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Sistemas Ciber- Físicos
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Motivación: Ahorro Energético    Residential Energy Trends - Consumo                                                      ...
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Como reducir el consumo eléctrico residencial?                                 Algunas posibilidades…                     ...
Edificios Inteligentes     • Edificios Inteligentes pueden dividirse en 3 categorías:        – 1ra-generación: Numerosos s...
Por que CPS en edificios inteligentes?     • 2da generación de edificios inteligentes ofrece oportunidades para ahorros de...
3ra Generación de edificios inteligentes17
Non-Intrusive Load Monitoring (NILM)              Señales             eléctricas             (Potencia)                   ...
NILM: Enfoque basado en eventos eléctricos                                                              Señal de potenciaS...
Non-Intrusive Load Monitoring (NILM)     Información sobre el transiente eléctrico     Feature extraction                 ...
Non-Intrusive Load Monitoring (NILM): Desafíos       Tipos de cargas:      • Permanentes              - detectores de humo...
Non-Intrusive Load Monitoring (NILM)                   Example: House A                  15                               ...
Non-Intrusive Load Monitoring (NILM)23
Mirando al futuro          Principales tópicos de investigación         (Potenciales áreas de colaboración):• Modelado bas...
PREGUNTAS    ?
Sistemas Ciber-Físicos (Aplicaciones)       Backup Slides     CPS Aplicaciones
Sistemas Ciber-Físicos (Aplicaciones)              Medicina y Salud• Ficha electrónica de  pacientes, red de  hospitales, ...
Sistemas Ciber-Físicos (Aplicaciones)Sistemas de distribución Eléctrica•Situación Actual:Equipos de protección local, Fall...
Sistemas Ciber-Físicos (Aplicaciones)              Telemetría Automotriz•   En 2005, 30 – 90 procesadores por auto    Cont...
Modelaje y Predicción basado en Sensores (CPS)30
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Sistemas inteligentes de sensado diego benitez

  1. 1. Sistemas inteligentes de sensado y control para aplicaciones residenciales (Smart sensing and control for building applications) Diego Benitez PhD Investigador “Proyecto Prometeo” SENESCYT ESPE REDU Red Ecuatoriana de Universidades paraInvestigació n y Postgrados EPN, 2012
  2. 2. Contenido de esta Presentación• Introducción• Sistema Ciber-físico (CPS)definiciones• CPS en Edificios Inteligentes• NILM (Monitoreo de Energía de manera no-invasiva)• Conclusión: Principalestópicos de investigación
  3. 3. Motivación: Tendencias Cantidad de Información (Acceso a Información)Tamaño Complejidad 1948 Poder de Procesamiento 2012 2000 años 1930 Tiempo Hoy
  4. 4. Introducción: Computing Revolution Grandes computadoras para procesar grandes cantidades de informaciónMainframe computing (60’s-70’s) Una computadora en cada escritorio tanto para actividades personales como de negocios Desktop computing (80’s) Internet (90’s) 4
  5. 5. Introducción: Embedded computing (21st Century) Numero de microprocesadores: (unidades por año) • Millones (desktops) • Billones (procesadores embebidos) • “Invisible” parte integral del ambiente • Internet of things • Inteligencia Artificial • Machine learning • Data mining • Cyber Physical Systems (10’s) 5
  6. 6. Que es un sistema Ciber Físico?Sistema Ciber-físico (CPS) es un sistema que ofreceuna combinación estrecha (fusión) y coordinada entrelos elementos computacionales y físicos de unsistema Computing/Network Physical System Systems PLC s CPS Sen u te r rv e rs s or s Ro Se Dynamic Computing Systems Dynamic Computing Systems Dynamic Smart Sensors Dynamic Smart Sensors Cyber-Physical Systems RTU PC ps Con t o t roll Lap ers S RA IDPunto de convergencia de la computación, la comunicación y el control
  7. 7. Sistemas Ciber- Físicos
  8. 8. Sistemas Ciber-Físicos (Aplicaciones) Ahorro de EnergíaEarth at Night, NASA Satellite Photo, November 27, 2000
  9. 9. Motivación: Ahorro Energético Residential Energy Trends - Consumo Por sector: Source : Department of Energy, Annual Energy review 2011 (http://www.eia.gov/)9
  10. 10. Motivación: Ahorro Energético Residential Energy Trends - Consumo Tipo de energía: Source : Department of Energy, Annual Energy review 2011 (http://www.eia.gov/)10
  11. 11. Motivación: Ahorro Energético Residential Energy Trends – Consumo por tipo de aparato (Department of Energy, Annual Energy Outlook 2011)11
  12. 12. Motivación: Ahorro Energético Residential Energy Trends - Costos (Department of Energy, Monthly Energy Review 2011)12
  13. 13. Motivación: Ahorro Energético Residential Energy Trends – CO2 Emisiones (Department of Energy, Annual Energy Review 2011)13
  14. 14. Como reducir el consumo eléctrico residencial? Algunas posibilidades… • Mejorando/reemplazando artefactos eléctricos, mejorando el aislamiento de las edificaciones – Energy Star (luces, refrigeradoras, cocinas, lavadoras, etc) – Ahorro hasta del 30 % • Concientización (notificación de consumo al usuario) – Ahorro hasta del 15%) Consumer Powerline Home Joule The Wattson – Motivar al usuario a cambiar su “comportamiento de consumo” energético • Sistemas Integrados de automatización basados en horario (Junkers, Siemens, Hometronic)14
  15. 15. Edificios Inteligentes • Edificios Inteligentes pueden dividirse en 3 categorías: – 1ra-generación: Numerosos sub-sistemas independientes auto- regulados (Sistemas avanzados pero aun desconectados por ejemplo el sistema de control de Aire Acondicionado o sistemas de seguridad) – 2da-generación: Conjunto de sistemas de control de edificios pero ahora conectados entre si (sistemas de la 1ra generación controlados vía un horario o secuencia predefinida) – 3ra-generación: Incorporación de aprendizaje sobre el uso del edificio y sus ocupantes. Ajuste de parámetros de control de acuerdo al comportamiento o situación • Actualmente los productos en el mercado solo abarcan la primera y segunda generación15
  16. 16. Por que CPS en edificios inteligentes? • 2da generación de edificios inteligentes ofrece oportunidades para ahorros de energía significativos – Oportunidades de ahorro energético aun con estrategias relativamente simples tales como regulación de temperatura y control de niveles de iluminación por zonas – Hasta un 30% de ahorro (e.g., sistemas de control residenciales, Aprilaire, Home Comfort Zone) • Estos sistemas sin embargo dependen de horarios específicos de deben ser configurados por el usuario y a menudo son sub-optimizados – Muchos sistemas de control se dejan en los defaults de fabrica • 3ra generación de edificios inteligentes optimizara el uso de energía basado en el comportamiento observado y preferencias de sus ocupantes • Criterios de aceptación: – Instalación simple – Desempeño – Minima interfase/interferencia con el usuario – Posibilidad de corregir decisiones del sistema por parte el Usuario16
  17. 17. 3ra Generación de edificios inteligentes17
  18. 18. Non-Intrusive Load Monitoring (NILM) Señales eléctricas (Potencia) Determinar que Non-Intrusive Load Aparato Eléctrico Monitoring (NILM) produce la señal •Un Solo punto de medición •Desagregación de energía Aplicaciones de NILM En Colaboración con: Monitoreo y diagnóstico Patrón de Consumo eléctrico18
  19. 19. NILM: Enfoque basado en eventos eléctricos Señal de potenciaSeñal eléctrica Detección Feature Feature Clasificación de un Evento Extraction Selection del patrón Una ventana de x puntos es usada para el análisis Tipo de dispositivo19
  20. 20. Non-Intrusive Load Monitoring (NILM) Información sobre el transiente eléctrico Feature extraction Información de Magnitud Características Power Change ∆P Aumentadas Detection estadísticas Transformación de información Información sobre Feature selection la forma del transiente Construcción de vector de información asociado al evento (Feature selection) Power Pa,Pb,Qa,Qb Mean Variance Skewness Kurtosis Minimum Maximum Change20
  21. 21. Non-Intrusive Load Monitoring (NILM): Desafíos Tipos de cargas: • Permanentes - detectores de humo, wireless router • On/Off - la mayoría de los electrodomésticos • Multi-etapa - Hornos Oven, lavadora de ropa, TV • Variable - Dimmer de luces - Ventiladores Objetivo: Identificar el 80% de los mayores consumidores de energía21
  22. 22. Non-Intrusive Load Monitoring (NILM) Example: House A 15 # of Events in Ground Truth: 101 real power # of True Positives: 99 detected events # of False Alarms: 7 # of Misses: 2real power (kW) ground truth 10 misses # of Correct Classification: 95 false alarms Overall Accuracy: 88.0% (95/108) misclassification 5 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 time (minutes) Transientes Eventos no Eventos Separación Señal ruidosa largos etiquetados Múltiples pequeña22
  23. 23. Non-Intrusive Load Monitoring (NILM)23
  24. 24. Mirando al futuro Principales tópicos de investigación (Potenciales áreas de colaboración):• Modelado basado en información de sensores para predecir el comportamiento de consumo energético• Tecnologías de apoyo para las estrategias de automatización de edificios inteligentes• Optimización de recursos (manteniendo comodidad y reduciendo costos)• Control predictivo• Integración con sistemas existentes en edificios (calefacción, refrigeración, agua, electricidad, seguridad, etc)• Interacción con el usuario
  25. 25. PREGUNTAS ?
  26. 26. Sistemas Ciber-Físicos (Aplicaciones) Backup Slides CPS Aplicaciones
  27. 27. Sistemas Ciber-Físicos (Aplicaciones) Medicina y Salud• Ficha electrónica de pacientes, red de hospitales, etc• Salud en casa : monitoreo y control Sensores biométricos: medidores de pulso, ECG, monitores de glucosa, bombas de infusión, monitoreo de caídas, etc• Sala de operaciones Monitoreo y control de múltiple salas, robots para microcirugía
  28. 28. Sistemas Ciber-Físicos (Aplicaciones)Sistemas de distribución Eléctrica•Situación Actual:Equipos de protección local, Falla en cascada•Mejor futuroSistemas cooperativos de protección en tiempo realAuto-reparables, islas agregados de mayor potencia estableCoordinación de la distribución de energíade forma dinámica, optimización de recursos
  29. 29. Sistemas Ciber-Físicos (Aplicaciones) Telemetría Automotriz• En 2005, 30 – 90 procesadores por auto Control del motor, sistema de frenos, Airbags, wiper, cerradura de puertas, sistema de entretenimiento• Vehículos son tanto sensores como actuadores en V2V networks Redes activas para prevenir accidentes Sistemas de navegación autónomos• Sistemas de transporte en el futuro (visión) Sistemas de transporte tanto unipersonal como colectiva, tanto terrestre como aérea. Eficientes, seguros, estables mediante el uso de control y optimización en tiempo real
  30. 30. Modelaje y Predicción basado en Sensores (CPS)30

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