz (öffentlich zugänglich auf der Website) ist eine Aufzeichnung des EV-Ladeverhaltens in Dundee, Schottland. Es gibt 57 Ladepunkte in Dundee, die in 3 Typen unterteilt werden können, darunter Slowcharger, Fastcharger und Rapidcharger. Insgesamt stehen 3 gültige Datensätze zur Verfügung, die in 3 verschiedenen Zeiträumen aufgezeichnet wurden: 01/09/17 bis 01/12/17, 02/12/17 bis 02/03/18 und 05/03/18 bis 05/06/18. Außerdem wird die geografische Lage aller Ladestationen angegeben.Dundee EV charging dataset: This dataset (publicly available on the website) is a record of EV charging behavior in Dundee, Scotland. There are 57 charging points in Dundee which can be divided into 3 types including Slowcharger, Fastcharger and Rapidcharger. A total of 3 valid data sets are available, which can be found in 3 different time periods: 01/09/17 to 01/12/17, 02/12/17 to 02/03/18 and 05/03/18 to 05/06/18. The geographical location of all charging stations is also indicated.

Der für das Experiment verwendete Datensatz wurde zwischen dem 03.05.18 und dem 06.05.18 aufgezeichnet. Insgesamt wurden 16773 Ladesitzungen aufgezeichnet, und jeder der Ladesitzungsdatensätze umfasst die ID der Ladestation, die ID des Ladeanschlusses, die Start- und Endzeit des Ladevorgangs, die insgesamt verbrauchte elektrische Leistung, den geografischen Standort und den Typ der Ladestation. Es gibt 40 Slowcharger mit 5894 aufgezeichneten Ladevorgängen, 8 Fastcharger mit 1416 aufgezeichneten Ladevorgängen und 9 Rapidcharger mit 9463 aufgezeichneten Ladevorgängen.The data set used for the experiment was recorded between 05/03/18 and 05/06/18. A total of 16773 charging sessions were recorded, and each of the charging session records includes the charging station ID, charging port ID, charging start and end time, total electric power consumed, geographical location and charging station type. There are 40 slow chargers with 5894 recorded charging processes, 8 fast chargers with 1416 recorded charging processes and 9 rapid chargers with 9463 recorded charging processes.

Darüber hinaus ist der auf der Website verfügbare Dundee-Wetterdatensatz eine Wetteraufzeichnung für die Stadt Dundee. Das Wetter wird stündlich aufgezeichnet, und jeder Datensatz enthält die allgemeine Beschreibung des Wetters, Temperatur, Wind, Luftfeuchtigkeit und Barometer.Additionally, the Dundee weather dataset available on the website is a weather record for the city of Dundee. The weather is recorded hourly, and each record contains the general description of the weather, temperature, wind, humidity and barometer.

Die Verfügbarkeit einer bestimmten Ladestation in der p-ten Sitzung wird alle 30 Minuten berechnet und kann wie folgt beschrieben werden α p = 1 t p 30 M connector ,

Figure DE102022119607A1_0001
wobei Σ tp die gesamte Ladedauer innerhalb einer bestimmten Sitzung und Mconnector die Anzahl der Ladestecker an dieser Station ist.The availability of a specific charging station in the p-th session is calculated every 30 minutes and can be described as follows α p = 1 t p 30 M connector ,
Figure DE102022119607A1_0001
where Σ t p is the total charging time within a specific session and M connector is the number of charging connectors at this station.

In dem Experiment wird die Umgebung der Ladestationen in 8 Kategorien eingeteilt, darunter Verkehrsdienste, Gastronomie, Einkaufsdienste, Bildungsdienste, Unterkünfte, medizinische Dienste, Wohndienste und sonstige. Die Kategorie der Umgebung mit dem größten Anteil wird als POI-Wert einer Ladestation auf der Grundlage seiner geografischen Lage bezeichnet.In the experiment, the charging station environment is divided into 8 categories, including transportation services, catering services, shopping services, educational services, accommodation services, medical services, residential services and others. The category of environment with the largest share is called the POI value of a charging station based on its geographical location.

Das Wetter in Dundee wird in 5 Typen eingeteilt: sonnig, bewölkt, neblig, leicht regnerisch und stark regnerisch mit unterschiedlichen Bezeichnungen von 1 bis 5. Da das Zeitintervall der Wetterdaten aus dem Quelldatensatz eine Stunde beträgt, wird das Wetter im erfassten Zeitraum als gleich angesehen, d. h., wenn das Wetter um 17:50 Uhr als sonnig aufgezeichnet wird, würde das Wetter um 18:20 Uhr als sonnig bezeichnet werden.The weather in Dundee is classified into 5 types: sunny, cloudy, foggy, slightly rainy and heavily rainy with different labels from 1 to 5. Since the time interval of the weather data from the source dataset is one hour, the weather in the recorded period is considered to be the same , d. i.e., if the weather at 5:50 p.m. is recorded as sunny, the weather at 6:20 p.m. would be recorded as sunny.

In dem Experiment wird eine 3-Schicht-GCN-Struktur verwendet. Für jeden Informer-Block beträgt die Anzahl der Encoder-Schichten 2 und die Anzahl der Decoder-Schichten 3. Während des Trainings werden 50 % der Daten nach dem Zufallsprinzip für das Training aufgeteilt, 33 % der Daten werden für die Auswertung ausgewählt und die restlichen 17 % der Daten werden für den Test verwendet. Das Netzwerk wird mit dem Adam-Optimierer optimiert. Die Lernrate beginnt bei e-4 und nimmt alle 2 Epochen um den Faktor 10 ab. Die Gesamtzahl der Epochen beträgt 50 mit einer frühen Stopp-Bestimmung. Die Batchsize wird mit 32 gewählt und die Verlustfunktion ist der mittlere quadratische Fehler. Das gesamte Netzwerk wird auf einer GPU RTX3060 trainiert.A 3-layer GCN structure is used in the experiment. For each informer block, the number of encoder layers is 2 and the number of decoder layers is 3. During training, 50% of the data is randomly divided for training, 33% of the data is selected for evaluation, and the rest 17% of the data is used for the test. The network is optimized using the Adam optimizer. The learning rate starts at e -4 and decreases by a factor of 10 every 2 epochs. The total number of epochs is 50 with an early stopping provision. The batch size is chosen to be 32 and the loss function is the mean squared error. The entire network is trained on a GPU RTX3060.

Für das Experiment wurden gängige Metriken zur Bewertung der Vorhersageleistung der Modelle ausgewählt, nämlich Root Mean Squared Error (RMSE), Bestimmtheitsmaß (R2), Explained Variance Score (var), Mittlerer absoluter Fehler (engl. Mean Absolute Error, MAE) und Accuracy.Common metrics for evaluating the predictive performance of the models were selected for the experiment, namely Root Mean Squared Error (RMSE), Coefficient of Determination (R 2 ), Explained Variance Score (var), Mean Absolute Error (MAE) and Accuracy .

Es wurden 5 Grundmodelle aus dem Stand der Technik verwendet, um die Leistung mit dem erfindungsgemäßen AST-GIN-Modell zu vergleichen. Zu den Grundmodellen gehören GRU, LSTM, Transformer, Informer und Spatial Temporal Transformer Network (STTN). Basierend auf dem 30-Minuten-Zeitintervall der EV-Ladeverfügbarkeitsdaten werden die ausgewählten Modelle eingesetzt, um die Verfügbarkeit in den nächsten 30-, 60-, 90- und 120-Minuten-Horizonten vorherzusagen. Die numerischen Ergebnisse sind in 3 dargestellt.Five prior art basic models were used to compare performance with the inventive AST-GIN model. The basic models include GRU, LSTM, Transformer, Informer and Spatial Temporal Transformer Network (STTN). Based on the 30 minute time interval of EV charging availability data, the selected models are deployed to predict availability in the next 30, 60, 90 and 120 minute horizons. The numerical results are in 3 shown.

Bei der kurzfristigen Vorhersage der Verfügbarkeit von Ladestationen, z. B. mit einem Zeithorizont von 30 Minuten, erfasst das AST-GIN-Modell effektiv die zeitliche Abhängigkeit der Daten und übertrifft die anderen Grundmodelle mit einer höheren Genauigkeit. Bei der 90-Minuten-Vorhersage erreicht das AST-GIN-Modell mit den dynamischen externen Faktoren eine Genauigkeit von 0,8388, während das beste Modell, STTN, unter den Basismodellen eine Genauigkeit von 0,7520 erreicht. AST-GIN übertrifft STTN im 90-Minuten-Horizont mit einer um 11,54 % höheren Genauigkeit. Bei der langfristigen Vorhersage, z.B. 120 Minuten, hat AST-GIN immer noch die beste Leistung mit der höchsten Genauigkeit im Vergleich zu den anderen Basismodellen. Die Genauigkeit von AST-GIN, 0,7507, ist 8,97 % höher als die des besten Modells STTN unter den Basismodellen. Das konsolidierte Ergebnis ist in 4 dargestellt.When predicting the availability of charging stations in the short term, e.g. B. with a time horizon of 30 minutes, the AST-GIN model effectively captures the temporal dependence of the data and outperforms the other basic models with higher accuracy. For the 90-minute forecast, the AST-GIN model with the dynamic external factors achieves an accuracy of 0.8388, while the best model, STTN, achieves an accuracy of 0.7520 among the base models. AST-GIN outperforms STTN on the 90 minute horizon with 11.54% higher accuracy. For long-term forecasting, e.g. 120 minutes, AST-GIN still has the best performance with the highest accuracy compared to the other base models. The accuracy of AST-GIN, 0.7507, is 8.97% higher than that of the best model STTN among the baseline models. The consolidated result is in 4 shown.

Unter den drei Arten der verwendeten externen Faktoren, die nur statische Faktoren, nur dynamische Faktoren und die Kombination beider Faktoren umfassen, führt die Verwendung der Kombination externer Faktoren im Allgemeinen zu einer besseren Leistung.Among the three types of external factors used, which include only static factors, only dynamic factors and the combination of both factors, the use of the combination of external factors generally leads to better performance.

In der hier vorliegenden Anmeldung wird das Deep-Learning-Modell AST-GIN für die Vorhersage der Verfügbarkeit von EV-Ladestationen unter Berücksichtigung des Einflusses externer Faktoren beschrieben und verifiziert. Das Modell enthält eine A2Unit-Schicht, mindestens eine GCN-Schicht und mindestens eine Informer-Schicht, um zeitserielle Verkehrsmerkmale zu ergänzen und räumlich-zeitliche Abhängigkeiten eines EV-Ladestations-Nutzungszustands zu extrahieren. AST-GIN und die Baselines werden mit Daten aus der Stadt Dundee getestet. Die Experimente zeigen, dass AST-GIN über verschiedene Zeithorizonte und Metriken hinweg die besseren Vorhersagefähigkeiten besitzt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass AST-GIN in der Lage ist, den Einfluss umfassender externer Attribute effektiv zu berücksichtigen und den Nutzungszustand von EV-Ladestationen vorherzusagen. AST-GIN kann auf die Anwendungen von EV-Ladesystemen angewandt werden, um den Ladebedarf und das Angebot genau vorherzusagen und den Fahrern ein besseres Ladeverhalten vorzuschlagen, oder um Schlüsselinformationen für ein Planungssystem oder ein Routenplanungssystem zu liefern.In the present application, the deep learning model AST-GIN is used to predict the availability of EV charging stations, taking into account the influence of external factors described and verified. The model includes an A2Unit layer, at least one GCN layer and at least one Informer layer to complement time-serial traffic features and extract spatio-temporal dependencies of an EV charging station usage state. AST-GIN and the baselines are tested using data from the city of Dundee. The experiments show that AST-GIN has better prediction capabilities across different time horizons and metrics. In summary, AST-GIN is able to effectively consider the influence of comprehensive external attributes and predict the usage state of EV charging stations. AST-GIN can be applied to EV charging system applications to accurately predict charging demand and supply and suggest better charging behavior to drivers, or to provide key information for a planning system or route planning system.

BEZUGSZEICHENREFERENCE MARKS

1010
VorhersagesystemPrediction system
1212
ErgänzungsmittelSupplements
1414
erstes maschinelles Lernmodellfirst machine learning model
1616
zweites maschinelles Lernmodellsecond machine learning model
1818
Informer-SchichtInformer layer
2020
EncoderEncoder
2222
Decoderdecoder
2424
erste Self-Attention-Pyramidefirst self-attention pyramid
2626
zweite Self-Attention-Pyramidesecond self-attention pyramid
2828
verkettete Featurekarteconcatenated feature map
3030
Multi-Head-Attention-BlockMulti-head attention block
3232
maskierte Self-Attention-Pyramidemasked self-attention pyramid
3434
maskierte Verfügbarkeitsdaten masked availability data
AA
AdjazenzmatrixAdjacency matrix
EE
Kantenedge
Eiegg
attribut-ergänzte Verfügbarkeitsdatenattribute-enhanced availability data
GG
ungerichteter Graphundirected graph
Vv
Knotennode
XiXi
historische Verfügbarkeitsdaten historical availability data
αα
statische Attributdatenmatrixstatic attribute data matrix
ββ
dynamische Attributdatenmatrixdynamic attribute data matrix

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

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Claims (14)

Computerimplementiertes Verfahren zum Vorhersagen einer Verfügbarkeitsbewertung von Infrastrukturkomponenten innerhalb eines Straßennetzes, das durch Straßennetzstrukturdaten dargestellt wird, wobei das Verfahren umfasst: a) Ergänzen historischer Verfügbarkeitsdaten (Xi) der Infrastrukturkomponente und von Straßennetzstrukturdaten mit mindestens einer Attributdatenmatrix, um attribut-ergänzte Verfügbarkeitsdaten (Ei) zu erhalten, wobei die historischen Verfügbarkeitsdaten (Xi) einen Verfügbarkeitswert der Infrastrukturkomponente zu verschiedenen Zeitpunkten angeben; b) Einspeisen der attribut-ergänzten Verfügbarkeitsdaten (Ei) und der Straßennetzstrukturdaten in ein erstes maschinelles Lernmodell (14), das mindestens eine Graphfaltungsnetzwerkschicht enthält, die zum Ermitteln von Raumabhängigkeitsausgangsdaten konfiguriert ist, die die räumliche Abhängigkeit der historischen Verfügbarkeitsdaten (Xi) angeben; c) Einspeisen der Raumabhängigkeitsausgangsdaten in ein zweites maschinelles Lernmodell (16), das eine Informer-Schicht (18) enthält, die zum Ermitteln einer Verfügbarkeitsbewertung der Infrastrukturkomponente trainiert ist, wobei die Informer-Schicht (18) mindestens einen Encoder (20) und mindestens einen Decoder (22) enthält, wobei der Encoder (20) eine Featurekarte basierend auf den Raumabhängigkeitsausgangsdaten bestimmt, wobei die Featurekarte in jeden Decoder (22) eingespeist wird.Computer-implemented method for predicting an availability rating of infrastructure components within a road network represented by road network structure data, the method comprising: a) supplementing historical availability data (X i ) of the infrastructure component and road network structure data with at least one attribute data matrix to produce attribute-supplemented availability data (E i ), where the historical availability data (X i ) indicates an availability value of the infrastructure component at different points in time; b) feeding the attribute-enhanced availability data (Ei) and the road network structure data into a first machine learning model (14) that contains at least one graph convolution network layer configured to determine spatial dependence output data that indicates the spatial dependence of the historical availability data (X i ); c) feeding the spatial dependency output data into a second machine learning model (16), which contains an informer layer (18) which is trained to determine an availability assessment of the infrastructure component, the informer layer (18) having at least one encoder (20) and at least a decoder (22), the encoder (20) determining a feature map based on the spatial dependence output data, the feature map being fed to each decoder (22). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) eine erste Attributdatenmatrix statische externe Faktoren darstellt, die jeder Infrastrukturkomponente zugeordnet sind, wobei die statischen externen Faktoren durch zeitunabhängige Eigenschaften der Umgebung der jeweiligen Infrastrukturkomponente bestimmt sind.Procedure according to Claim 1 , characterized in that in step a) a first attribute data matrix represents static external factors that are assigned to each infrastructure component, the static external factors being determined by time-independent properties of the environment of the respective infrastructure component. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) eine zweite Attributdatenmatrix dynamische externe Faktoren repräsentiert, die jeder Infrastrukturkomponente und/oder dem Straßennetz zugeordnet sind, wobei die dynamischen externen Faktoren durch zeitabhängige Ereignisse bestimmt sind, die in der Umgebung auftreten, in der die jeweilige Infrastrukturkomponente angeordnet ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in step a) a second attribute data matrix represents dynamic external factors associated with each infrastructure component and/or the road network, the dynamic external factors being determined by time-dependent events occurring in the environment , in which the respective infrastructure component is arranged. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zeitfenster einer vorgegebenen Länge gewählt wird und nur Ereignisse innerhalb dieses Zeitfensters zu den historischen Verfügbarkeitsdaten (Xi) ergänzt werden.Procedure according to Claim 3 , characterized in that a time window of a predetermined length is selected and only events within this time window are added to the historical availability data (X i ). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die Informer-Schicht (18) einen ersten Encoder (20) und einen letzten Encoder (20) umfasst, wobei die Ausgabe von Schritt b) in den ersten Encoder (20) eingespeist wird und die Ausgabe des ersten Encoders (20) in einen weiteren Encoder (20) eingespeist wird, wobei die Featurekarte von dem letzten Encoder (20) ausgegeben wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in step c) the informer layer (18) comprises a first encoder (20) and a last encoder (20), the output of step b) being in the first encoder (20 ) is fed and the output of the first encoder (20) is fed into a further encoder (20), the feature map being output by the last encoder (20). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die Informer-Schicht (18) einen ersten Decoder (22) und einen letzten Decoder (22) enthält, wobei der Ausgang des letzten Decoders (22) in eine vollständig verbundene Ausgangsschicht eingespeist wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in step c) the informer layer (18) contains a first decoder (22) and a last decoder (22), the output of the last decoder (22) being converted into a fully connected Output layer is fed. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die Raumabhängigkeitsausgangsdaten aufeinanderfolgend teilweise maskiert werden und die aufeinanderfolgend teilweise maskierten Daten in den Decoder (22) oder den ersten Decoder (22) eingespeist werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in step c) the spatial dependence output data are successively partially masked and the successively partially masked data are fed into the decoder (22) or the first decoder (22). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) jeder Encoder eine erste Self-Attention-Pyramide (24) und eine zweite Self-Attention-Pyramide (26) enthält, wobei die zweite Self-Attention-Pyramide (26) weniger Eingänge als die erste Self-Attention-Pyramide (24) hat und jede Self-Attention-Pyramide (26) eine Semi-Featurekarte erzeugt, die zu der Ausgangsfeaturekarte miteinander verkettet werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in step c) each encoder contains a first self-attention pyramid (24) and a second self-attention pyramid (26), the second self-attention pyramid (26 ) has fewer inputs than the first self-attention pyramid (24) and each self-attention pyramid (26) creates a semi-feature map that is linked together to form the output feature map. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Self-Attention-Pyramide (26) die Hälfte der Eingänge der ersten Self-Attention-Pyramide (24) aufweist.Procedure according to Claim 8 , characterized in that the second self-attention pyramid (26) has half of the inputs of the first self-attention pyramid (24). Computerimplementiertes Verfahren zur Planung einer Route eines Fahrzeugs, wobei das Verfahren umfasst: a) Ermitteln einer anfänglichen Route von einer Startposition zu einem Ziel; b) Ermitteln einer Streckenlänge der anfänglichen Route und Vergleichen der Routenlänge mit einer verbleibenden Entfernung, die das Fahrzeug aufgrund des Kraftstoffverbrauchs zurücklegen kann; c) wenn festgestellt wird, dass die Routenlänge länger als die verbleibende Entfernung ist, Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, um mindestens eine Verfügbarkeitsbewertung zu erhalten, Ermitteln eines Zwischenstopps auf der Grundlage der Verfügbarkeitsbewertung und Modifizieren der ursprünglichen Route, um den Zwischenstopp einzuschließen, um eine endgültige Route zu erhalten; d) Erzeugung eines Steuersignals, das das Fahrzeug veranlasst, einen Fahrer über die endgültige Route zu informieren, oder das das Fahrzeug veranlasst, der endgültigen Route zu folgen.A computer-implemented method for planning a route of a vehicle, the method comprising: a) determining an initial route from a starting position to a destination; b) determining a route length of the initial route and comparing the route length with a remaining distance that the vehicle can travel based on fuel consumption; c) if it is determined that the route length is longer than the remaining distance, performing a method according to any one of the preceding claims to obtain at least one availability score, determining a stopover based on the availability score and modifying the original route to include the stopover to get an end to get valid route; d) generating a control signal that causes the vehicle to inform a driver of the final route or that causes the vehicle to follow the final route. Computerprogramm, das Befehle enthält, die, wenn sie von einem Computer ausgeführt werden, den Computer veranlassen, einen, einige oder alle Schritte eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche durchzuführen.Computer program containing instructions which, when executed by a computer, cause the computer to perform one, some or all of the steps of a method according to any one of the preceding claims. Ein computerlesbares Speichermedium oder ein Datenträgersignal, das das Computerprogramm nach Anspruch 11 enthält.A computer-readable storage medium or a data carrier signal that the computer program recreates Claim 11 contains. Vorhersagesystem (10), das für das Vorhersagen einer Verfügbarkeitsbewertung von Infrastrukturkomponenten innerhalb eines Straßennetzes konfiguriert ist, das durch Straßennetzstrukturdaten dargestellt wird, wobei das System umfasst: a) Ergänzungsmittel (12), die zum Ergänzen von historischen Verfügbarkeitsdaten (Xi) der Infrastrukturkomponente und von Straßennetzstrukturdaten mit mindestens einer Attributdatenmatrix konfiguriert sind, um attribut-ergänzte Verfügbarkeitsdaten (Ei) zu erhalten, wobei die historischen Verfügbarkeitsdaten (Xi) einen Verfügbarkeitswert der Infrastrukturkomponente zu verschiedenen Zeitpunkten angeben; b) ein erstes maschinelles Lernmodell (14), das mindestens eine Graphfaltungsnetzwerkschicht enthält, die zum Ermitteln von Raumabhängigkeitsausgangsdaten konfiguriert ist, die die räumliche Abhängigkeit der historischen Verfügbarkeitsdaten (Xi) auf der Grundlage der attribut-ergänzten Verfügbarkeitsdaten (Ei) und der Straßennetzstrukturdaten angeben; c) ein zweites maschinelles Lernmodell (16), das eine Informer-Schicht (18) enthält, die zum Ermitteln einer Verfügbarkeitsbewertung der Infrastrukturkomponente auf der Grundlage der Raumabhängigkeitsausgangsdaten trainiert ist, wobei die Informer-Schicht (18) mindestens einen Encoder (20) und mindestens einen Decoder (22) enthält, wobei der Encoder (20) eine Featurekarte auf der Grundlage der Raumabhängigkeitsausgangsdaten bestimmt, wobei die Featurekarte in jeden Decoder (22) eingespeist wird.Prediction system (10) configured to predict an availability rating of infrastructure components within a road network represented by road network structure data, the system comprising: a) supplementation means (12) suitable for supplementing historical availability data (X i ) of the infrastructure component and of road network structure data are configured with at least one attribute data matrix in order to obtain attribute-supplemented availability data (E i ), the historical availability data (X i ) indicating an availability value of the infrastructure component at different points in time; b) a first machine learning model (14) containing at least one graph convolutional network layer configured to determine spatial dependence output data that determines the spatial dependence of the historical availability data (X i ) based on the attribute-enhanced availability data (E i ) and the road network structure data indicate; c) a second machine learning model (16) which contains an informer layer (18) which is trained to determine an availability assessment of the infrastructure component based on the spatial dependence output data, the informer layer (18) having at least one encoder (20) and contains at least one decoder (22), the encoder (20) determining a feature map based on the spatial dependence output data, the feature map being fed to each decoder (22). Fahrzeugroutenplanungsvorrichtung für ein Fahrzeug, wobei die Vorrichtung ein Vorhersagesystem (10) nach Anspruch 13 umfasst.Vehicle route planning device for a vehicle, the device comprising a prediction system (10). Claim 13 includes.
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