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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein computerimplementiertes Verfahren und eine Vorrichtung zur Vorhersage eines Zustandes eines technischen Systems.
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Die Vorhersage ist durch lernbasierte Methoden oder Methoden der hybriden Modellierung möglich.
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Offenbarung der Erfindung
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Durch das computerimplementierte Verfahren und die Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen wird eine sehr präzise Modellierung des Langzeitverhaltens ohne Präzisionsverlust bei der Modellierung des Kurzzeitverhaltens eines technischen Systems ermöglicht.
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Das computerimplementiertes Verfahren zur Vorhersage eines Zustandes eines technischen Systems sieht vor, dass ein Zustand des technischen Systems erfasst und eine Zeitreihe bereitgestellt wird, die Werte umfasst, die einen Verlauf des erfassten Zustandes des technischen Systems charakterisieren, wobei mit einem lernbasierten Modell zur Vorhersage des Kurzzeitverhaltens des technischen Systems ein erster Wert für die Vorhersage abhängig von den Werten der Zeitreihe und mit einem physikalischen Modell zur Vorhersage des Langzeitverhaltens des technischen Systems ein zweiter Wert für die Vorhersage abhängig von den Werten der Zeitreihe bestimmt wird, und wobei ein Wert der Vorhersage abhängig vom ersten Wert für die Vorhersage und dem zweiten Wert für die Vorhersage bestimmt wird. Dies nutzt eine hybride Modellierung aus, um die Vorhersage mit zuverlässigem Verhalten zu bestimmen.
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Vorzugsweise wird der erste Wert für die Vorhersage abhängig von mit einem ersten Filter gefilterten Werten, die abhängig von der Zeitreihe mit dem lernbasierten Modell bestimmt werden, bestimmt, wobei der zweite Wert für die Vorhersage abhängig von mit einem zweiten Filter gefilterten Werten, die abhängig von der Zeitreihe mit dem physikalischen Modell bestimmt werden, bestimmt wird, wobei das erste Filter ein zum zweiten Filter, insbesondere einem Tiefpass, komplementäres Filter, insbesondere ein Hochpass, ist. Das physikalische Modell stellt einen Simulator für das Langzeitverhalten dar, der bekannte physikalische Kenntnisse über das technische System umfasst.
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Vorzugsweise wird das lernbasierte Modell abhängig von einer ersten Zeitreihe trainiert, wobei die erste Zeitreihe mit dem ersten Filter abhängig von einer Zeitreihe bestimmt wird, die einen zeitlichen Verlauf des Zustandes des technischen Systems repräsentiert. Das erste Modell wird für die gemeinsame Vorhersage des Kurz- und des Langzeitverhaltens trainiert.
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Vorzugsweise wird der Wert der Vorhersage abhängig von einer Summe des ersten Werts für die Vorhersage und des zweiten Werts für die Vorhersage bestimmt. Die resultierende Vorhersage umfasst beide Anteile, insbesondere für die Kurz- und die Langzeitvorhersage.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass abhängig von der Vorhersage ein Parameter für den Betrieb des technischen Systems oder ein Langzeitverhalten des technischen Systems bestimmt wird.
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Die Vorrichtung zur Vorhersage eines Zustandes eines technischen Systems umfasst wenigstens einen Prozessor und wenigstens einen Speicher, wobei der wenigstens eine Prozessor ausgebildet ist, maschinenlesbare Instruktionen auszuführen, bei deren Ausführung durch den Prozessor das Verfahren abläuft.
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Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung einen Sensor zur Erfassung von Sensordaten oder eine Schnittstelle zur Kommunikation mit einem Sensor zur Erfassung von Sensordaten, wobei die Sensordaten einen Verlauf eines Zustandes des technischen Systems umfassen.
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Es kann ein Programm vorgesehen sein, welches computerlesbare Instruktionen umfasst, bei deren Ausführung durch einen Computer das Verfahren abläuft.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der folgenden Beschreibung und der Zeichnung entnehmbar. In der Zeichnung zeigt:
- 1 eine schematische Vorrichtung zur Vorhersage eines Zustandes eines technischen Systems,
- 2a Schritte zum Training von Modellen zur Vorhersage des Zustandes des technischen Systems,
- 2b Schritte zur Vorhersage des Zustandes des technischen Systems mit den Modellen,
- 3a Schritte zum Training eines hybriden Modells zur Vorhersage des Zustandes des technischen Systems,
- 3b Schritte zur Vorhersage des Zustandes des technischen Systems mit dem hybriden Modell.
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In 1 ist eine Vorrichtung 100 zur Vorhersage eines Zustandes eines technischen Systems 102 schematisch dargestellt. Das technische System 102 ist ein real existierendes System. Das technische System 102 ist ein physikalisches System. Beispielsweise ist das technische System 102 ein robotisches Gerät. Beispielsweise ist das technische System 102 ein Roboter. Beispielsweise ist das technische System 102 ein Fahrzeug, ein Elektrowerkzeug, eine Fertigungsmaschine, ein Haushaltsgerät, ein Zutrittskontrollsystem oder ein persönliches Assistenzsystem.
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Die Vorrichtung 100 umfasst wenigstens einen Prozessor 104 und wenigstens einen Speicher 106. Die Vorrichtung 100 umfasst im Beispiel eine Schnittstelle 108 zur Kommunikation mit einem Sensor 110 zur Erfassung von Sensordaten 112. Die Vorrichtung 100 kann den Sensor 110 umfassen.
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Die Sensordaten 112 erfassen einen Verlauf eines Zustandes des technischen Systems 102.
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Der Verlauf betrifft z.B. eine Position oder einen Energieverbrauch des technischen Systems 102, thermische Daten über das technische System 102, oder elektrische oder mechanische Größen.
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Der Sensor 110 umfasst z.B. einen Beschleunigungssensor oder einen Drehratensensor. Der durch die Vorhersage vorhergesagte Zustand ist z.B. eine Position des technischen Systems 102 im Raum.
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Der wenigstens eine Prozessor 104 ist ausgebildet, maschinenlesbare Instruktionen auszuführen, bei deren Ausführung durch den Prozessor 104 ein im Folgenden beschriebenes Verfahren abläuft.
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Das Verfahren sieht z.B. vor, dass ein Zustand des technischen Systems 102 in der Zukunft vorhergesagt wird auf Basis eines kurzen Zeitintervalls von Messdaten des Sensors 110. Das ist zum Beispiel wichtig, um den Zustand in verschiedenen Szenarien zu simulieren und damit die besten Parameter für einen Betrieb des technischen Systems 102 zu finden.
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Beispielsweise sieht das Verfahren vor, dass abhängig von der Vorhersage ein Parameter für den Betrieb des technischen Systems 102 bestimmt wird.
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Das Langzeitverhalten wird z.B. für verschiedene Einstellungen des technischen Systems 102, d.h. z.B. Einstellungen mit unterschiedlichen Parametern, bestimmt.
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Der Parameter für den Betrieb des technischen Systems 102 ist z.B. ein Reglerparameter, insbesondere eine Verstärkung oder Totzeit, für einen Regler zur Ansteuerung des technischen Systems 102.
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Beispielsweise wird das technische System 102 abhängig von der Vorhersage des Zustandes mit dem Regler geregelt.
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Beispielsweise wird die Position des technischen Systems 102 im Raum, insbesondere mit einem Antrieb zur Bewegung des technischen Systems 102 im Raum, abhängig von der Vorhersage für die Position geregelt.
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Durch wiederholte Ausführung der Vorhersage zur Bestimmung einer Zeitreihe mit dem Verfahren, die aufeinander aufbauende Werte der Vorhersage umfasst, wird insbesondere ein Langzeitverhalten des technischen Systems robust vorhergesagt.
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Beispielsweise sieht das Verfahren vor, dass abhängig von der Vorhersage ein Langzeitverhalten des technischen Systems 102 bestimmt wird.
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Beispielsweise wird ein Verschleiß des technischen Systems 102 abhängig von der Vorhersage des Zustandes bestimmt.
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Beispielsweise wird ein Verschleiß des technischen Systems 102 abhängig von der Vorhersage des Langzeitverhaltens bestimmt.
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Der wenigstens einen Speicher 104 umfasst z.B. ein Programm das computerlesbare Instruktionen umfasst, bei deren Ausführung durch den wenigstens einen Prozessor 104 oder einen anderen Computer, das Verfahren abläuft.
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Das Verfahren wird in einer ersten Ausführungsform des Verfahrens mit einem ersten Modell fh zur Vorhersage des Kurzzeitverhaltens und einem zweiten Modell fl zur Vorhersage des Langzeitverhaltens beschrieben.
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Das Verfahren wird in einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens mit einem hybriden Modell beschrieben. Dieses hybride Modell umfasst ein lernbasiertes Modell zur Vorhersage des Kurzzeitverhaltens und ein physikalisches Modell zur Vorhersage des Langzeitverhaltens. Das physikalische Modell basiert auf Kenntnissen des technischen Systems oder eines Teils des technischen Systems.
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In 2a sind Schritte zum Training des ersten Modells fh und des zweiten Modells fl gemäß der ersten Ausführungsform dargestellt.
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In einem Schritt 200 wird ein Zustand des technischen Systems 102 erfasst und eine Zeitreihe y0:n bereitgestellt, die Werte umfasst, die einen Verlauf des Zustandes des technischen Systems 102 charakterisieren.
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Der Verlauf des erfassten Zustandes wird z.B. jeweils für einen Zeitpunkt abhängig von einer additiven Überlagerung der für diesen Zeitpunkt aus den erfassten Signalen bestimmten Positionen bestimmt.
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In einem Schritt 201 werden mit einem ersten Filter H(y) erste gefilterte Werte abhängig von den Werten der Zeitreihe bestimmt:
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Im Schritt 201 werden mit einem zweiten Filter zweite gefilterte Werte abhängig von den Werten der Zeitreihe bestimmt:
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Das erste Filter ist ein zum zweiten Filter komplementäres Filter. Komplementär bedeutet in diesem Kontext, dass eine Rekonstruktion oder im Wesentlichen eine Rekonstruktion eines Eingangssignals, durch zwei Signale möglich ist, welche durch Filtern dieses Eingangssignals mit den beiden Filtern entstanden.
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Das erste Filter ist im Beispiel ein Tiefpass. Das zweite Filter ist im Beispiel ein Hochpass. Der Tiefpass weist eine Grenzfrequenz auf. Der Hochpass weist im Beispiel dieselbe Grenzfrequenz auf. Der Hochpass kann auch eine höhere Grenzfrequenz als der Tiefpass aufweisen.
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Mit dem ersten Filter wird im Beispiel abhängig von der Zeitreihe, die den zeitlichen Verlauf des Zustandes des technischen Systems 102 repräsentiert, eine erste Zeitreihe bestimmt.
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Mit dem zweiten Filter wird im Beispiel abhängig von der Zeitreihe, die den zeitlichen Verlauf des Zustandes des technischen Systems 102 repräsentiert, eine gefilterte Zeitreihe bestimmt.
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In einem Schritt 202 werden abgetastete Werte mittels Abtasten bestimmt. Dies reduziert die Datenmenge für das Training.
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Im Beispiel wird eine zweite Zeitreihe mit der Abtastrate aus der gefilterten Zeitreihe bestimmt. Das bedeutet, die zweite Zeitreihe umfasst mit der Abtastrate abgetastete Werte:
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Im Beispiel werden die k-ten, der gefilterten zweiten Werte mit einer Abtastrate k bestimmt. Die Abtastrate k kann bis hin zur Nyquistfrequenz der gefilterten Zeitreihe reduziert sein. Das erlaubt das Trainieren eines weniger detaillierten, aber robusten Signals.
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In einem Schritt 203 werden die Modelle trainiert. Beispielsweise werden die Modelle einzeln oder gemeinsam trainiert. Die Modelle können neuronale Netze umfassen, die z.B. mittels Gradientenabstiegsverfahren trainiert werden.
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Beispielsweise ist vorgesehen, dass in einem Labor am physikalischen System 102 mit dem Drehratensensor oder dem Beschleunigungssensor Messdaten aufgenommen werden, die einen Sensormesswert über die Zeit beschreiben. Mit diesen Messdaten werden die Modelle trainiert.
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Das erste Modell f
h wird abhängig von der ersten Zeitreihe trainiert, wobei gilt
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Das zweite Modell f
l wird abhängig von der zweiten Zeitreihe trainiert, wobei gilt
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Beispielsweise wird im Training ein Signal y zerlegt über ein Paar komplementärer Filter H und L:
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Das Signal ŷl wird anschließend mit der Abtastrate k abgetastet, d.h. downgesampelt. Je ein neuronales Netz, z.B. getrennte rekurrente Netzwerke wie Gated Recurrent Units, GRUs, werden auf je eine dieser Komponenten trainiert.
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Während einer Prädiktionsphase im Training werden beide Netze genutzt, um Vorhersagen für y
h bzw. y
l zu lernen. Die Vorhersage für y
l wird wieder auf die notwendige Auflösung gebracht, d.h. upgesampelt. Die Vorhersage y wird im Beispiel durch Addition der beiden Komponenten bestimmt:
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In 2b sind Schritte zur Vorhersage des Zustandes des technischen Systems 102 gemäß der ersten Ausführungsform dargestellt.
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Die Schritte 200 bis 202 sind wie oben beschrieben vorgesehen. Der Schritt 203 entfällt.
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In einem Schritt 204 wird ein erster Wert y
h für die Vorhersage abhängig von den gefilterten ersten Werten bestimmt.
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Im Schritt 204 werden abhängig von den abgetasteten Werten wenigstens zwei vorhergesagte Werte y
l,d bestimmt.
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In einem Schritt 205 wird ein zweiter Wert yl für die Vorhersage bestimmt.
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Der zweite Wert y
l wird abhängig von den wenigstens zwei vorhergesagten Werten
insbesondere mittels Interpolation abhängig von der Abtastrate k bestimmt.
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Das bedeutet, der zweite Wert für die Vorhersage wird abhängig von den gefilterten zweiten Werten bestimmt.
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Das bedeutet, der zweite Wert für die Vorhersage wird abhängig von den abgetasteten Werten bestimmt.
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In einem Schritt 206 wird ein Wert der Vorhersage abhängig vom ersten Wert für die Vorhersage und dem zweiten Wert für die Vorhersage bestimmt.
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Im Beispiel wird der Wert der Vorhersage abhängig von der Summe des ersten Werts für die Vorhersage und des zweiten Werts für die Vorhersage bestimmt, z.B.:
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Beispielsweise werden mit gegebenen Anfangswerten von Sensormesswerten des technischen Systems 102 zukünftige Werte vorhergesagt. Es kann vorgesehen sein, daraus im Nachgang eine entspreche Steuerung des technischen Systems 102 abzuleiten.
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In 3a sind Schritte zum Training des lernbasierten Modells gemäß der zweiten Ausführungsform dargestellt.
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Die Schritte 300 bis 302 werden z.B. wie für die Schritte 200 bis 202 beschrieben ausgeführt.
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Es kann vorgesehen sein, dass in einem Schritt 301' die Grenzfrequenz bestimmt wird.
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Die Grenzfrequenz wird z.B. so bestimmt, dass die Frequenzspektren von Simulator und Daten ähnlich genug sind. Der Simulator übernimmt diese Frequenzen im Beispiel während der Vorhersagen. Der entsprechende Hochpassfilter wird komplementär gewählt.
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In einem Schritt 303 wird ein Teil des hybriden Modells trainiert.
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Im Beispiel wird das lernbasierte Modell zur Vorhersage eines ersten Werts yr trainiert. Beispielsweise wird ein rekurrentes Netz, welches Vorhersagen des ersten Werts yr produziert, trainiert.
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Das physikalische Modell ist zur Bestimmung eines zweiten Werts ys mittels physikalischer Gleichungen ausgebildet.
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Es kann vorgesehen sein, dass das hybride Modell abhängig von einem Referenzwert y trainiert wird, welches in einem Schritt 303' vorgegeben wird.
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Beispielweise wird mit dem hybriden Modell ein Wert y der Vorhersage bestimmt
und das lernbasierte Modell darauf trainiert, eine Abweichung, insbesondere eine L2 Norm ||y - ŷ||
2, dieses Werts y vom Referenzwert ŷ zu minimieren. Beispielsweise wird das lernbasierte Modell darauf trainiert, dass die Abweichung zwischen vorhergesagten Zeitreihen und Trainingsdaten minimiert wird.
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In 3b sind Schritte zur Vorhersage des Zustandes des technischen Systems 102 gemäß der zweiten Ausführungsform dargestellt.
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Die Schritte 300 bis 302 werden z.B. wie für die Schritt 200 bis 202 beschrieben ausgeführt. Es kann vorgesehen sein, dass im Schritt 301' die Grenzfrequenz bestimmt wird.
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In einem Schritt 304 wird ein erster Wert y1 = H(yr) für die Vorhersage mit dem lernbasierten Modell abhängig von den gefilterten ersten Werten bestimmt.
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Im Schritt 304 wird ein zweiter Wert y2 = H(ys) für die Vorhersage mit dem physikalischen Modell abhängig von den gefilterten zweiten Werten bestimmt.
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In einem Schritt 306 wird ein Wert der Vorhersage y abhängig vom ersten Wert y1 für die Vorhersage und dem zweiten Wert y2 für die Vorhersage bestimmt.
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Im Beispiel wird der Wert der Vorhersage abhängig von der Summe des ersten Werts für die Vorhersage und des zweiten Werts für die Vorhersage bestimmt, z.B.:
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Im lernbasierten Ansatz gemäß der ersten Ausführungsform werden Vorhersagen erzeugt, die grundsätzlich ein besseres Langzeitverhalten zeigen, ohne Kurzzeitverhalten einzubüßen. Akkumulierenden Fehler, die bei herkömmlichen GRUs und LSTMs auftreten können, werden vermieden, da eine Integration kleiner Modellfehler in jedem Schritt vermieden wird.
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Durch die Kombination von Tiefpassfilter und Downsamplen, d.h. Abtasten mit der Abtastrate k, wird das zweite Modell mit stabilem Langzeitverhalten erhalten. Dennoch geht keine Information über das modellierte Signal verloren, da fehlende Information vom ersten Modell ergänzt wird. Zusätzlich lassen sich diese Modelle oft schneller trainieren als Standardmodelle. Das Downsamplen des Tiefpassfilteranteils resultiert in einer höheren Recheneffizienz, da eine kleinere Anzahl rekurrenter Schritte ausgeführt wird.
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Beim hybriden Modell gemäß der zweiten Ausführungsform werden die verschiedenartigen Modelle unter Ausnutzung ihrer jeweiligen Stärken kombiniert. Insbesondere kann das Langzeitverhalten des physikalischen Modells, d.h. des Simulators, genutzt werden, wobei die Kurzzeitvorhersagen durch das lernbasierte Modell, d.h. die Nutzung von Daten verbessert werden. Durch die Wahl des Filters und insbesondere seiner Grenzfrequenz wird zusätzlich Vorwissen über das Verhalten des Simulators im Frequenzraum genutzt werden.