Model-based fault detection and diagnosis of HVAC systems

• Project/Area Number: 18K13879
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 23020:Architectural environment and building equipment-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 林 鍾衍 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (90773391)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2020: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2019: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2018: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: 異常検知診断 / 空調熱源システム / 深層学習 / 省エネ建築 / コミッショニング / 異常検知

Outline of Annual Research Achievements

本研究は「空調熱源システムの長期高効率運用のための異常検知診断モデルの開発」と題して、本来のシステム性能を発揮させた上で得られたデータに基づき正 常状態のシステム挙動を定義するとともに、そこらからのずれよりシステム異常を検知、またその原因を診断することで、性能低下によるエネルギー効率低下や 稼働停止等のリスクの削減を図る取り組みである。異常検知のためにはまずシステムの本来の性能を把握することが優先されるべきである。当該年度には比較的 シンプルな空調熱源システムの対象とし、そのシステム全体の挙動に対する再現度の高い物理モデルを構築した。そのシミュレーションを用いて、7種類の異常 ラベル付きデータセットを作成し，これを異常データベースとして学習データ・テストデータを用意した。次にこのデータベースを詳細に分析し，システム挙動 の異常が合理的に再現できているか確認した。そして，従来のニューラルネットワークに対して高い性能を発揮できる深層学習の代表的な手法である畳み込み ニューラルネットワーク（以下、CNN）に作成した学習データを与え、学習したCNNに作成したテストデータと実際の計測データを入力することで，CNNによる異 常検知診断を試みた。また、実際データに対するの検知診断の確からしさを高めるための、より適切なデータ前処理手法 を提案することと、提案したデータ前処理手法を採用して実際データに不具合検知診断を実施し、その有効性を明らかにした。

Research Products

• [Journal Article] Fault detection and diagnosis for heat source system using convolutional neural network with imaged faulty behavior data (2020)
  • Author(s): Miyata Shohei，Lim Jongyeon，Akashi Yasunori，Kuwahara Yasuhiro，Tanaka Katsuhiko
  • Journal Title: Science and Technology for the Built Environment Volume: 26 Issue: 1 Pages: 52-60
  • DOI: 10.1080/23744731.2019.1651619
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Fault Detection and Diagnosis in Building Heat Source Systems Using Machine Learning (2018)
  • Author(s): 宮田翔平、赤司泰義、林鐘衍、本村彬、田中勝彦、田中覚、桑原康浩
  • Journal Title: Transactions of the Society of Heating,Air-conditioning and Sanitary Engineers of Japan Volume: 43 Issue: 261 Pages: 1-9
  • DOI: 10.18948/shase.43.261_1
  • NAID: 130007757390
  • ISSN: 0385-275X, 2424-0486
  • Year and Date: 2018-12-05
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 建築熱源システムを対象としたデータ駆動型不具合検知・診断（第 1 報）BEMS データを用いた性能評価と不具合分析 (2018)
  • Author(s): 安達沙樹、赤司泰義、林鍾衍、宮田翔平、張淑芬、本村彬、田中勝彦、田中覚、桑原康浩
  • Organizer: 空気調和・衛生工学会大会
• [Presentation] 建築熱源システムを対象としたデータ駆動型不具合検知・診断（第 2 報）データクレンジングとしての BEMS データにおける欠損値補間 (2018)
  • Author(s): 張淑芬、赤司泰義、林鍾衍、宮田翔平、安達沙樹、本村彬、田中勝彦、田中覚、桑原康浩
  • Organizer: 空気調和・衛生工学会大会
• [Presentation] 建築熱源システムを対象としたデータ駆動型不具合検知・診断（第 3 報）熱源システムシミュレーションを用いた不具合の教師データベースの作成と分析 (2018)
  • Author(s): 本村彬、赤司泰義、林鍾衍、宮田翔平、安達沙樹、張淑芬、田中勝彦、田中覚、桑原康浩
  • Organizer: 空気調和・衛生工学会大会
• [Presentation] 建築熱源システムを対象としたデータ駆動型不具合検知・診断（第 4 報）畳み込みニューラルネットワークによる不具合の程度と複数不具合の診断 (2018)
  • Author(s): 宮田翔平、赤司泰義、林鍾衍、本村彬、安達沙樹、張淑芬、田中勝彦、田中覚、桑原康浩
  • Organizer: 空気調和・衛生工学会大会
• [Presentation] Model-based analysis and evaluation of sensor faults in heat source system (2018)
  • Author(s): Motomura, Akira; Miyata, Shohei; Akashi, Yasunori; Lim, Jongyeon; Tanaka, Katsuhiko; Tanaka, Satoru; Kuwahara, Yasuhiro
  • Organizer: ASIM 2018: The 4th IBPSA Asia Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Model-based fault diagnosis using convolutional neural networks in heat source system with water thermal storage tankModel-based fault diagnosis using convolutional neural networks in heat source system with water thermal storage tank (2018)
  • Author(s): Miyata, Shohei; Akashi, Yasunori; Lim, Jongyeon; Tanaka, Katsuhiko; Tanaka, Satoru; Kuwahara, Yasuhiro
  • Organizer: ASIM 2018: The 4th IBPSA Asia Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Missing data estimation using BPNN tuned by GA: Application of BEMS data with missing values (2018)
  • Author(s): Zhang, Shufen; Akashi, Yasunori; Lim, Jongyeon; Miyata, Shohei
  • Organizer: ASIM 2018: The 4th IBPSA Asia Conference
  • Int'l Joint Research