KR20230101526A - Apparatus and method for saving building energy based on artificial intelligence - Google Patents

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Abstract

본 발명은 인공지능 기반 건물에너지 절감 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 인공지능 기반 건물에너지 절감 장치에 있어서, 통신모듈; 건물에너지 절감을 수행하기 위한 적어도 하나의 프로세스를 저장하는 메모리; 및 상기 적어도 하나의 프로세스를 기반으로 상기 건물에너지 절감을 수행하기 위한 동작을 수행하는 제어모듈을 포함하며, 상기 제어모듈은, 기 설정된 주기를 기반으로 대상 건물에 대한 환경데이터 및 상기 대상 건물에 포함된 적어도 하나의 대상 설비에 대한 운전데이터를 각각 수집하고, 기 설정된 기간 동안 누적되어 수집된 환경데이터 및 운전데이터를 이용하여 기 학습된 제1 머신러닝 모델을 통해 주요 실내환경인자를 예측하고, 상기 예측된 주요 실내환경인자에 따른 대상 설비 별 제어신호를 생성할 수 있다.The present invention relates to an artificial intelligence-based building energy saving device and method. In the artificial intelligence-based building energy saving device according to an embodiment of the present invention, a communication module; a memory for storing at least one process for performing building energy saving; and a control module that performs an operation for performing the building energy saving based on the at least one process, wherein the control module includes environmental data for a target building and the target building based on a predetermined cycle. Operation data for at least one target facility is collected, and major indoor environmental factors are predicted through a pre-learned first machine learning model using environmental data and operation data accumulated and collected for a predetermined period of time, and the It is possible to generate control signals for each target facility according to the predicted major indoor environmental factors.

Description

인공지능 기반 건물에너지 절감 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR SAVING BUILDING ENERGY BASED ON ARTIFICIAL INTELLIGENCE}AI-based building energy saving device and method {APPARATUS AND METHOD FOR SAVING BUILDING ENERGY BASED ON ARTIFICIAL INTELLIGENCE}

본 발명은 인공지능 기반 건물에너지 절감 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 환경데이터 및 운전데이터를 이용하여 건물에너지를 절감할 수 있도록 대상 설비들을 제어하기 위한 인공지능 기반 건물에너지 절감 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an artificial intelligence-based building energy saving device and method, and more particularly, to an artificial intelligence-based building energy saving device and method for controlling target facilities to save building energy using environmental data and operation data. It is about.

최근 에너지 사용량 절감을 위해 시간별, 계절별, 상황별로 적절한 운전 전략을 구사하는 다양한 자율운전 모델이 연구되고 있으며, 이러한 제어 대상 설비들의 에너지 사용 절감량 검증을 위한 새로운 베이스라인 모델이 필요한 상황이다. Recently, various autonomous driving models that use appropriate driving strategies for each hour, season, and situation are being studied to reduce energy consumption, and a new baseline model for verifying the energy consumption reduction of these controlled facilities is needed.

IPMVP(Inter -national Performance Measurement &Verification Protocol, 2002) 및 ASHRAE Handbook Fundamentals(ASHRAE Handbook Fundamentals, 2013)의 에너지 사용량 분석 방법론에 따르면 데이터 기반 회귀분석 모델로는 주로 다중 회귀를 사용하여 M&V(Measurement and Verification)를 진행하였으며, 다중회귀 M&V 모델은 주로 월 단위 에너지 사용 패턴을 예측하는데 사용되었다. According to the energy usage analysis methodology of IPMVP (Inter-national Performance Measurement & Verification Protocol, 2002) and ASHRAE Handbook Fundamentals (ASHRAE Handbook Fundamentals, 2013), M&V (Measurement and Verification) is mainly used as a data-based regression analysis model. and the multiple regression M&V model was mainly used to predict monthly energy use patterns.

하지만 각 설비 별 제어신호는 운전 전략에 따라 시간 단위 또는 분 단위로 결정되기 때문에 월 단위 데이터를 기반으로 한 에너지 사용 패턴 예측은 운전 전략별 M&V 작업에 한계가 있다. However, since the control signals for each facility are determined in units of hours or minutes depending on the operation strategy, prediction of energy use patterns based on monthly data has limitations in M&V work for each operation strategy.

이를 해결하기 위한 대안으로 머신러닝 알고리즘 모델을 사용할 수 있으며, 시간 단위의 건물에너지 예측을 위한 일반적인 머신러닝 알고리즘 기반 모델로는 KNN(K-nearest Neighbor), 랜덤 포레스트(Random Forest, RF), 인공신경망(Artificial Neural Network, ANN) 등이 있다.As an alternative to solving this problem, machine learning algorithm models can be used, and general machine learning algorithm-based models for predicting building energy in time units include KNN (K-nearest Neighbor), Random Forest (RF), and artificial neural networks. (Artificial Neural Network, ANN).

이러한 머신러닝 알고리즘 기반 모델 개발을 통해 정확도 높은 시간 단위 또는 분 단위 예측 모델이 존재하더라도 운전 전략 변경에 따라 상황별로 다른 운전 전략을 취하는 설비의 에너지 사용량을 예측이 필수적인 운전 전략별 M&V 작업에 있어 설비 운전 전략과 관련된 정보가 모델에 반영되어 있지 않기 때문에 운전 전략별 구체적이고 정확한 성과 분석에 어려움이 존재한다. Through the development of such a machine learning algorithm-based model, even if a highly accurate hourly or minutely predicted model exists, it is necessary to predict the energy consumption of facilities that take different driving strategies for each situation according to the change in operating strategy. Since strategy-related information is not reflected in the model, it is difficult to analyze specific and accurate performance by driving strategy.

따라서, 실내 및 실외 관련 환경데이터뿐만 아니라, 설비별 운전 전략 및 제어 정보를 고려하여 인공지능을 기반으로 건물에너지 절감시킬 수 있도록 하는 기술이 개발될 필요가 있다.Therefore, it is necessary to develop a technology that can reduce building energy based on artificial intelligence by considering not only indoor and outdoor environmental data, but also operation strategies and control information for each facility.

한국등록특허공보 제10-2085956호 (등록일: 2020년 03월 02일)Korean Registered Patent Publication No. 10-2085956 (registration date: March 02, 2020)

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 관리자의 주관적 판단에 의존하지 않고, 경험 건물에 대한 시간별, 계절별, 상황별 실내외 환경데이터 및 설비 관련 데이터 등의 객관적 데이터를 이용하여 머신러닝 기반으로 건물에 대한 운영 전략을 자동으로 변경 또는 수립하도록 함으로써, 건물에너지의 절감을 통해 경제적 효율성을 향상시킬 수 있도록 하는 인공지능 기반 건물에너지 절감 장치 및 방법을 제공함에 있다.The present invention has been proposed to solve the above problems, and does not rely on the subjective judgment of the manager, but uses objective data such as indoor and outdoor environmental data and facility-related data by time, season, and situation for experience buildings. It is to provide an artificial intelligence-based building energy saving device and method that can improve economic efficiency through saving building energy by automatically changing or establishing an operating strategy for a building based on learning.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 인공지능 기반 건물에너지 절감 장치는, 통신모듈; 건물에너지 절감을 수행하기 위한 적어도 하나의 프로세스를 저장하는 메모리; 및 상기 적어도 하나의 프로세스를 기반으로 상기 건물에너지 절감을 수행하기 위한 동작을 수행하는 제어모듈을 포함하며, 상기 제어모듈은, 기 설정된 주기를 기반으로 대상 건물에 대한 환경데이터 및 상기 대상 건물에 포함된 적어도 하나의 대상 설비에 대한 운전데이터를 각각 수집하고, 기 설정된 기간 동안 누적되어 수집된 환경데이터 및 운전데이터를 이용하여 기 학습된 제1 머신러닝 모델을 통해 주요 실내환경인자를 예측하고, 상기 예측된 주요 실내환경인자에 따른 대상 설비 별 제어신호를 생성할 수 있다.An artificial intelligence-based building energy saving device according to an embodiment of the present invention for solving the above problems includes a communication module; a memory for storing at least one process for performing building energy saving; and a control module performing an operation for performing the building energy saving based on the at least one process, wherein the control module includes environmental data for a target building and the target building based on a predetermined cycle. Operation data for at least one target facility is collected, and major indoor environmental factors are predicted through a pre-learned first machine learning model using environmental data and operation data accumulated and collected for a predetermined period of time, and the It is possible to generate control signals for each target facility according to the predicted major indoor environmental factors.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 인공지능 기반 건물에너지 절감 방법은, 기 설정된 주기를 기반으로 대상 건물에 대한 환경데이터 및 상기 대상 건물에 포함된 적어도 하나의 대상 설비에 대한 운전데이터를 각각 수집하는 단계; 기 설정된 기간 동안 누적되어 수집된 환경데이터 및 운전데이터를 이용하여 기 학습된 제1 머신러닝 모델을 통해 주요 실내환경인자를 예측하는 단계; 상기 예측된 주요 실내환경인자에 따른 대상 설비 별 제어신호를 생성하는 단계; 상기 생성된 대상 설비 별 제어신호를 이용하여 기 학습된 제2 머신러닝 모델을 통해 예측 소비 전력을 산출하는 단계; 및 상기 생성된 대상 설비 별 제어신호가 적용된 후의 실제 소비 전력을 상기 예측 소비 전력과 비교하여 실시간 에너지 절감량을 산정하는 단계를 포함할 수 있다.On the other hand, the artificial intelligence-based building energy saving method according to an embodiment of the present invention collects environmental data for a target building and operation data for at least one target facility included in the target building based on a preset cycle, respectively. step; predicting key indoor environmental factors through a pre-learned first machine learning model using environmental data and driving data accumulated and collected for a predetermined period of time; generating control signals for each target facility according to the predicted major indoor environmental factors; calculating predicted power consumption through a pre-learned second machine learning model using the generated control signal for each target facility; and calculating a real-time energy saving amount by comparing actual power consumption after the generated control signal for each target facility is applied with the predicted power consumption.

본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.Other specific details of the invention are included in the detailed description and drawings.

본 발명에 의하면, 관리자의 주관적 판단에 의존하지 않고, 경험 건물에 대한 시간별, 계절별, 상황별 실내외 환경데이터 및 설비 관련 데이터 등의 객관적 데이터를 이용하여 머신러닝 기반으로 건물에 대한 운영 전략을 자동으로 변경 또는 수립하도록 함으로써, 건물에너지의 절감을 통해 경제적 효율성을 향상시킬 수 있도록 한다.According to the present invention, without relying on the manager's subjective judgment, using objective data such as indoor/outdoor environmental data and facility-related data for each time, season, and situation for the experienced building, the operation strategy for the building is automatically set up based on machine learning. By changing or establishing, it is possible to improve economic efficiency through saving building energy.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인공지능 기반 건물에너지 절감 시스템의 네트워크 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인공지능 기반 건물에너지 절감 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 인공지능 기반 건물에너지 절감 장치에서 환경데이터를 전처리 하는 방식에 대한 일 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 제1 머신러닝 모델의 구조를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제2 머신러닝 모델의 구조를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제1 머신러닝 모델 및 제2 머신러닝 모델을 기반으로 건물에너지를 절감하도록 하는 베이스라인 모델의 구조를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 건물에너지 절감 장치에 의해 생성된 제어신호가 각 대상 설비에 적용된 후의 에너지 절감 효율을 나타내기 위한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 건물에너지 절감 방법에서 제어신호를 생성하기 위한 동작을 나타내는 순서도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 건물에너지 절감 방법에서 에너지 절감량을 산정하기 위한 동작을 나타내는 순서도이다.
1 is a diagram showing the network structure of an artificial intelligence-based building energy saving system according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram showing the configuration of an artificial intelligence-based building energy saving device according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing an example of a method of pre-processing environmental data in an artificial intelligence-based building energy saving device according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram showing the structure of a first machine learning model according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing the structure of a second machine learning model according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram showing the structure of a baseline model for saving building energy based on a first machine learning model and a second machine learning model according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph showing energy saving efficiency after a control signal generated by a building energy saving device according to an embodiment of the present invention is applied to each target facility.
8 is a flowchart illustrating an operation for generating a control signal in a building energy saving method according to an embodiment of the present invention.
9 is a flowchart illustrating an operation for calculating an energy saving amount in a building energy saving method according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 제한되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. Advantages and features of the present invention, and methods of achieving them, will become clear with reference to the detailed description of the following embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, only these embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention, and are common in the art to which the present invention belongs. It is provided to fully inform the person skilled in the art of the scope of the invention, and the invention is only defined by the scope of the claims.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 구성요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 비록 "제1", "제2" 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.Terminology used herein is for describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In this specification, singular forms also include plural forms unless specifically stated otherwise in a phrase. As used herein, "comprises" and/or "comprising" does not exclude the presence or addition of one or more other elements other than the recited elements. Like reference numerals throughout the specification refer to like elements, and “and/or” includes each and every combination of one or more of the recited elements. Although "first", "second", etc. are used to describe various components, these components are not limited by these terms, of course. These terms are only used to distinguish one component from another. Accordingly, it goes without saying that the first element mentioned below may also be the second element within the technical spirit of the present invention.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in this specification may be used with meanings commonly understood by those skilled in the art to which the present invention belongs. In addition, terms defined in commonly used dictionaries are not interpreted ideally or excessively unless explicitly specifically defined.

공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성요소와 다른 구성요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 구성요소들의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들어, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)"또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있으며, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.The spatially relative terms "below", "beneath", "lower", "above", "upper", etc. It can be used to easily describe a component's correlation with other components. Spatially relative terms should be understood as including different orientations of elements in use or operation in addition to the orientations shown in the drawings. For example, if you flip a component that is shown in a drawing, a component described as "below" or "beneath" another component will be placed "above" the other component. can Thus, the exemplary term “below” may include directions of both below and above. Components may also be oriented in other orientations, and thus spatially relative terms may be interpreted according to orientation.

명세서에서 사용되는 "부" 또는 "모듈"이라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, "부" 또는 "모듈"은 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 "부" 또는 "모듈"은 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. "부" 또는 "모듈"은 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 "부" 또는 "모듈"은 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 "부" 또는 "모듈"들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 "부" 또는 "모듈"들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 "부" 또는 "모듈"들로 더 분리될 수 있다.The term "unit" or "module" used in the specification means a hardware component such as software, FPGA or ASIC, and "unit" or "module" performs certain roles. However, "unit" or "module" is not meant to be limited to software or hardware. A “unit” or “module” may be configured to reside in an addressable storage medium and may be configured to reproduce one or more processors. Thus, as an example, a “unit” or “module” may refer to components such as software components, object-oriented software components, class components, and task components, processes, functions, properties, procedures, subroutines, segments of program code, drivers, firmware, microcode, circuitry, data, databases, data structures, tables, arrays and variables. Functions provided within components and “units” or “modules” may be combined into smaller numbers of components and “units” or “modules” or may be combined into additional components and “units” or “modules”. can be further separated.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in this specification may be used with meanings commonly understood by those skilled in the art to which the present invention belongs. In addition, terms defined in commonly used dictionaries are not interpreted ideally or excessively unless explicitly specifically defined.

일반적으로, 건물의 설비 시스템들은 자동제어 혹은 최적제어를 통해 운영되기도 하지만, 최종적인 건물의 운영에 대한 종합적인 결정은 관리자(운영자)의 주관적 판단에 절대적인 권한을 부여하는 경우가 대부분이다. 이때, 관리자는 자신의 경험과 직관으로 능동적으로 운영 전략을 수립하기도 하지만, 건물에서 발생하는 실내외 환경적 조건에 따라 설비 시스템들의 운전을 수동적으로 제어하기도 한다. 하지만, 이와 같은 주관적인 운영은 건물 내에서 발생하는 다양한 상황에 대해 항상 정확한 진단 및 대처를 하고 있다고 보기에는 어렵다. In general, building equipment systems are operated through automatic or optimal control, but in most cases, absolute authority is given to the subjective judgment of the manager (operator) for the final comprehensive decision on the operation of the building. At this time, the manager actively establishes an operation strategy based on his or her experience and intuition, but also passively controls the operation of equipment systems according to indoor and outdoor environmental conditions occurring in the building. However, it is difficult to see that such subjective operation is always accurately diagnosing and responding to various situations occurring in the building.

본 발명은 인공지능을 기반으로 하는 적어도 하나의 머신러닝 모델을 이용하여 실내외 환경적 데이터를 기반으로 제어신호를 자동 생성하여 대상 건물의 운영에 적용하도록 함으로써 건물에너지를 절감할 수 있도록 하기 위한 것이다. The present invention is to reduce building energy by automatically generating control signals based on indoor and outdoor environmental data using at least one machine learning model based on artificial intelligence and applying them to the operation of a target building.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명을 설명하기에 앞서, 본 명세서에 기재된 '설비'의 개념은 건물에 구비된 공조설비, 위생설비, 전력설비, 조명설비 및 방재설비 등을 포함, 건물의 유지 및 운영을 위해 구비되는 각 종 설비를 총칭하는 개념으로, 반드시 본 명세서에 기재된 설비에 국한되는 개념으로 해석되어서는 안 될 것이다.Prior to explaining the present invention, the concept of 'facility' described in this specification includes air conditioning equipment, sanitary equipment, power equipment, lighting equipment, and disaster prevention equipment provided in the building, and each provided for maintenance and operation of the building. It is a concept that collectively refers to species facilities, and should not necessarily be interpreted as a concept limited to the facilities described in this specification.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인공지능 기반 건물에너지 절감 시스템의 네트워크 구조를 나타내는 도면이다.1 is a diagram showing the network structure of an artificial intelligence-based building energy saving system according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 건물에너지 절감 시스템(10)은 건물에너지 절감 장치(100), 적어도 하나의 설비(200) 및 관리자 단말(300)을 포함하여 구성될 수 있다.Referring to FIG. 1 , a building energy saving system 10 according to an embodiment of the present invention may include a building energy saving device 100, at least one facility 200, and a manager terminal 300.

적어도 하나의 설비(200)는 건물에 필요한 에너지(건물에너지)를 제공하는 각종 설비로서 건물의 내부 또는 외부에 위치(설치)되며, 건물에너지 절감 장치(100)에 의해 생성되는 제어신호에 의해 제어된다.At least one facility 200 is a variety of facilities that provide energy (building energy) necessary for the building, and is located (installed) inside or outside the building, and is controlled by a control signal generated by the building energy saving device 100. do.

이 적어도 하나의 설비(200)는 복수개(200-1~200-n) 구비된 경우, 각 설비의 설치 위치, 기능, 담당 관리자 등에 따라 그룹으로 분류되어 관리될 수도 있다.When a plurality (200-1 to 200-n) of the at least one facility 200 is provided, it may be classified into groups and managed according to the installation location, function, and manager in charge of each facility.

건물에너지 절감 장치(100)는 기 설정된 기간 동안의 실내외 환경데이터 및 적어도 하나의 설비(200)에 대한 운전데이터를 수집하고, 기 설정된 기간 동안 누적되어 수집된 환경데이터 및 운전데이터를 기반으로 기 학습된 제1 머신러닝 모델을 통해 주요 실내환경인자를 예측한다. 이후, 건물에너지 절감 장치(100)는 그 예측된 주요 실내환경인자에 따라 대상 설비 별 제어신호를 생성한다.The building energy saving device 100 collects indoor/outdoor environmental data and operation data for at least one facility 200 for a preset period of time, and learns based on the accumulated environmental data and operation data for a preset period of time. Predict major indoor environmental factors through the first machine learning model. Thereafter, the building energy saving device 100 generates a control signal for each target facility according to the predicted major indoor environmental factors.

한편, 건물에너지 절감 장치(100)는 앞서 생성된 대상 설비 별 제어신호를 이용하여 기 학습된 제2 머신러닝 모델을 통해 예측 소비 전력을 산출하고, 그 생성된 대상 설비 별 제어신호가 적용된 후, 즉, 각각의 대상 설비에 대응하는 제어신호로 운전을 수행한 후의 실제 소비 전력을 앞서 산출된 예측 소비 전력과 비교하여 실시간 에너지 절감량을 산정한다.On the other hand, the building energy saving device 100 calculates the predicted power consumption through the pre-learned second machine learning model using the previously generated control signal for each target facility, and after the generated control signal for each target facility is applied, That is, the real-time energy saving amount is calculated by comparing the actual power consumption after operation with the control signal corresponding to each target facility with the previously calculated predicted power consumption.

또한, 건물에너지 절감 장치(100)는 수집된 각종 데이터, 생성된 제어신호 및 산정된 에너지 절감량 뿐만 아니라, 관리자에 의해 설정(선택)된 각종 데이터 또는 알림을 기 등록된 관리자 단말(300)로 송신함으로써 보고할 수 있다. 이때, 관리자 단말(300) 또한 적어도 하나일 수 있으며, 각 관리자 마다 보고 받고자 하는 데이터 또는 알림을 상이하게 설정할 수 있기 때문에, 각 관리자 단말(300)로 송신되는 데이터 또는 알림에 포함되는 정보는 모두 상이할 수 있다.In addition, the building energy saving device 100 transmits various data or notifications set (selected) by the manager as well as various collected data, generated control signals, and calculated energy savings to the previously registered manager terminal 300. You can report by doing this. At this time, there may be at least one manager terminal 300, and since data or notifications to be reported or received may be set differently for each manager, all information included in data or notifications transmitted to each manager terminal 300 is different. can do.

관리자 단말(300)은 건물에너지 절감 장치(100)로부터 각종 데이터 또는 알림이 수신되면 이를 디스플레이 하여 관리자가 확인하도록 하고, 필요에 따라 관리자가 제어신호를 입력하면 그 입력된 제어신호를 송신하여 적어도 하나의 설비(200)를 수동으로 제어할 수도 있다. 이때, 관리자 단말(300)은 관리자에 의해 입력된 제어신호를 건물에너지 절감 장치(100)로 송신하여 그 건물에너지 절감 장치(100)를 통해 해당 설비를 제어할 수도 있고, 해당 설비로 직접 송신하여 해당 설비를 제어할 수도 있다.When various data or notifications are received from the building energy saving device 100, the manager terminal 300 displays them so that the manager can confirm them, and if necessary, when the manager inputs a control signal, the input control signal is transmitted and at least one The facility 200 of may be manually controlled. At this time, the manager terminal 300 may transmit the control signal input by the manager to the building energy saving device 100 to control the corresponding facility through the building energy saving device 100, or transmit it directly to the corresponding facility You can also control the equipment.

앞서 설명한 바와 같이, 관리자 단말(300) 또한 적어도 하나 이상 구비될 수 있으며, 건물에너지 절감 장치(100) 및/또는 적어도 하나의 설비(200)에 등록됨에 따라 제어에 대한 접근 권한을 가질 수 있다. 또한, 관리자 단말(300)이 복수개(300-1~300-n) 구비된 경우, 각 관리자의 담당 부서, 직급, 담당 설비, 설정 권한, 권한 등급 등에 따라 그룹으로 분류되어 관리될 수도 있다.As described above, at least one manager terminal 300 may also be provided, and may have access to control as it is registered in the building energy saving device 100 and/or at least one facility 200. In addition, when a plurality of manager terminals 300 (300-1 to 300-n) are provided, they may be classified into groups and managed according to departments, positions, facilities in charge, setting authority, authority level, etc. of each manager.

한편, 관리자 단말(300)은 해당 관리자가 원하는 다수의 응용 프로그램(즉, 애플리케이션)을 설치하여 실행할 수 있는 컴퓨터, UMPC(Ultra Mobile PC), 워크스테이션, 넷북(net-book), PDA(Personal Digital Assistants), 포터블(portable) 컴퓨터, 웹 테블릿(web tablet), 무선 전화기(wireless phone), 모바일 폰(mobile phone), 스마트 폰(smart phone), 패드(Pad), 스마트 워치(Smart watch), 웨어러블(wearable) 단말, e-북(e-book), PMP(portable multimedia player), 휴대용 게임기, 네비게이션(navigation) 장치, 블랙 박스(black box) 또는 디지털 카메라(digital camera), 기타 이동통신 단말 등일 수 있다.On the other hand, the administrator terminal 300 is a computer, UMPC (Ultra Mobile PC), workstation, net-book, PDA (Personal Digital Assistants), portable computers, web tablets, wireless phones, mobile phones, smart phones, pads, smart watches, Wearable terminals, e-books, portable multimedia players (PMPs), portable game consoles, navigation devices, black boxes or digital cameras, other mobile communication terminals, etc. can

한편, 도 1은 본 발명의 실시예에 해당하는 것으로, 적어도 하나의 설비(200)는 별도의 제어 시스템(미도시)에 의해 제어될 수 있으며, 이 경우 건물에너지 절감 장치(100)는 그 제어 시스템의 일부로서 동작할 수도 있다. Meanwhile, FIG. 1 corresponds to an embodiment of the present invention, and at least one facility 200 may be controlled by a separate control system (not shown), in which case the building energy saving device 100 controls the control system. It can also act as part of a system.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인공지능 기반 건물에너지 절감 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.2 is a block diagram showing the configuration of an artificial intelligence-based building energy saving device according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 인공지능 기반 건물에너지 절감 장치(이하, '건물에너지 절감 장치'라 칭함)(100)는 통신모듈(110), 저장모듈(130) 및 제어모듈(150)을 포함한다.2, the artificial intelligence-based building energy saving device (hereinafter referred to as 'building energy saving device') 100 according to an embodiment of the present invention includes a communication module 110, a storage module 130 and a control module (150).

통신모듈(110)은 적어도 하나의 외부장치(서버 등)와 유선 또는 무선 통신을 수행한다. 특히, 무선 통신을 수행함에 있어서, 무선 인터넷 기술들에 따른 통신망에서 무선 신호를 송수신하도록 한다. The communication module 110 performs wired or wireless communication with at least one external device (such as a server). In particular, in performing wireless communication, a wireless signal is transmitted and received in a communication network according to wireless Internet technologies.

무선 인터넷 기술로는, 예를 들어 WLAN(Wireless LAN), Wi-Fi(Wireless-Fidelity), Wi-Fi(Wireless Fidelity) Direct, DLNA(Digital Living Network Alliance), WiBro(Wireless Broadband), WiMAX(World Interoperability for Microwave Access), HSDPA(High Speed Downlink Packet Access), HSUPA(High Speed Uplink Packet Access), LTE(Long Term Evolution), LTE-A(Long Term Evolution-Advanced) 등이 있으며, 건물에너지 절감 장치(100)는 앞에서 나열되지 않은 인터넷 기술까지 포함한 범위에서 적어도 하나의 무선 인터넷 기술에 따라 데이터를 송수신하게 된다.Wireless Internet technologies include, for example, WLAN (Wireless LAN), Wi-Fi (Wireless-Fidelity), Wi-Fi (Wireless Fidelity) Direct, DLNA (Digital Living Network Alliance), WiBro (Wireless Broadband), WiMAX (World Interoperability for Microwave Access), HSDPA (High Speed Downlink Packet Access), HSUPA (High Speed Uplink Packet Access), LTE (Long Term Evolution), LTE-A (Long Term Evolution-Advanced), etc. 100) transmits and receives data according to at least one wireless Internet technology within a range including Internet technologies not listed above.

근거리 통신(Short range communication)을 위한 것으로서, 블루투스(Bluetooth™), RFID(Radio Frequency Identification), 적외선 통신(Infrared Data Association; IrDA), UWB(Ultra Wideband), ZigBee, NFC(Near Field Communication), Wi-Fi(Wireless-Fidelity), Wi-Fi Direct, Wireless USB(Wireless Universal Serial Bus) 기술 중 적어도 하나를 이용하여, 근거리 통신을 지원할 수 있다. 이러한, 근거리 무선 통신망(Wireless Area Networks)은 건물에너지 절감 장치(100) 및 적어도 하나의 설비(200) 간, 건물에너지 절감 장치(100) 및 관리자 단말(300) 간, 적어도 하나의 설비(200) 및 관리자 단말(300) 간 무선 통신을 지원할 수 있다. 이때, 근거리 무선 통신망은 근거리 무선 개인 통신망(Wireless Personal Area Networks)일 수 있다.As for short range communication, Bluetooth™, RFID (Radio Frequency Identification), Infrared Data Association (IrDA), UWB (Ultra Wideband), ZigBee, NFC (Near Field Communication), Wi -Local communication may be supported using at least one of wireless-fidelity (Fi), Wi-Fi Direct, and wireless universal serial bus (USB) technologies. Such a local area wireless communication network (Wireless Area Networks) is between the building energy saving device 100 and at least one facility 200, between the building energy saving device 100 and the manager terminal 300, at least one facility 200 And wireless communication between the manager terminal 300 may be supported. At this time, the local area wireless communication network may be a local area wireless personal area network (Wireless Personal Area Networks).

저장모듈(130)은 건물에너지 절감을 위해 필요한 적어도 하나의 데이터(정보) 및 적어도 하나의 프로세스는 물론, 그 외 각종 데이터(정보)를 저장한다. 예를 들어, 건물에너지 절감을 위한 프로그램, 적어도 하나의 설비 정보, 적어도 하나의 관리자 정보 등을 데이터로서 저장할 수 있다. 그 외에도, 저장모듈(130)은 건물에너지 절감 방법을 실행하기 위한 각종 명령어, 알고리즘 등을 저장한다.The storage module 130 stores at least one data (information) and at least one process necessary for building energy saving, as well as various other data (information). For example, a program for saving building energy, at least one facility information, and at least one manager information may be stored as data. In addition, the storage module 130 stores various commands, algorithms, etc. for executing the building energy saving method.

이를 위해, 저장모듈(130)은 메모리를 포함할 수 있으며, 메모리는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드 디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리 등), 램(Random Access Memory, RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read-Only Memory, ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), PROM(Programmable Read-Only Memory) 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다. 아울러, 메모리는 일시적, 영구적 또는 반영구적으로 정보를 저장할 수 있으며, 내장형 또는 탈착형으로 제공될 수 있다.To this end, the storage module 130 may include a memory, and the memory may be of a flash memory type, a hard disk type, a multimedia card micro type, or a card type. Memory (eg SD or XD memory, etc.), RAM (Random Access Memory, RAM), SRAM (Static Random Access Memory), ROM (Read-Only Memory, ROM), EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), It may include at least one type of storage medium among a programmable read-only memory (PROM) magnetic memory, a magnetic disk, and an optical disk. In addition, the memory may store information temporarily, permanently or semi-permanently, and may be provided in a built-in or removable type.

제어모듈(150)은 건물에너지 절감 장치(100) 내 구성들을 제어하거나 각종 정보를 처리하고 연산하기 위한 것으로, 저장모듈(130)에 저장된 적어도 하나의 프로세스를 기반으로 건물에너지를 절감하도록 제어한다.The control module 150 is for controlling components in the building energy saving device 100 or for processing and calculating various information, and controls to save building energy based on at least one process stored in the storage module 130.

구체적으로, 제어모듈(150)은 실내 및/또는 실외에 대한 환경데이터 및 적어도 하나의 설비(200)에 대한 운전데이터를 수집하고, 기 설정된 기간 동안 누적되어 수집된 환경데이터 및 운전데이터를 기반으로 기 학습된 제1 머신러닝 모델을 통해 주요 실내환경인자를 예측한다.Specifically, the control module 150 collects indoor and/or outdoor environment data and operation data for at least one facility 200, and collects environment data and operation data accumulated over a predetermined period of time based on the collected environment data and operation data. A major indoor environmental factor is predicted through the pre-learned first machine learning model.

여기서, 환경데이터는 실내환경인자를 포함하는 제1 환경데이터 및 실외환경인자를 포함하는 제2 환경데이터를 포함하며, 제1 환경데이터 및 제2 환경데이터는 각각의 센서를 통해 개별적으로 수집될 수 있다. 예를 들어, 제1 환경데이터 및 제2 환경데이터는 실내 온도, 실외 온도, 습도, 상대 습도, CO2 농도, 소음, 전자파, 석면, 압력, 강우량, 빛공해, 조도 및 미세먼지 농도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. Here, the environment data includes first environment data including indoor environment factors and second environment data including outdoor environment factors, and the first environment data and the second environment data may be individually collected through respective sensors. there is. For example, the first environmental data and the second environmental data include at least one of indoor temperature, outdoor temperature, humidity, relative humidity, CO2 concentration, noise, electromagnetic waves, asbestos, pressure, rainfall, light pollution, illuminance, and fine dust concentration. can include

또한, 운전데이터는 각 설비 별 운전·사양 관련 데이터를 포함하며, 예를 들어, 운전모드 별 소비전력, On/Off 상태, 운전모드 상태, 풍량, 설정온도, 상한온도 및 하한온도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.In addition, the operation data includes operation and specification-related data for each facility, and for example, at least one of power consumption, On/Off status, operation mode status, air volume, set temperature, upper limit temperature and lower limit temperature for each operation mode. can include

이 환경데이터 및 운전데이터는 기 설정된 시간 단위로 수집되며, 그 수집된 환경데이터 및 운전데이터는 저장모듈(130)에 누적되어 저장된다. 즉, 기 설정된 시간 단위의 시계열 데이터가 축적된다. 이후, 주요 실내환경인자를 예측하기 위해 그 저장된 환경데이터 및 운전데이터 중 기 설정된 기간 동안에 누적되어 저장된 환경 데이터 및 운전데이터를 이용할 수 있다.The environment data and operation data are collected in units of preset time, and the collected environment data and operation data are accumulated and stored in the storage module 130 . That is, time-series data of a preset time unit is accumulated. Thereafter, environmental data and driving data accumulated and stored during a predetermined period among the stored environmental data and driving data may be used to predict major indoor environmental factors.

한편, 제어모듈(150)은 환경데이터 및 운전데이터를 이용하여 예측된 주요 실내환경인자를 예측하기 위해, 전처리를 수행한 후, 그 전처리된 데이터를 입력데이터로서 기 학습된 제1 머신러닝 모델에 입력하여 대상 설비 별 제어신호를 생성한다.On the other hand, the control module 150 performs preprocessing to predict key indoor environmental factors predicted using environmental data and driving data, and then converts the preprocessed data to the pre-learned first machine learning model as input data. input to generate control signals for each target facility.

또한, 제어모듈(150)은 앞서 생성된 대상 설비 별 제어신호를 이용하여 기 학습된 제2 머신러닝 모델을 통해 예측 소비 전력을 산출하고, 그 생성된 대상 설비 별 제어신호가 적용된 후, 즉, 각각의 대상 설비에 대응하는 제어신호로 운전을 수행한 후의 실제 소비 전력을 앞서 산출된 예측 소비 전력과 비교하여 실시간 에너지 절감량을 산정한다.In addition, the control module 150 calculates the predicted power consumption through the pre-learned second machine learning model using the previously generated control signal for each target facility, and after the generated control signal for each target facility is applied, that is, Real-time energy saving is calculated by comparing the actual power consumption after operation with the control signal corresponding to each target facility with the predicted power consumption previously calculated.

또한, 제어모듈(150)은 수집된 각종 데이터, 생성된 제어신호 및 산정된 에너지 절감량 뿐만 아니라, 관리자에 의해 설정(선택)된 그 외의 각종 데이터 또는 알림을 기 등록된 관리자 단말(300)로 송신함으로써 보고한다.In addition, the control module 150 transmits not only collected various data, generated control signals and calculated energy savings, but also various other data or notifications set (selected) by the manager to the previously registered manager terminal 300. report by doing

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 인공지능 기반 건물에너지 절감 장치에서 환경데이터를 전처리 하는 방식에 대한 일 예를 나타내는 도면이다.3 is a diagram showing an example of a method of pre-processing environmental data in an artificial intelligence-based building energy saving device according to an embodiment of the present invention.

건물에너지 절감 장치(100)는 환경데이터에 대한 전처리를 수행하기 위해 IQR(Inter Quantile Range) 이상치 제거 및 MinMaxScaling 방식 중 적어도 하나의 방식을 이용할 수 있다. IQR 이상치 제거는 데이터의 수치 범위를 사분위로 나누어 특정 범위를 벗어나는 데이터를 제거하는 방식이고, MinMaxScaling은 도 3에 도시된 바와 같이, 데이터의 범위를 재조정(Rescaling)하여 모델의 학습을 용이하도록 하는 정규화(Normalization) 방식이다.The building energy saving device 100 may use at least one of an Inter Quantile Range (IQR) outlier removal method and a MinMaxScaling method to perform preprocessing on environmental data. IQR outlier elimination is a method of dividing the numerical range of data into quartiles to remove data outside a specific range, and MinMaxScaling, as shown in FIG. 3, is normalization that facilitates model learning by rescaling the range of data. (Normalization) method.

즉, 환경데이터를 감지하는 센서의 사양에 명시된 데이터의 최소값 및 최대값을 기준으로 해당 범위를 벗어난 데이터를 0으로 치환하고, 선형 보간법으로 보정 학습 시 사용한 Min-Max Scaler를 활용하여 입력되는 데이터를 정규화 처리한다.In other words, based on the minimum and maximum values of the data specified in the specifications of the sensor that detects the environmental data, data outside the range is substituted with 0, and the input data is adjusted using the Min-Max Scaler used for calibration learning with linear interpolation. normalize it.

이로써, 환경데이터 및 운전데이터가 제1 머신러닝 모델에 입력되는 하나의 입력데이터로서 활용될 수 있다.Thus, the environmental data and driving data can be used as one input data input to the first machine learning model.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 제1 머신러닝 모델의 구조를 나타내는 도면이다.4 is a diagram showing the structure of a first machine learning model according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 주요 실내환경인자를 예측하기 위한 제1 머신러닝 모델로서 IEPM(Indoor Environment Prediction Model)이 적용될 수 있다.Referring to FIG. 4 , an Indoor Environment Prediction Model (IEPM) may be applied as a first machine learning model for predicting major indoor environmental factors.

이 IEPM은 제1 환경데이터, 제2 환경데이터 및 운전데이터를 입력데이터로 사용하도록 설계되며, 예측하고자 하는 미래의 실내 온습도의 경우, 이전 시점까지 누적되어온 외기 온·습도 패턴, 실내 온·습도 패턴 및 공기조화설비들의 제어 패턴에 종합적으로 영향을 받아 결정될 수 있다. 따라서, 일정 시간 이상 누적된 시계열 데이터를 하나의 입력데이터로 가공하여 활용할 필요성이 있다. This IEPM is designed to use the first environment data, the second environment data, and driving data as input data. In the case of future indoor temperature and humidity to be predicted, the outdoor temperature and humidity pattern accumulated up to the previous point in time, and the indoor temperature and humidity pattern and the control patterns of the air conditioning facilities may be comprehensively influenced. Therefore, there is a need to process and utilize time series data accumulated over a certain period of time as one input data.

이에 IEPM의 입력데이터 셋(set)은 모든 데이터 종류에 대해 1분 단위 데이터를 일정 시간(Window Size) 누적하여 활용한다. 또한, 각 주요 실내환경인자 별 IEPM은 시계열 패턴을 학습하는데 강점이 있는 1차원 합성곱 신경망(1D Convolution Network)과 GRU를 모델의 기본 구성요소로 설계될 수 있으며, 각 IEPM의 하이퍼파라미터는 모델 평가 결과를 통해 최적화될 수 있다.Accordingly, the input data set of IEPM accumulates and utilizes 1-minute unit data for a certain period of time (Window Size) for all types of data. In addition, the IEPM for each major indoor environment factor can be designed with a 1D Convolution Network and GRU, which have strengths in learning time series patterns, as the basic components of the model, and the hyperparameters of each IEPM are model evaluation. The results can be optimized.

IEPM은 특정 운전 전략으로 운영된 학습데이터를 기반으로 각 설비 별 운전데이터와 실내 및 실외의 환경인자를 포함하는 환경데이터 간의 비선형적인 상관관계를 학습하여 다음 시점의 주요 실내환경인자 값을 예측하기 위한 목적으로 설계된다.IEPM learns the non-linear correlation between operating data for each facility and environmental data including indoor and outdoor environmental factors based on learning data operated with a specific driving strategy to predict the value of key indoor environmental factors at the next point in time. designed for the purpose

도 4를 통해 볼 때, IEPM을 학습하기 위한 데이터 전처리 시, 센서 사양에 명시된 데이터의 최소값 및 최대값을 기준으로 해당 범위를 벗어난 데이터를 제거한다. 이때, IQR(Inter Quantile Range)를 기반으로, 예를 들어, 기준 Q1±1.5*IQR 범위를 벗어난 데이터를 제거하고, 제거된 타임 스텝의 데이터를 선형 보간법으로 보정한다. 이후, 센서 사양에 명시된 데이터의 최소값 및 최대값을 기준으로 Min-Max Scaler를 활용하여 입력되는 데이터를 정규화 처리한다. 이때, 모든 센서 데이터들의 시계열 데이터를 축적하여 하나의 입력 데이터로 활용하는데, 예를 들어, 1시간 시계열 데이터를 이용하는 경우, 그 수집 주기가 1분으로 설정된 상태라면 총 60의 데이터가 된다.Referring to FIG. 4 , during data preprocessing for learning the IEPM, data outside the corresponding range is removed based on the minimum and maximum values of data specified in the sensor specification. At this time, based on the inter quantile range (IQR), for example, data out of the standard Q1 ± 1.5 * IQR range is removed, and the data of the removed time step is corrected by linear interpolation. Then, based on the minimum and maximum values of the data specified in the sensor specifications, the input data is normalized using the Min-Max Scaler. At this time, time-series data of all sensor data is accumulated and used as one input data. For example, when using 1-hour time-series data, if the collection period is set to 1 minute, a total of 60 data is obtained.

한편, 데이터 입력층에서, 실내/실외 환경데이터(in/outdoor temp., RH etc.) 및 운전데이터(on/off, Cooling set point etc.)를 모아 접합(Concatenation)하여 예측신경망에 입력한다.On the other hand, in the data input layer, indoor/outdoor environment data (in/outdoor temp., RH etc.) and operation data (on/off, cooling set point etc.) are collected, concatenated, and input to the predictive neural network.

이러한 제1 머신러닝 모델은 대상 설비 간 교차영향관계 및 제어 대상 설비 군의 종합적인 제어 상황(상태)에 따른 주요 실내환경인자의 변화에 대한 학습을 수행하여 생성된다. 이때, 은닉층 깊이가 3이상으로 설계되고, 시계열 패턴을 반영하도록 하기 위해 Conv1D, LSTM(Long Short-Term Memory) 및 GRU(Gated Recurrent Unit) 중 적어도 하나의 알고리즘이 적용될 수 있다.This first machine learning model is created by learning about changes in major indoor environmental factors according to cross-influence relationships between target facilities and comprehensive control situations (states) of control target facility groups. In this case, the hidden layer depth is designed to be 3 or more, and at least one algorithm of Conv1D, Long Short-Term Memory (LSTM), and Gated Recurrent Unit (GRU) may be applied to reflect the time-series pattern.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제2 머신러닝 모델의 구조를 나타내는 도면이다.5 is a diagram showing the structure of a second machine learning model according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 대상 건물의 각 설비 별 전력 부하를 예측하기 위한 제2 머신러닝 모델로서 ELPM(Electricity Load Prediction Model)이 적용될 수 있다.Referring to FIG. 5 , an Electricity Load Prediction Model (ELPM) may be applied as a second machine learning model for predicting a power load for each facility of a target building.

이 ELPM은 IEPM과 다르게 환경데이터로는 실외 환경데이터인 외기 온·습도 데이터를 제외한 IEPM의 예측 대상에 속하는 주요 실내환경인자만을 환경 데이터로 활용한다. 이는 공기조화설비의 동작 조건 및 제어 전략이 실내 환경에 대부분 의존하고 있기 때문이다. 또한, 모든 설비들의 운전 및 사양 데이터를 입력으로 활용하는 IEPM와 다르게 각 설비별 ELPM은 해당 설비만의 운전 및 사양데이터를 입력데이터로 활용하여 설비 자체의 부하 예측에 집중된 모델로 설계될 수 있다. 한편, 각 설비별 ELPM은 LGBM을 기반으로 설계될 수 있으며, 각 LGBM의 하이퍼파라미터는 모델 평가 결과를 통해 최적화될 수 있다.Unlike the IEPM, this ELPM uses only the main indoor environmental factors that belong to the prediction target of the IEPM as environmental data, excluding outdoor temperature and humidity data, which are outdoor environmental data. This is because the operating conditions and control strategies of air conditioning equipment depend mostly on the indoor environment. In addition, unlike the IEPM that utilizes the operation and specification data of all facilities as input, the ELPM for each facility can be designed as a model focused on predicting the load of the facility itself by using the operation and specification data of the facility as input data. Meanwhile, the ELPM for each facility can be designed based on the LGBM, and the hyperparameters of each LGBM can be optimized through model evaluation results.

도 5를 통해 볼 때, ELPM을 학습하기 위한 데이터 전처리 시, 센서 사양에 명시된 데이터의 최소값 및 최대값을 기준으로 해당 범위를 벗어난 데이터를 제거한다. 이때, IQR(Inter Quantile Range)를 기반으로, 예를 들어, 기준 Q1±1.5*IQR 범위를 벗어난 데이터를 제거하고, 제거된 타임 스텝의 데이터를 선형 보간법으로 보정한다. 이후, 센서 사양에 명시된 데이터의 최소값 및 최대값을 기준으로 Min-Max Scaler를 활용하여 입력되는 데이터를 정규화 처리한다.Referring to FIG. 5 , during data pre-processing for learning the ELPM, data outside the corresponding range is removed based on the minimum and maximum values of data specified in the sensor specifications. At this time, based on the inter quantile range (IQR), for example, data out of the standard Q1 ± 1.5 * IQR range is removed, and the data of the removed time step is corrected by linear interpolation. Then, based on the minimum and maximum values of the data specified in the sensor specifications, the input data is normalized using the Min-Max Scaler.

한편, 데이터 입력층에 주요 실내환경인자(indoor temp., RH, CO2 etc.) 데이터 및 운전데이터(on/off, Cooling set point etc.)가 입력되고, 설비 별 데이터 조합층에서 환경데이터(공통데이터) 및 각 설비의 운전데이터(운전데이터)가 조합되어 입력된다. On the other hand, key indoor environmental factors (indoor temp., RH, CO 2 etc.) data and operation data (on/off, Cooling set point etc.) are input in the data input layer, and environmental data (in the data combination layer for each facility) Common data) and operation data (operation data) of each facility are combined and input.

이러한 제2 머신러닝 모델은 환경데이터 및 운전데이터와 에너지 소비량 간의 상관관계에 대한 학습을 수행하여 생성된다. 이때, 은닉층(L1~L3) 깊이가 3이상으로 설계되고, 층별 신경망 계열은 Conv1D, LSTM(Long Short-Term Memory) 및 GRU(Gated Recurrent Unit) 중 적어도 하나의 알고리즘이 적용될 수 있다.This second machine learning model is generated by learning the correlation between environmental data and driving data and energy consumption. At this time, the depth of the hidden layers (L1 to L3) is designed to be 3 or more, and at least one algorithm of Conv1D, Long Short-Term Memory (LSTM), and Gated Recurrent Unit (GRU) may be applied to the neural network series for each layer.

이로써, 실내 및 실외 환경데이터와 운전데이터를 기반으로 각 설비 별 에너지 소비 전력(또는 전력량)이 출력층을 통해 출력된다.Accordingly, energy consumption power (or amount of power) for each facility is output through the output layer based on indoor and outdoor environment data and operation data.

도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제1 머신러닝 모델 및 제2 머신러닝 모델을 기반으로 건물에너지를 절감하도록 하는 베이스라인 모델의 구조를 나타내는 도면이다.6 is a diagram showing the structure of a baseline model for saving building energy based on a first machine learning model and a second machine learning model according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 이 IEPM(제1 머신러닝 모델) 및 ELPM(제2 머신러닝 모델)이 연동되는 2단계 모델 구조를 가지며, 시계열 패턴 학습이 중요한 실내환경인자 예측 모델은 CNN 및/또는 RNN 계열의 네트워크를 모델 기본 구성요소로 설계될 수 있다.The present invention has a two-step model structure in which the IEPM (first machine learning model) and the ELPM (second machine learning model) are linked, and the indoor environment factor prediction model in which time-series pattern learning is important is a CNN and/or RNN-based network. can be designed as a model basic component.

도 6을 참조하면, IEPM이 각 설비 별 운전데이터와 실내 및 실외의 환경인자를 포함하는 환경데이터를 입력받아 다음 타임 스텝의 주요 실내환경인자를 예측하여 대상 건물의 기존 제어 패턴(전략)의 조건으로 사용함으로써 기존 제어 패턴에 따른 다음 타임 스텝의 운전데이터를 도출한다. 즉, 적용하고자 하는 각 설비 별 제어신호를 생성한다. 또한, ELPM이 그 예측된 실내환경인자 및 도출된 다음 타임 스텝의 운전데이터(제어신호)를 입력받아 각 설비 별 전력 부하를 예측한다.Referring to FIG. 6, the IEPM receives operational data for each facility and environmental data including indoor and outdoor environmental factors, predicts major indoor environmental factors of the next time step, and conditions the existing control pattern (strategy) of the target building. By using as , the operation data of the next time step according to the existing control pattern is derived. That is, a control signal for each facility to be applied is generated. In addition, the ELPM predicts the power load for each facility by receiving the predicted indoor environment factor and the derived operation data (control signal) of the next time step.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 건물에너지 절감 장치에 의해 생성된 제어신호가 각 대상 설비에 적용된 후의 에너지 절감 효율을 나타내기 위한 그래프이다.7 is a graph showing energy saving efficiency after a control signal generated by a building energy saving device according to an embodiment of the present invention is applied to each target facility.

도 7은 도 6의 절차를 통해 예측된 각 설비 별 전력 부하를 그래프로 나타낸 일 예시로서, 이를 통해 에너지 절감량을 확인할 수 있다.7 is an example of a graph showing the power load for each facility predicted through the procedure of FIG. 6, through which energy savings can be confirmed.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 건물에너지 절감 방법에서 제어신호를 생성하기 위한 동작을 나타내는 순서도이다.8 is a flowchart illustrating an operation for generating a control signal in a building energy saving method according to an embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 건물에너지 절감 장치(100)는 기 설정된 주기를 기반으로 대상 건물에 대한 환경데이터를 수집하고(S301), 그 대상 건물에 포함된(관련된) 적어도 하나의 대상 설비에 대한 운전데이터를 수집한다(S303). 이때, 도 8에는 S301 단계가 S303 단계 보다 먼저 수행되는 것으로 도시하였으나, S303 단계가 먼저 수행되거나 S301 단계 및 S303 단계가 동시에 수행될 수도 있으며, 그 수행되는 순서를 한정하지 않는다.Referring to FIG. 8, the building energy saving device 100 collects environmental data for a target building based on a preset cycle (S301), and operates at least one target facility included in (related to) the target building. Data is collected (S303). In this case, although step S301 is illustrated as being performed before step S303 in FIG. 8 , step S303 may be performed first or steps S301 and S303 may be performed simultaneously, and the order in which they are performed is not limited.

그 다음으로, 건물에너지 절감 장치(100)는 기 설정된 시간 동안에 누적되어 수집된 환경데이터 및 운전데이터에 대한 전처리를 수행하여 하나의 입력데이터를 생성하고(S305), 그 생성된 입력데이터를 제1 머신러닝 모델에 입력하여 주요 실내환경인자를 예측한다(S307).Next, the building energy saving device 100 generates one input data by performing pre-processing on the environmental data and driving data accumulated and collected for a predetermined time (S305), and converts the generated input data into a first Input to the machine learning model to predict major indoor environmental factors (S307).

이후, 건물에너지 절감 장치(100)는 S307 단계에서 예측된 주요 실내환경인자에 따른 대상 설비 별 제어신호를 생성한다(S309).Thereafter, the building energy saving device 100 generates a control signal for each target facility according to the major indoor environmental factors predicted in step S307 (S309).

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 건물에너지 절감 방법에서 에너지 절감량을 산정하기 위한 동작을 나타내는 순서도이다.9 is a flowchart illustrating an operation for calculating an energy saving amount in a building energy saving method according to an embodiment of the present invention.

도 9를 참조하면, 건물에너지 절감 장치(100)는 대상 설비 별 제어신호가 생성된 이후, 그 대상 설비 별 제어신호를 이용하여 제2 머신러닝 모델을 통해 예측 소비 전력을 산출하고(S311), 그 대상 설비 별 제어신호가 적용된 후, 그 실제 소비 전력을 확인한다(S313). Referring to FIG. 9, after the control signal for each target facility is generated, the building energy saving device 100 calculates predicted power consumption through a second machine learning model using the control signal for each target facility (S311), After the control signal for each target facility is applied, the actual power consumption is checked (S313).

그 다음으로, 건물에너지 절감 장치(100)는 S311 단계에서 산출된 예측 소비 전력 및 S313 단계에서 확인된 실제 소비 전력을 비교하여 실시간 에너지 절감량을 산정한다(S315).Next, the building energy saving device 100 compares the predicted power consumption calculated in step S311 and the actual power consumption confirmed in step S313 to calculate real-time energy savings (S315).

한편, 도 8 및 도 9에는 도시하지 않았으나, 건물에너지 절감 장치(100)는 S309 단계에서 생성된 제어신호에 대한 정보 및/또는 S315 단계에서 산정된 실시간 에너지 절감량에 대한 정보를 기 설정된 바에 따라 관리자 단말(300)로 송신할 수 있다.On the other hand, although not shown in FIGS. 8 and 9, the building energy saving device 100 transmits the information on the control signal generated in step S309 and/or the information on the amount of real-time energy savings calculated in step S315 according to a preset manager. It can be transmitted to the terminal 300.

상기한 바와 같이, 본 발명은 특정 영역의 측정 데이터를 그 특정 영역의 적어도 일부를 포함하거나 인접한 영역에서 측정한 다른 측정 데이터들을 이용하여 업스케일링함으로써 보다 정확하고 구체화된 데이터를 산출하도록 할 수 있다.As described above, the present invention can calculate more accurate and detailed data by upscaling measurement data of a specific area using other measurement data that includes at least a part of the specific area or is measured in an adjacent area.

한편, 본 발명의 실시예와 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계들은 하드웨어로 직접 구현되거나, 하드웨어에 의해 실행되는 소프트웨어 모듈로 구현되거나, 또는 이들의 결합에 의해 구현될 수 있다. 소프트웨어 모듈은 RAM(Random Access Memory), ROM(Read Only Memory), EPROM(Erasable Programmable ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM), 플래시 메모리(Flash Memory), 하드 디스크, 착탈형 디스크, CD-ROM, 또는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 잘 알려진 임의의 형태의 컴퓨터 판독가능 기록매체에 상주할 수도 있다.Meanwhile, steps of a method or algorithm described in relation to an embodiment of the present invention may be directly implemented as hardware, implemented as a software module executed by hardware, or implemented by a combination thereof. A software module may include random access memory (RAM), read only memory (ROM), erasable programmable ROM (EPROM), electrically erasable programmable ROM (EEPROM), flash memory, hard disk, removable disk, CD-ROM, or It may reside in any form of computer readable recording medium well known in the art to which the present invention pertains.

이상, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art to which the present invention pertains can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. you will be able to understand Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

10: 건물에너지 절감 시스템 100: 건물에너지 절감 장치
200: 적어도 하나의 설비 300: 관리자 단말
110: 통신모듈 130: 저장모듈
150: 제어모듈
10: building energy saving system 100: building energy saving device
200: at least one facility 300: manager terminal
110: communication module 130: storage module
150: control module

Claims (10)

통신모듈;
건물에너지 절감을 수행하기 위한 적어도 하나의 프로세스를 저장하는 메모리; 및
상기 적어도 하나의 프로세스를 기반으로 상기 건물에너지 절감을 수행하기 위한 동작을 수행하는 제어모듈을 포함하며,
상기 제어모듈은,
기 설정된 주기를 기반으로 대상 건물에 대한 환경데이터 및 상기 대상 건물에 포함된 적어도 하나의 대상 설비에 대한 운전데이터를 각각 수집하고, 기 설정된 기간 동안 누적되어 수집된 환경데이터 및 운전데이터를 이용하여 기 학습된 제1 머신러닝 모델을 통해 주요 실내환경인자를 예측하고, 상기 예측된 주요 실내환경인자에 따른 대상 설비 별 제어신호를 생성하는 것을 특징으로 하는,
인공지능 기반 건물에너지 절감 장치.
communication module;
a memory for storing at least one process for performing building energy saving; and
A control module that performs an operation for performing the building energy saving based on the at least one process,
The control module,
Based on a predetermined period, environmental data for a target building and operation data for at least one target facility included in the target building are collected, respectively, and the environment data and operation data accumulated and collected during a predetermined period are used to Characterized in that predicting major indoor environmental factors through the learned first machine learning model and generating control signals for each target facility according to the predicted major indoor environmental factors,
AI-based building energy saving device.
제1항에 있어서,
상기 제어모듈은,
상기 생성된 대상 설비 별 제어신호를 이용하여 기 학습된 제2 머신러닝 모델을 통해 예측 소비 전력을 산출하고, 상기 생성된 대상 설비 별 제어신호가 적용된 후의 실제 소비 전력을 상기 예측 소비 전력과 비교하여 실시간 에너지 절감량을 산정하는 것을 특징으로 하는,
인공지능 기반 건물에너지 절감 장치.
According to claim 1,
The control module,
The predicted power consumption is calculated through the previously learned second machine learning model using the generated control signal for each target facility, and the actual power consumption after the generated control signal for each target facility is applied is compared with the predicted power consumption. Characterized in calculating real-time energy savings,
AI-based building energy saving device.
제1항에 있어서,
상기 제어모듈은,
상기 환경데이터를 수집할 시,
실내환경인자를 포함하는 제1 환경데이터 및 실외환경인자를 포함하는 제2 환경데이터를 각각 수집하는 것을 특징으로 하는,
인공지능 기반 건물에너지 절감 장치.
According to claim 1,
The control module,
When collecting the above environmental data,
Characterized in that first environmental data including indoor environmental factors and second environmental data including outdoor environmental factors are respectively collected.
AI-based building energy saving device.
제1항에 있어서,
상기 제어모듈은,
상기 기 학습된 제1 머신러닝 모델을 통해 주요 실내환경인자를 예측하기 위해 상기 누적되어 수집된 환경데이터 및 운전데이터에 대한 전처리를 수행하여 하나의 입력데이터로 가공하는 것을 특징으로 하는,
인공지능 기반 건물에너지 절감 장치.
According to claim 1,
The control module,
Characterized in that, in order to predict major indoor environmental factors through the pre-learned first machine learning model, preprocessing is performed on the accumulated and collected environmental data and driving data to be processed into one input data.
AI-based building energy saving device.
제4항에 있어서,
상기 전처리는,
상기 누적되어 수집된 환경데이터 및 운전데이터에서 기 설정된 범위를 벗어나는 데이터를 0으로 치환하고 선형 보간법으로 보정하고, 상기 보정된 환경데이터에 대한 데이터 정규화를 통해 수행되는 것을 특징으로 하는,
인공지능 기반 건물에너지 절감 장치.
According to claim 4,
The pretreatment,
Characterized in that the cumulatively collected environmental data and operation data are substituted with 0 for data outside the preset range, corrected by linear interpolation, and data normalization is performed for the corrected environmental data,
AI-based building energy saving device.
제1항에 있어서,
상기 기 학습된 제1 머신러닝 모델은,
상기 대상 설비 간 교차영향관계 및 제어 대상 설비 군의 제어 상황에 따른 주요 실내환경인자의 변화에 대한 학습을 수행하여 생성된 것으로,
은닉층 깊이가 3이상으로 설계되고, 시계열 패턴을 반영하도록 하기 위해 Conv1D, LSTM(Long Short-Term Memory) 및 GRU(Gated Recurrent Unit) 중 적어도 하나의 알고리즘이 적용된 것임을 특징으로 하는,
인공지능 기반 건물에너지 절감 장치.
According to claim 1,
The pre-learned first machine learning model,
It was created by learning about changes in major indoor environmental factors according to the cross-influence relationship between the target facilities and the control situation of the control target facility group,
Characterized in that the hidden layer depth is designed to be 3 or more, and at least one algorithm of Conv1D, Long Short-Term Memory (LSTM), and Gated Recurrent Unit (GRU) is applied to reflect the time-series pattern,
AI-based building energy saving device.
제2항에 있어서,
상기 기 학습된 제2 머신러닝 모델은,
상기 환경데이터 및 상기 운전데이터와 에너지 소비량 간의 상관관계에 대한 학습을 수행하여 생성된 것으로,
은닉층 깊이가 3이상으로 설계되고, 층별 신경망 계열은 Conv1D, LSTM(Long Short-Term Memory) 및 GRU(Gated Recurrent Unit) 중 적어도 하나의 알고리즘이 적용된 것임을 특징으로 하는,
인공지능 기반 건물에너지 절감 장치.
According to claim 2,
The pre-learned second machine learning model,
It is generated by learning about the correlation between the environmental data and the driving data and energy consumption,
Characterized in that the hidden layer depth is designed to be 3 or more, and the layer-by-layer neural network series is applied with at least one algorithm of Conv1D, LSTM (Long Short-Term Memory), and GRU (Gated Recurrent Unit),
AI-based building energy saving device.
장치에 의해 수행되는, 인공지능 기반 건물에너지 절감 방법에 있어서,
기 설정된 주기를 기반으로 대상 건물에 대한 환경데이터 및 상기 대상 건물에 포함된 적어도 하나의 대상 설비에 대한 운전데이터를 각각 수집하는 단계;
기 설정된 기간 동안 누적되어 수집된 환경데이터 및 운전데이터를 이용하여 기 학습된 제1 머신러닝 모델을 통해 주요 실내환경인자를 예측하는 단계;
상기 예측된 주요 실내환경인자에 따른 대상 설비 별 제어신호를 생성하는 단계;
상기 생성된 대상 설비 별 제어신호를 이용하여 기 학습된 제2 머신러닝 모델을 통해 예측 소비 전력을 산출하는 단계; 및
상기 생성된 대상 설비 별 제어신호가 적용된 후의 실제 소비 전력을 상기 예측 소비 전력과 비교하여 실시간 에너지 절감량을 산정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
인공지능 기반 건물에너지 절감 방법.
In the artificial intelligence-based building energy saving method performed by the device,
Collecting environmental data for a target building and operation data for at least one target facility included in the target building, respectively, based on a predetermined cycle;
predicting key indoor environmental factors through a pre-learned first machine learning model using environmental data and driving data accumulated and collected for a predetermined period of time;
generating control signals for each target facility according to the predicted major indoor environmental factors;
calculating predicted power consumption through a pre-learned second machine learning model using the generated control signal for each target facility; and
Calculating real-time energy savings by comparing actual power consumption after the generated control signal for each target facility is applied with the predicted power consumption,
AI-based building energy saving method.
제8항에 있어서,
주요 실내환경인자를 예측할 시,
상기 기 학습된 제1 머신러닝 모델을 통해 주요 실내환경인자를 예측하기 위해 상기 누적되어 수집된 환경데이터 및 운전데이터에 대한 전처리를 수행하여 하나의 입력데이터로 가공하며,
상기 전처리는,
상기 누적되어 수집된 환경데이터 및 운전데이터에서 기 설정된 범위를 벗어나는 데이터를 0으로 치환하고 선형 보간법으로 보정하고, 상기 보정된 환경데이터에 대한 데이터 정규화를 통해 수행되는 것을 특징으로 하는,
인공지능 기반 건물에너지 절감 방법.
According to claim 8,
When predicting major indoor environmental factors,
In order to predict major indoor environmental factors through the pre-learned first machine learning model, preprocessing is performed on the accumulated and collected environmental data and driving data to process them into one input data;
The pretreatment,
Characterized in that the cumulatively collected environmental data and operation data are substituted with 0 for data outside the preset range, corrected by linear interpolation, and data normalization is performed for the corrected environmental data,
AI-based building energy saving method.
컴퓨터와 결합되어, 제8항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 인공지능 기반 건물에너지 절감 방법을 실행시키기 컴퓨터 판독 가능 기록매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.Combined with a computer, a computer program stored in a computer readable recording medium for executing the artificial intelligence-based building energy saving method according to any one of claims 8 to 9.
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