[논문]엘리베이터의 대기 전력 저감을 위한 퍼지제어기 설계

원화연; 강성진

doi:10.5762/kais.2013.14.5.2368

엘리베이터의 대기 전력 저감을 위한 퍼지제어기 설계
The design of fuzzy controller for a stand-by power saving of elevators 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.14 no.5, 2013년, pp.2368 - 2374

원화연 (한국기술교육대학교 전기전자통신공학과) , 강성진 (한국기술교육대학교 전기전자통신공학과)

초록
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엘리베이터의 전력은 대기 시에 소모되는 전력과 운행 시에 소모되는 전력으로 분류할 수 있다. 본 논문에서는 변화가 많은 승객의 교통량에 적절한 운행 대수를 계산하고 운행하지 않는 엘리베이터의 전원을 차단하여 엘리베이터의 대기전력을 저감시키는 퍼지제어기를 제안하였다. 또한 엘리베이터의 운행대수 제한에 의한 승객의 평균 대기시간의 증가도 최소화 하도록 퍼지제어기를 설계하였다. 본 논문에서 제안된 퍼지제어기를 그룹 엘리베이터 실험장치에서 실험하였을 때에 승객의 대기시간이 약 7.5%~9.5% 증가하였고, 한 대당 하루 약 675KWh의 대기전력 저감과 한 대당 년 간 약 236.6KWh의 엘리베이터 대기전력의 저감이 예상된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Elevator power consists of power consumption in stand-by and in service. This paper designed a fuzzy controller saving stand-by power of elevators in a way that calculates the adequate number of elevators by the variable traffic volume of passenger and then powers off elevators being out of service. Also, the fuzzy controller was designed to minimize a increase of the average passenger's waiting time by the limited number of elevators in service. When the fuzzy controller designed in this paper was applied to the group elevator experimental device, The passenger's waiting time increased approximately 7.5%~9.5%, While the stand-by power saving is expected to be about 675KWh a day per unit and about 236.6KWh a year per unit.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

엘리베이터는 서비스 없이 대기하고 있을 때에도 엘리베이터의 제어기판, 표시 장치와 조명, 엑츄에이터 등에서 지속적으로 전력을 소모하고 있다[5]. 본 논문에서는 이러한 대기전력을 퍼지로직을 이용하여 현재 승객의 이동 요청에 대한 필요한 엘리베이터 대수를 지능적으로 판단하여 그 외의 엘리베이터 호기에 대한 전원을 차단 하여 대기전원을 저감시키고, 승객의 엘리베이터 이용의 대기 시간의 증가를 최소화하는 퍼지제어기를 설계하였다. 퍼지제어기는 비선형의 복잡한 시스템을 간단히 모델링하여 적절한 값을 도출 할 수 있는 장점이 있다[6].
본 논문은 가상의 엘리베이터 시스템 실험 장치에서 설계된 퍼지제어기의 성능을 평가하였다. 실험 장치는 실시간으로 각 엘리베이터가 동작할 수 있도록 마이크로프로세서와 C언어를 이용하여 엘리베이터의 콜 할당과 주행 목적층을 제어하는 그룹제어기와 엘리베이터의 일련의 동작을 모사하는 임베디드 시스템 모듈로 구성되어 있다.

가설 설정

본 논문에서는 복원되는 시간을 1초로 가정하였다. 엘리베이터 제조사마다 이러한 복원되는 시간은 다를 수 있다.
운행으로 지정되지 않은 엘리베이터는 전력이 차단된 상황이므로, 그룹제어기로부터 운행 신호가 수신되기까지 동작하지 않는다. 본 실험에서 일반적인 엘리베이터 시스템의 대기 시에 소비되는 대기전력량은 엘리베이터의 전력 효율 평가에 사용되는 VDI 4707 기준(승강기에너지 효율 등급, Energy Efficiency Grade)의[9] A등급(50W)으로 가정하였고, 퍼지제어기에 의해서 전력이 차단되면, 0W의 전력이 소모되는 것으로 가정하였고, 전력의 복전 후에 운행 가능 상태까지 복귀 시간은 1초로 가정하여 실험하였다.

제안 방법

1과 같다. Fig. 1에서 그룹제어기에서 퍼지제어기를 이용하여 운행호기의 대수를 선정하고 운행하지 않는 호기에 대해서 그룹제어기는 콘텍터를 이용하여 건물에서 공급되는 3상 전원으로부터 엘리베이터의 각 부품에 220VAC를 공급하는 전송선로를 차단하여 엘리베이터의 대기전력이 발생하지 않도록 하였다. 전원 차단 후에 전원의 복전 시에 엘리베이터가 운행 할 수 있는 상태까지 복원되는 시간은 매우 짧아야 한다.
각 호기는 그룹제어기의 정보에 따라서 엘리베이터를 운행하고, 그에 따른 운행거리와 전력 차단으로 인한 정지시간과 운행하며 발생된 평균 홀콜 대기시간과 평균 탑승하중을 그룹제어기에 전송한다. 그룹제어기는 각 호기로부터 수신 받은 평균 홀콜 대기시간과 평균 탑승하중의 정보를 제안된 퍼지제어기를 통해 운행 대수를 지정한다.
각 호기는 그룹제어기의 정보에 따라서 엘리베이터를 운행하고, 그에 따른 운행거리와 전력 차단으로 인한 정지시간과 운행하며 발생된 평균 홀콜 대기시간과 평균 탑승하중을 그룹제어기에 전송한다. 그룹제어기는 각 호기로부터 수신 받은 평균 홀콜 대기시간과 평균 탑승하중의 정보를 제안된 퍼지제어기를 통해 운행 대수를 지정한다. 운행으로 지정되지 않은 엘리베이터는 전력이 차단된 상황이므로, 그룹제어기로부터 운행 신호가 수신되기까지 동작하지 않는다.
본 논문에서 설계된 퍼지제어기의 규칙의 타당성을 검증하기 위하여 3차원 곡면 그래프에서 퍼지제어기의 추론 결과를 확인하고 가상의 엘리베이터 환경에서 논문에서 설계된 퍼지제어기의 성능을 실험하였다.
이때 발생되는 그룹 내의 평균 홀콜 대기시간과 전체 평균 탑승하중을 계산하여 설계된 퍼지제어기에 입력한다. 설계된 퍼지제어기는 입력되는 평균 홀콜 대기시간과 전체 평균 탑승하중에 따라 적절한 운행 호기 대수를 출력하고, 이 대수에 따라서 그룹제어기는 엘리베이터의 전력을 복귀 혹은 차단시킨다.
실험은 가상의 그룹 엘리베이터 실험 환경에서 승객의 교통량의 변화, 운행 대수의 변화, 평균 탑승화중의 변화에 대해 일반적인 그룹 엘리베이터 시스템(General group elevator system, GGES)과 제안된 퍼지제어기가 적용된 그룹 엘리베이터 시스템(Proposed group elevator system, PGES)의 결과 값을 측정하고 비교하였다. 각 실험의 조건은 Table 2와 같이 가정하였으며.

대상 데이터

본 논문은 가상의 엘리베이터 시스템 실험 장치에서 설계된 퍼지제어기의 성능을 평가하였다. 실험 장치는 실시간으로 각 엘리베이터가 동작할 수 있도록 마이크로프로세서와 C언어를 이용하여 엘리베이터의 콜 할당과 주행 목적층을 제어하는 그룹제어기와 엘리베이터의 일련의 동작을 모사하는 임베디드 시스템 모듈로 구성되어 있다. 각 모듈은 CAN통신을 통하여 정보를 송, 수신하고 그룹제어기는 PC와 Serial 통신(RS-232)을 이용하여 정보를 송, 수신 한다.

이론/모형

본 논문에서 멤버쉽 함수는 삼각함수를 이용하였다. 삼각함수는 계산식이 간단하고 속도가 빠르기 때문이다 [7,8].
본 논문의 퍼지제어기는 맘디니의 추론법을 이용해 연산하였다. 맘디니의 추론 법은 계산이 비교적 단순하여 연산 속도가 빠르다.
비퍼지화는 대부분의 퍼지제어기에서 사용되는 무게중심법(Center of Gravity Method)을 이용하였다[7,8]. 식(5)는 본 논문에서 사용된 변형된 무게중심법을 나타내고 있다.

성능/효과

2. 운행 호기수가 제한되지만 승객의 대기시간의 증가를 최소화한다.
3. 운행 호기수의 제한에 대한 알고리즘으로 기존의 한정된 엘리베이터 대 수 내에서 홀 콜을 엘리베이터에 할당하는 엘리베이터 그룹제어 알고리즘에 적용 가능하다.
승객의 대기시간은 승객의 교통량이 적을 때에 표 3,5에서 PGES의 시간이 GGES의 시간에 비해 대략 40∼50% 증가함을 보이나, 그만큼 전체 전력차단 시간이 증가되었다.
실험 결과의 측정 결과를 가지고, 승강기에너지효율등급(VDI 4707)이 A등급인 엘리베이터에서 일반그룹 엘리베이터(GGES)의 대기전력량이 50W이고 제안된 그룹 엘리베이터(PGES)에서 전력이 차단되었을 때에 소모전력이 0W로 가정하고, 평일의 경우 혼잡시간은 2시간, 평상시간은 12시간, 한산시간은 10시간으로 하고 주말은 한산 시간을 24시간으로 가정하였을 때에 하루당, 연간 저감되는 대기전력은 Table 7과 같이 예상할 수 있다.

후속연구

추후 과제로 적절한 tc값을 찾는 일련의 과정을 모델링하여 건물 관리자의 시행착오를 줄이는 방법과 전력의 극대화를 위해 최적화된 그룹 할당 알고리즘과의 결합을 하면 좀 더 좋은 결과를 얻을 수 있을 것으로 예상되며, 승객의 대기시간의 최소화가 크게 요구되는 상업용 건물에도 적용이 가능할 것으로 예상한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	엘리베이터가 서비스 없이 대기하고 있을 때에는 어떤 곳에서 전력을 소모하는가?	엘리베이터는 서비스 없이 대기하고 있을 때에도 엘리베이터의 제어기판, 표시 장치와 조명, 엑츄에이터 등에서 지속적으로 전력을 소모하고 있다[5]. 본 논문에서는 이러한 대기전력을 퍼지로직을 이용하여 현재 승객의 이동 요청에 대한 필요한 엘리베이터 대수를 지능적으로 판단하여 그 외의 엘리베이터 호기에 대한 전원을 차단 하여 대기전원을 저감시키고, 승객의 엘리베이터 이용의 대기 시간의 증가를 최소화하는 퍼지제어기를 설계하였다.
	퍼지제어기의 장점은 무엇인가?	본 논문에서는 이러한 대기전력을 퍼지로직을 이용하여 현재 승객의 이동 요청에 대한 필요한 엘리베이터 대수를 지능적으로 판단하여 그 외의 엘리베이터 호기에 대한 전원을 차단 하여 대기전원을 저감시키고, 승객의 엘리베이터 이용의 대기 시간의 증가를 최소화하는 퍼지제어기를 설계하였다. 퍼지제어기는 비선형의 복잡한 시스템을 간단히 모델링하여 적절한 값을 도출 할 수 있는 장점이 있다[6]. 또한, 승객에 의해서 발생되는 홀콜과 승객의 목적층은 불확실하여 최적의 의사결정을 도출하기 어렵다[10].
	본 논문에서 설계한 퍼지제어기의 효과는 무엇인가?	1. 변화하는 교통량에 적절하게 운행 호기수를 제한하여 대기전력을 저감시킨다. 2. 운행 호기수가 제한되지만 승객의 대기시간의 증가를 최소화한다. 3. 운행 호기수의 제한에 대한 알고리즘으로 기존의 한정된 엘리베이터 대 수 내에서 홀 콜을 엘리베이터에 할당하는 엘리베이터 그룹제어 알고리즘에 적용 가능하다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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