JP2005354794A - 生活情報収集システム - Google Patents

Abstract

【課題】システムの導入コストや各電気機器の製造コストを抑えながら、被計測家屋で使用される電気機器のオン／オフ状態情報を収集することのできる生活情報収集システムを提供する。
【解決手段】被計測家屋１で使用される複数の電気機器４ａ〜４ｂのオン／オフ状態情報を収集する生活情報収集システムにおいて、各電気機器４ａ〜４ｂの消費電力パターンを第１のテンプレートとして保存する保存手段５と、屋外から被計測家屋１に電力を供給する給電口２における実測消費電力を計測する消費電力計測手段６と、消費電力計測手段６で計測した実測消費電力データと保存手段５に保存された第１のテンプレートとの類似度を演算し、オン状態の電気機器４ａ〜４ｂを検出する検出手段７とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気機器のオン／オフ状態についての情報を収集する生活情報収集システムに関する。

近年、情報家電やホームネットワークの開発が進み、単一の操作画面から屋内の電気機器の使用状況確認や電気機器の制御が可能となっている。そして、電気機器が頻繁に使われる時間帯といった生活情報の収集が容易に行なえる。当該情報は、消費電力が高くなりすぎるときは、電気機器の出力を調整しピークカットを行なうような省エネ目的への利用が考えられている。

ホームネットワークに対応していない電気機器についてもコンセントに電流センサを取り付け、計測した消費電流からオン／オフ状態を検出するシステムが考案されている(特許文献１)。

特開２００３−２５９５６９号公報

しかしながら、上記技術では、屋内の各々のコンセントに電流センサを取り付ける必要があったため、システムの導入コストが高くなり、問題であった。
一方、全電気機器をホームネットワークに対応させれば容易に生活情報を収集できるが、ドライヤーなどの安価な製品に対してもホームネットワーク対応のための部品を組み込むのでは、製造コストが高くなり、問題であった。

本発明は、このような問題を解決し、システムの導入コストや各電気機器の製造コストを抑えながら、被計測家屋で使用される電気機器のオン／オフ状態情報を収集することのできる生活情報収集システムを提供することを目的とする。

本発明は、被計測家屋で使用される複数の電気機器のオン／オフ状態情報を収集する生活情報収集システムにおいて、各電気機器の消費電力パターンを第１のテンプレートとして保存する保存手段と、屋外から被計測家屋に電力を供給する給電口における実測消費電力を計測する消費電力計測手段と、消費電力計測手段で計測した実測消費電力データと保存手段に保存された第１のテンプレートとの類似度を演算し、オン状態の電気機器を検出する検出手段とを備えることを特徴とする。

本発明は、給電口における実測消費電力を計測手段が計測し、この実測消費電力の変動パターンから電気機器のオン／オフ状態を検出するので、事前に保存手段に登録しておけばホームネット未対応機器の検出ができる。

また、本発明は、電気機器それぞれに特別なセンサ類を取り付ける必要がなく、給電口に電流や消費電力を計測するセンサを計測手段として1つ取り付ければいいので、導入コストを低く抑えることができる。

さらに、屋外から被計測家屋に電力を供給する給電口における実測消費電力の変動パターンを用いているので、電気機器個別にセンサ類を取り付ける必要がない。そのため、安価にシステムを導入することができる。また、人が屋内に立ち入ることなくオン／オフ状態を検出でき、住人のプライバシーを侵害することなく、自然な形で生活情報を収集できる。

以下、本発明に係る生活情報収集システムの好適な実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
図１は、本実施の形態に係る生活情報収集システムの構成を示すブロック図である。図１に示すように、被計測家屋１には、屋外から電力を供給する給電口２が設けられ、給電口２には屋内に張り巡らされた電灯線３が接続されている。電灯線３には、ホームネットワーク未対応の電気機器４ａと、ホームネットワーク対応の電気機器４ｂとが接続され、電気機器４ａ，４ｂの消費電力パターンは、第１のテンプレートとしてデータベース（保存手段）５に保存されている。

また、給電口２には、実測消費電力を計測する計測装置（消費電力計測手段）６が設置され、電灯線３には、計測装置６で計測した実測消費電力データとデータベース５に保存された第１の各テンプレートとの類似度を演算し、オン状態の電気機器４ａ，４ｂを検出する中央監視装置（検出手段）７が接続されている。
なお、ホームネットワーク対応の電気機器４ｂは、電灯線３を介して通信信号を送受信でき、相互に制御しあうことができる。また、計測装置６は、被計測家屋１の総負荷電流と消費電力を計測している。この消費電力は、瞬時値でなく、例えば、1分間というような、ある程度長い区間での平均消費電力である。

データベース５には、電気機器４ａ，４ｂの消費電力変動パターンに関する情報を持つ第１のテンプレートが保持されている。図２は、炊飯器の消費電力パターンに関する第１のテンプレートの例である。炊飯器は、想定される動作状態が前炊き、炊き上げ、蒸らし、保温の順番に変化していく。同時に消費電力は、大まかに言えば中、強、弱、極弱と変化する。第１のテンプレートは、この消費電力パターンを持つ。即ち、第１のテンプレートにおいて、動作状態の変化地点を区分点とし、各動作状態の標準的な動作時間と各区分点での消費電力の標準的な変化幅の情報も持つ。
さらに、データベース５には、電気機器４ａ，４ｂの電源投入時の過渡電流波形が第３のテンプレートとして保持されている。

中央監視装置７は、当該電気機器４ｂの全体的な管理をし、機器個別のオン／オフ状態も把握できる。中央管理装置７は、前記実測消費電力データと、データベース５に登録された電気機器４ａ，４ｂの消費電力パターンに関する第１のテンプレートとの類似度を演算し、ホームネットワークに対応していない電気機器４ａのオン／オフ状態をも推定する。

図３に示すように、中央監視装置７は、電源投入機器候補判定手段１１と、テンプレート組み合わせ手段１２と、類似度演算手段１３と、生活情報出力手段１４と、変化点検出手段１５とを備えている。

電源投入機器候補判定手段１１は、計測手段２が計測した総負荷電流から電源投入時に発生する過渡電流を検出し、当該過渡電流とデータベース５が保持する過渡電流に関する第３のテンプレートとの類似度を演算する。そして、消費電力パターンの類似度演算を行なう電気機器４ａ，４ｂの候補数を大幅に絞り込む。

変化点検出手段１５は、電気機器４ａ，４ｂの動作状態が切り替わったために、前記実測消費電力データが大きく変化している位置を検出する。

テンプレート組み合わせ手段１２は、電源投入機器候補判定手段１１が挙げた電気機器４ａ，４ｂの候補の中から、消費電力パターンに関する第１のテンプレートをデータベース５より取得し、複数の電気機器４ａ，４ｂ稼動時の消費電力パターンである第２のテンプレートを作成する。

類似度演算手段１３は、前記実測消費電力データと、テンプレート組み合わせ手段１２が作成した第２のテンプレートとの類似度を演算する。

生活情報出力手段１４は、電気機器４ａ，４ｂの組み合わせを変えて第２のテンプレートを作成し、第２のテンプレートと実測消費電力データとの類似度演算を繰り返し行い、類似度が最も大きい第２のテンプレートを抽出する。そして、この第２のテンプレートに基づいて、複数の電気機器４ａ，４ｂの稼働状態を特定し、各電気機器４ａ，４ｂの稼働時刻を生活情報として出力する。

電気機器４のオン／オフ状態の推定は図４の手順で実行される。
はじめに、Ｓ１では、数分から数時間における電気機器４ａ，４ｂ固有の消費電力パターンに関する第１のテンプレートと、図５のような過渡電流波形とをデータベース５に登録する。
次に、Ｓ２では、前記実測消費電力データと前記総負荷電流を中央監視装置７が取得する。電源投入機器候補判定手段１１は、前記総負荷電流から電源投入時に発生する突発的な過渡電流を検出する。例えば当該電流の検出方法は電流の微分値が第１の閾値以上のとき、ある電気機器４ａ，４ｂがオフ状態からオン状態になったと検出する。

次に、Ｓ３では、Ｓ２で検出したそれぞれの過渡電流波形と、データベース５に保持した過渡電流に関する第３のテンプレートとの第１の類似度を演算し、当該類似度が第１の閾値以上の電気機器４ａ，４ｂを、後に行なう消費電力パターンの類似度演算をする候補として挙げる。
次に、Ｓ４では、変化点検出手段１５で計測した消費電力値が大きく変化する時刻を探索し、電気機器４ａ，４ｂの動作状態が切り替わった変化点を検出する。変化点の検出方法は、例えば、ある時刻の消費電力とその前の時刻の消費電力との差が所定の閾値以上になった時刻を変化点とする。

次に、Ｓ５では、Ｓ３で候補に挙がった電気機器の消費電力に関する第１のテンプレートをデータベース５から取り出して、テンプレート組み合わせ手段１２に与える。
次に、Ｓ６では、テンプレート組み合わせ手段１２において、計測データの変化点と取得した第１のテンプレートの区分点が一致するように、第１のテンプレートの動作状態ごとに時間伸縮する。

Ｓ６の処理内容について、２つの電気機器４ａ，４ｂが稼働した場合を例に挙げて説明する。はじめに電源投入された電気機器４ａ，４ｂの第１のテンプレートをＴ１、一分後に電源投入された電気機器４ａ，４ｂのテンプレートをＴ２として、Ｓ５においてテンプレートを取得したと仮定する。

図６に示すように、Ｔ１は、３種類の動作状態ａ１１，ａ１２，ａ１３があり、標準動作時間はｔ１１，ｔ１２，ｔ１３、標準変化幅はｄ１１，ｄ１２，ｄ１３であるとする。同様にＴ２は、２種類の動作状態ａ２１，ａ２２があり、標準動作時間はｔ２１，ｔ２２、標準変化幅はｄ２１，ｄ２２であるとする。
計測した消費電力の電源投入検出時刻と変化点時刻を、古い時刻からｕ１，ｕ２，・・・，ｕ７とし、変化点での消費電力の変化幅をｅ２，ｅ４，ｅ５，ｅ６，ｅ７とする。

図７に示すように、まず、Ｔ１の開始地点をｕ１にセットすると共に、Ｔ２の開始地点をｕ３にセットし、電源投入時刻と第１のテンプレートの開始位置とを一致させる。
次に、ｕ２の変化点について、Ｔ１とＴ２のどちらの動作状態変化によるものかを判定することになるが、この時点ではＴ１しか稼働していないのでｕ１からｕ２までは動作状態ａ１１であると判定する。

次に、ｕ４の変化点について、Ｔ１とＴ２のどちらの動作状態変化によるものかを判定する。判定には、次のような評価値を用いる。ｕ４がＴ１の動作状態の変化によるものである場合の評価式をH1=α|(u4-u2)-t12|+β|d12-e4|とし、ｕ４がＴ２の動作状態の変化によるものである場合の評価式をH2=α|(u4-u3)-t21|+β|d21-e4|とし、各評価式を比較して最も小さくなるようにする。評価式の第１項は、計測データとテンプレートとの動作状態の動作時間の差、第２項は消費電力の変化幅の差である。今回は、Ｈ２の方がＨ１より小さかったので、ｕ４の変化点はＴ２の動作状態の変化によるものと判定する。ここで、α、βは適当な正の実数値である。

上述の判定を全ての変化点に対して行なう。

次に、第１のテンプレートを、変化点と区分点が一致するように動作状態毎に時間伸縮する。時間伸縮するときの波形は、第１のテンプレートの時間伸縮させる動作状態の始点と終点の消費電力値を固定し、時間方向に引き伸ばす(縮める)ように変化させる。
最後に、時間伸縮した２つの第１のテンプレートを合成して、２つの電気機器４ａ，４ｂが同時に稼働しているときの消費電力に関する第２のテンプレートを作成する。

複数の電気機器４ａ，４ｂが消費する電力は、個別の電気機器４ａ，４ｂの消費電力の総計であり、且つ、動作状態の変化時における消費電力の変化幅は、それぞれの電気機器４ａ，４ｂに独立していることを利用して、第２のテンプレートを作成する。

次に、Ｓ７の操作へ移る。類似度演算手段１３は、Ｓ６で作成した第２のテンプレートと、計測装置６で計測した消費電力との第２の類似度を演算する。第２の類似度は、例えば、以下の数式（数１）の差分絶対値総和の平均、差分自乗総和の平均、相関係数のいずれか1つと、Ｓ６での第２のテンプレート作成で時間伸縮した時間幅(上述した評価式の第１項)の総計との差とする。双方の波形が一致するほど大きい値となるように、差分絶対値総和、差分自乗総和にマイナスを付ける。相関係数であれば、他の電気機器４ａ，４ｂの稼働によって消費電力に一定のバイアスが掛かっている場合でも、高い推定精度を維持できる。時間幅の総計の和を類似度に加味することで、消費電力の振幅の変動パターンだけでなく、動作時間についても標準的であるか否かを考慮した類似度となる。f(t)はテンプレートの波形、g(t)は計測データの波形、￣は平均の記号である。

消費電力の変動パターンの類似する機器が存在する場合、第１の類似度と第２の類似度の積を第３の類似度とし、この第３の類似度を用いることで、過渡電流波形の類似度を加味することができ、電気機器４ａ，４ｂのオン／オフ検出の精度が向上する。

上述した第１の類似度の演算には、上記数式（数１）のいずれかを用いる。
次に、Ｓ５へ戻り、Ｓ３で候補に挙げた別の電気機器４ａ，４ｂについての第１のテンプレートを組み合わせ、類似度を演算する。

最後にＳ８の操作に移る。類似度演算手段１３は、今まで計算した第２又は第３の類似度が最も大きい第２のテンプレート（Ｓ６で作成）のとおりに、電気機器４ａ，４ｂが稼働していると判定し、生活情報出力手段１４は、図８に示すような、１日の電気機器の稼働時刻を表す生活情報を出力する。この情報は、例えば屋内のディスプレイに表示される。

次に、水道、ガスといった電気以外の使用量を用いて、消費電力類似演算に用いる電気機器の候補数を絞り込み、生活情報を収集する方法を説明する。この例も、基本的には、図４に示した処理ステップに従って処理される。
データベース５には、電気機器４ａ，４ｂの消費電力に関する第１のテンプレートと電源投入から３０分間の水道・ガス使用量に対する電気機器４ａ，４ｂがオン状態にある確度表とが登録されている。図９は、洗濯機の確度表を示す図である。

電源投入機器判定手段１１は、電源投入検出後の３０分間の水道・ガス使用量のデータを収集し、前記確度表から該当する確度を抽出する。当該３０分間の水道・ガス使用量が水道５[ｍ^３]、ガス０．３[ｍ^３]であった場合、洗濯機の確度は７０となる。当該確度が第２の閾値以上の電気機器を後に行なう消費電力パターンの類似度演算をする候補として挙げる。

Ｓ７における第２の類似度の演算は、上述の処理と同様である。消費電力の変動パターンの類似する機器が存在する場合、前記確度と第２の類似度の積を第４の類似度とし、これを用いることで電気機器のオン／オフ検出の精度が向上する。

Ｓ８では、今まで計算した第２又は第４の類似度が最も大きい第１のテンプレート（Ｓ６で作成）のとおりに電気機器が稼働していると判定し、生活情報出力手段１４は電気機器４ａ，４ｂの稼働時刻を表す生活情報を出力する。

前記確度表の代わりに水道and/orガスの使用量の時間波形を第４のテンプレートとして前記データベースに登録してもよい。前記電源投入機器判定手段１１は、実測した水道and/orガスの使用量パターンと前記第４のテンプレートとの類似度を演算し、消費電力パターンの類似度演算をする電気機器４ａ，４ｂの候補を絞り込むことができる。

また水道・ガス使用量に対する電気機器の確度表の代わりに、図１０にある電源投入時刻に対する電気機器がオン状態にある確度表を用いて、電気機器の絞込みを行なってもよい。当該確度表は電気機器が一般にどの時刻に使われることが多いかを表している。

また本実施の形態では、過渡電流波形や水道・ガス使用量等を用いて、消費電力パターンの類似度を演算する電気機器４ａ，４ｂの候補を絞り込んだが、ホームネットワーク対応電気機器４ｂに関しては前記中央監視装置７が受信する当該電気機器４ｂの制御信号から電源投入された電気機器４ｂを一意に特定してもよい。

以上のように、本実施の形態であれば、給電口２における実測消費電力を計測装置６で計測し、この実測消費電力の変動パターンから電気機器４ａ，４ｂのオン／オフ状態を検出するので、事前にデータベース５に、電気機器４ａの消費電力に関する第１のテンプレートを登録しておけば、ホームネット未対応機器４ａの検出を行うことができる。

また、本実施の形態は、電気機器４ａ，４ｂそれぞれに、特別なセンサ類を取り付ける必要がなく、給電口２に電流や消費電力を計測するセンサを1つ取り付ければいいので、導入コストを低く抑えることができる。

ここで、電気機器４ａ，４ｂは、機器特有の動作状態の変化を有しており、消費電力も機器特有の変動パターンを持つ。例えば、炊飯器は、はじめに中火で「前炊き」し、米に十分吸水させる。次に、強火で「炊き上がり」し、弱火で「蒸らし」を行ない、水分を飛ばす。そして、米が炊き上がったら、「保温」するというように、前炊き→炊き上がり→蒸らし→保温という順番で、動作状態が変わっていく。このとき、各動作状態によって消費電力の平均値などの特徴が異なり、炊飯器が運転を開始から終了するまでに消費電力波形に機器特有の変動パターンが表れる。

そこで、前炊き→炊き上がり→蒸らし→保温の変動パターンが表れる炊飯器の消費電力パターンを、第１のテンプレートとしてデータベース５に登録し、当該第１のテンプレートと実測消費電力との類似度を類似度演算手段１３で演算することによって、炊飯器のオン／オフ状態を検出することができる。

さらに、屋外から被計測家屋１に電力を供給する給電口２における実測消費電力の変動パターンを検出に用いているので、電気機器４ａ，４ｂ個別にセンサ類を取り付ける必要がない。そのため、安価なシステムの導入を実現できる。また、人が屋内に立ち入ることなく、オン／オフ状態を検出でき、住人のプライバシーを侵害することなく、自然な形で生活情報を収集できる。

なお、電気機器４ａ，４ｂにおいて、ある動作状態での動作時間が、いつも一定であるとは限らない。そこで、上述したように、本実施の形態では、第１のテンプレートを電気機器４ａ，４ｂの動作状態の切り替わりで分けて、消費電力が大幅に変化する位置と当該動作状態が切り替わる点とが一致するように、第１のテンプレートの時間方向の伸縮を動作状態ごとに行なっている。

例えば、炊飯器の前炊き、炊き上がり、蒸らし、保温は常に一定時間で動作するわけではない。特に、食事が終了するなどして使用者が電源を切るまで続く保温時間は不定である。そのため、登録したテンプレートのある動作状態の標準動作時間と計測したある動作状態の動作時間とに差異が生じ、類似度演算を正確に行なえない問題が発生する。上記問題解決のため、第１のテンプレートの各動作状態の動作時間を自由に変更できるようにするものである。

しかし、テンプレートの合成には時間方向と電気機器の組み合わせのパターンが数多く存在するため、一般には合成が難しい。例えば、従来例として説明した特許文献１では、各機器ごとに消費電力等を測定することによって組み合わせの問題を回避している。本実施の形態は、かかる点を鑑み、電源投入機器候補判定手段１１で組み合わせ対象の候補を絞り込んでいる。この処理の実施によって、候補に挙がった電気機器についてのみ第１のテンプレートの合成を行なえばよい。本実施の形態では、組み合わせ対象の候補を絞り込むためのパラメータとして、電源投入時の過渡電流波形、水道・ガス使用量、電源投入時の時刻を用いている。

また、電源投入時に発生する過渡電流波形は、電気機器内部の回路素子のインピーダンスによって決まる。ゆえに前記過渡電流波形も電気機器のオン／オフ状態を検出する指標として用いることができる。そこで、電源投入検出直後の数秒間の過渡電流波形と事前にデータベース５に登録した電気機器４ａ，４ｂの第３のテンプレート（過渡電流波形に関するテンプレート）との類似度を求めることにより、消費電力に関する第１のテンプレートの合成を行なうための電気機器の候補を絞り込むことができる。

さらに、本実施の形態は、水道やガスなどの電気以外の資源の使用量の変化から、電源投入された電気機器４ａ，４ｂの類推を行うことができる。例えば、洗濯機の使用時は水道使用量が増加する。当該使用量に対する電気機器４ａ，４ｂが稼働している確度をあらかじめ設定することにより、当該確度で消費電力に関する第１のテンプレートの合成を行なう電気機器４ａ，４ｂの候補を絞り込むことができる。

同様に、電源投入時刻から電源投入された電気機器４ａ，４ｂの類推を行なえる。例えば、炊飯器は食事前、洗濯機は午前中に使うのが一般的である。そこで、電源投入時刻に対する電気機器４ａ，４ｂが稼働している確度をあらかじめ設定することにより、当該確度で消費電力に関する第１のテンプレートの合成を行なう電気機器４ａ，４ｂの候補を絞り込むことができる。

本実施の形態に係る生活情報収集システムの構成を示すブロック図である。 炊飯器の消費電力のテンプレートを示す図である。 中央監視装置の構成を示すブロック図である。 本実施の形態の処理ステップを示す図である。 過渡電流波形の例を示す図である。 テンプレートの各値を示す図である。 組み合わせたテンプレートの例を示す図である。 電気機器の稼働状態を示す生活情報の例を示す図である。 洗濯機の確度表を示す図である。 稼動時刻確度表を示す図である。

符号の説明

１…被計測家屋、２…給電口、３…電灯線、４ａ，４ｂ…電気機器、５…データベース（保存手段）、６…計測装置（消費電力計測手段）、７…中央監視装置（検出手段）、１１…電源投入機器候補判定手段、１２…テンプレート組み合わせ手段、１３…類似度演算手段、１４…生活情報出力手段、１５…変化点検出手段。

Claims (7)

1. 被計測家屋で使用される複数の電気機器のオン／オフ状態情報を収集する生活情報収集システムにおいて、
   各電気機器の消費電力パターンを第１のテンプレートとして保存する保存手段と、
   屋外から被計測家屋に電力を供給する給電口における実測消費電力を計測する消費電力計測手段と、
   前記消費電力計測手段で計測した実測消費電力データと前記保存手段に保存された第１のテンプレートとの類似度を演算し、オン状態の電気機器を検出する検出手段とを備えることを特徴とする生活情報収集システム。
2. 前記検出手段は、前記消費電力計測手段で計測した実測消費電力データから電気機器の電源投入時の過渡電流を検出し、その検出位置を始点として前記第１のテンプレートとの類似度を演算することを特徴する請求項１記載の生活情報収集システム。
3. 前記検出手段は、複数の第１のテンプレートを組み合わせて、複数の第２のテンプレートを作成し、当該第２のテンプレートと前記実測消費電力データとの類似度を演算し、複数の電気機器のオン／オフ状態を検出する請求項1又は請求項２記載の生活情報収集システム。
4. 想定動作状態ごとに前記第１又は第２のテンプレートを時間方向に伸縮し、消費電力パターンの変動に追随することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の生活情報収集システム。
5. 前記時間方向の伸縮度合いに応じて当該類似度評価を変化させることを特徴とする請求項４記載の生活情報収集システム。
6. 前記保存手段は、電源投入時に発生する各電気機器固有の過渡電流波形を第３のテンプレートとして保存し、
   前記検出手段は、前記実測消費電力データから検出した過渡電流波形と前記保存手段に保存された第３のテンプレートとの類似度を演算し、類似度が第１の閾値以上である第３のテンプレートに対応する電気機器を候補機器として抽出して、これらの候補機器における第１のテンプレートを合成対象のテンプレートとすることを特徴とする請求項３記載の生活情報収集システム。
7. 機器ごとの水道消費パターンとガス消費パターンと稼働時刻パターンの少なくとも1つから電気機器がオン状態である確度を求め、当該確度が第２の閾値以上である電気機器を候補機器として抽出して、これらの候補機器における第１のテンプレートを合成対象のテンプレートとすることを特徴とする請求項３から請求項５のいずれか一項に記載の生活情報収集システム。

Images