Prediktivní řízení budov – Teorie řízení šetří milióny

V roce 2010 aplikovali vědci z katedry řídicí techniky FEL ČVUT jako první v Evropě efektivní metodu, jak ušetřit náklady na vytápění budov. Systém tzv. prediktivního řízení nasadili přímo v komplexu budov ČVUT na adrese Technická 2, kde se od té doby neustále zdokonaluje. Z vyhodnocení v červenci 2017 vyplývá, že za sedm let provozu univerzita ušetřila na vytápění 5,6 milionů Kč, což znamená průměrnou úsporu 18 % (800 000 Kč) za topnou sezónu. Metoda poprvé použitá v Česku se od té doby rozšířila po světě a související články českých vědců patří k nejcitovanějším v oboru.

Prediktivní řízení - známé také jako Model Predictive Control či pod zkratkou MPC – je moderní pokročilá metoda automatického řízení. V 80. let 20. století se začala heuristicky používat pro řízení průmyslových procesů v chemických provozech a rafineriích ropy. Hlavní výzkumné úsilí začíná až v 90. letech zapojením sofistikované matematiky zejména pro hledání důkazů a vysvětlení úspěšného chování a zkoumání vlastností této metody. Teprve poté byla navržena další výrazná vylepšení a modifikace, postupně rozšiřující využitelnost metody v dalších průmyslových odvětvích.

MPC využívá znalost matematického modelu řízeného procesu - odtud písmeno M ve zkratce. Obvykle začíná s jednoduchým empirickým modelem a v průběhu řízení ho mění a vylepšuje průběžnou identifikací. Dalším nezbytným prvkem metody je odhad – Predikce – budoucích poruch, požadavků na chování, a všech možných dalších externích signálů a veličin ovlivňujících proces a jeho řízení. Tato – jako by dokonalá – znalost řízeného procesu přes jeho model a – jako by spolehlivé – předpovídání blízké i daleké budoucnosti teoreticky umožnuje zapojit složité optimalizační algoritmy a jimi navrhnout dokonalé budoucí chování celého procesu a hlavně k němu nezbytné optimální řídicí zásahy. Takže se taková až do daleké budoucnosti nejlepší možná posloupnost řídicích zásahů vypočte – a pak se z ní provede se jen jediný krok – právě ten první!. Druhý, a ani žádný další krok se už neprovede – neboť přirozeně nikdo doopravdy nevěří, že budoucnost bude právě taková, jak jsme při výpočtu předpokládali. Podobně nikdo nevěří, že model použitý pro výpočet je absolutně přesný. Co tedy uděláme dál? Nejprve změříme výstup procesu a případně podle něj upravíme a upřesníme model. Dále změříme všechny současné - a tedy skutečné – hodnoty externích signálů a veličin, a podle nich upravíme jejich predikce do budoucna. No, a když tohle vše máme – tak prostě zopakujeme znovu celý ten složitý postup pěkně od začátku, ale teď s novými a aktuálnějšími hodnotami. A zas použijeme jediný krok. A pak to celé znovu, a znovu a znovu – pořád dokola. 

Opakovaně provádíme složité výpočty, a velkou většinu jejich výsledků pak rozmařile zahazujeme. Ano, to je prediktivní řízení – až naivně odvážné při návrhu a současně extrémně opatrné při realizaci. Zdravý rozum nám říká, že to fungovat může, a také první pokusy tomu nasvědčovaly – přesto trvalo mnoho let, než se začalo dařit dokázat globální konvergenci celého procesu a tak vůbec ospravedlnit použití tohoto přístupu.

Jako vše, také MPC má nevýhody. Výpočet v každém kroku dost dlouho trvá, takže se metoda dosud používá jen pro pomalé procesy, u kterých je na to čas. Přestože se postupem času zrychluje hardware i algoritmy, pořád je vhodnější pomalejší procesy s periodami vzorkování v minutách než pro ty rychlé v milisekundách. Další nevýhoda je metodická. Celý ten postup často funguje, ale my ani nevíme proč. Většinou ani nepřináší žádný vhled a porozumění procesu a jeho řízení. Tudíž často netušíme, kdy to fungovat přestane, proč to přestane a jak daleko od takového stavu jsme.

Katedra řídicí techniky se výzkumu a vývoji prediktivního řízení věnuje už řadu let, jak teorii (Sam Prívara, Milan Korda, Eva Žáčeková), a i v aplikacích, zejména pro řízení vytápění budov (Lukáš Ferkl, Jirka Cigler). V této oblasti jsme se dostali mezi nejvýznamnější výzkumné skupiny na světě, vedle ETH Zurich (Manfred Morari a jeho skupina) and UC-Berkeley  (Francesco Borrelli a jeho lab), se kterým jsme úspěšně spolupracovali formou společných projektů, společných publikací a pobytů našich doktorandů). Z evropských skupin jsme nejblíže belgické KU Leuven a německé TU Mnichov. MPC je pro řízení vytápění velmi vhodné, protože u takových procesů vystačíme s periodami vzorkování kolem půl hodiny. Úspěšně jsme na několika konkrétních budovách v Praze, Mnichově a Leuven. O to podrobněji hovoří právě článek „ČVUT díky nové metodě ušetřilo milióny za vytápění“ na Novinky.cz .

MPC se ale postupně šíří i do dalších technických oborů: Naši významní absolventi a doktorandi Dan Pachner a Jarda Pekař, kteří dnes pracují ve výzkumu firmy Honeywell, se nedávno proslavili úspěšným použitím MPC metod pro řízení automobilových motorů a dokonce za to dostali významnou Cenu za průmyslový úspěch od Mezinárodní federace automatického řízení IFAC na Světovém kongresu v Toulouse. O tom ale podrobněji píšeme v předchozí aktualitě.