[논문 리뷰] Benchmarks for cyber-physical systems: A modular model library for building automation systems (Extended version)

Nathalie Cauchi, Alessandro Abate|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 16.

Building Energy and Comfort Optimization참고 문헌 11인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 건물자동화시스템(BAS)을 위한 모듈형이고 오픈소스인 모델 라이브러리를 제시하며, 이는 사이버물리시스템(CPS)의 기준으로서 물리적 역학과 이산 제어 논리를 통합한다. 이 라이브러리는 확률성, 비선형성, 다수의 연속 및 이산 상태를 포함한 복잡한 하이브리드 모델을 가능하게 하며, 옥스포드 BAS 테스트베드에서 확보한 실제 데이터를 활용한 시뮬레이션, 도달 가능성 분석, 제어 합성에 대한 세 가지 사례 연구를 통해 성능을 입증한다.

ABSTRACT

Building Automation Systems (BAS) are exemplars of Cyber-Physical Systems (CPS), incorporating digital control architectures over underlying continuous physical processes. We provide a modular model library for BAS drawn from expertise developed on a real BAS setup. The library allows to build models comprising of either physical quantities or digital control modules.% which are composable. The structure, operation, and dynamics of the model can be complex, incorporating (i) stochasticity, (ii) non-linearities, (iii) numerous continuous variables or discrete states, (iv) various input and output signals, and (v) a large number of possible discrete configurations. The modular composition of BAS components can generate useful CPS benchmarks. We display this use by means of three realistic case studies, where corresponding models are built and engaged with different analysis goals. The benchmarks, the model library and data collected from the BAS setup at the University of Oxford, are kept on-line at https://github.com/natchi92/BASBenchmarks.

연구 동기 및 목표

• 다양한 CPS 분석 과제를 지원하는 재사용 가능하고 모듈형 BAS 모델 라이브러리 개발을 목적으로 한다.
• 하이브리드 역학, 확률성, 다수의 구성 설정을 포함한 현실적인 복잡한 CPS 기준을 만들기 위한 과제를 해결한다.
• 표준화되고 확장 가능한 프레임워크를 통해 검증 및 합성 도구와의 원활한 통합을 가능하게 한다.
• 재현 가능성과 기준 측정을 위해 모델, 시뮬레이션 데이터, 사례 연구를 공개한다.
• 스마트 빌딩에서의 열 제어, 안전성 검증, 최적 제어 전략 합성 분야의 연구를 지원한다.

제안 방법

• 모델 라이브러리는 옥스포드 대학교의 이존 BAS 테스트베드에서 확보한 실제 데이터를 사용하여 물리 원리에 기반하여 구축되고 검증된다.
• 컴ponent는 열역학적 역학을 나타내기 위해 저항-커패시터(RC) 네트워크를 사용하여 모델링되며, 대수 및 미분 방정식이 연속 역학을 정의한다.
• 이산 제어 모드(예: 팬 속도, 믹서 위치)와 물리적 구성 요소를 조합하여 하이브리드 모델을 구성하며, 경계 조건과 이산 전이에 의해 제어된다.
• 시스템 역학은 존 및 공급 공기 온도에 대한 미분 방정식으로 정의되며, 입력은 이산 모드(예: 공기 유량, 공급 온도)에 따라 달라진다.
• 연속 시간을 갖는 하이브리드 모델을 대상으로 SpaceEx를 사용하여 도달 가능성 분석을 수행하여 시간에 따른 안전성 및 성능 검증을 가능하게 한다.
• 다양한 분석 목표에 걸쳐 확장성과 재사용성을 보장하기 위해 모델을 모듈형으로 조합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 다양한 CPS 분석 과제를 지원할 수 있는 모듈형이고 재사용 가능한 모델 라이브러리를 설계할 수 있는가?
• RQ2 BAS 모델의 복잡성을 정의하는 주요 모델링 상충 요소(확률성, 차원 수, 이산 모드)는 무엇인가?
• RQ3 현실적인 물리적 역학과 제어 논리를 포함한 하이브리드 모델이 도달 가능성 분석 및 제어 합성에 효과적으로 활용될 수 있는가?
• RQ4 실제 세계 데이터의 통합이 모델 정확도와 기준 측정을 위한 유용성에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 이 모델 라이브러리가 검증 및 합성 도구 비교를 위한 공통 플랫폼으로 얼마나 효과적으로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 이 라이브러리는 최대 다섯 개의 이산 모드와 다수의 연속 변수를 포함한 복잡한 하이브리드 BAS 모델을 성공적으로 구성할 수 있으며, 현실적인 시스템 표현을 가능하게 한다.
• SpaceEx를 사용한 도달 가능성 분석 결과, 시스템이 설정값 범위 내에서 열적 편안함을 유지할 수 있음을 확인하였으며, 初기 온도가 편안 범위 내에 있을 경우 궤적은 (O, −) 모드로 안정화됨을 입증하였다.
• 편안 기준 이하에서 시작할 경우, 시스템은 (O, −)에서 (H, Op)로, 그 다음 (M, Op)로 전이된 후 다시 (O, −)로 돌아오는 동적 전이를 보이며 적응형 제어 행동을 나타내었다.
• 이 라이브러리는 SpaceEx와 같은 공식 도구와의 원활한 통합을 가능하게 하여 공식 검증 및 제어 합성의 실현 가능성을 입증하였다.
• GitHub에 공개된 라이브러리는 검증된 모델, 실제 센서 데이터, 사례 연구를 포함하고 있어 재현 가능성과 도구 비교를 지원한다.
• 하이브리드 모델은 다양한 환경 조건에서 팬 속도 및 믹서 위치와 같은 이산 제어 조작과 연속적인 열역학적 역학 간의 상호작용을 정확히 포착하였다.