2º SIMPÓSIO BRASILEIRO DE AUTOMAÇÃO INTELIGENTE CEFET-PR, 13 a 15 de Setembro de 1995 Curitiba Paraná

Sistemas 'Especialistas em Predição de Eventos

Wilmar Sauner Junior

Centro Federal de Educação Tecnológica do Estado do Paraná (CEFET-PR) Avenida Sete de Setembro 3165 Curitiba - Paraná - 80230 - 90 I email: wsjr@cpgei.cefetpr.br

Sumário

A evolução da automação predial implica em uma crescente implantação de dispositivos eletrônicos que necessitam de sistemas especialistas para controlá-los. Estes sistemas para se tornarem capazes de aprenderem os costumes dos moradores necessitam incorporar um método de predicação de eventos, com este recurso é possível personalizar os apartamentos segundo os hábitos dos moradores. Neste trabalho serão abordados mais especificamente dois campos de atuação: controle do sistema ar condicionado e controle dos elevadores.

1 Introdução

A automação predial está evoluindo no intuito de tornar o edifício inteligente, como um todo, mais confortável, seguro e se possível mais econômico que os tradicionais. Para possibilitar esta inovação são incorporados dispositivos eletrônicos nos prédios, implicando na necessidade da construção de sistemas de controles. Uma das primeiras sugestões derivou da popularização dos controles remotos, tornando-se inviável a longo prazo pela crescente quantidades de dispositivos. Chegando ao absurdo do apartamento do futuro possuir uma mesa de controle central onde o morador confortavelmente sentará e poderá dirigir toda a residência.

Para contornar este problema e construir uma moradia livre de controles remotos, deve-se projetar e construir centrais de controle que sejam programadas para responderem a determinados estímulos da mesma forma que o morador agiria. Existem situações em que a ação não é imediata como é o caso do sistema de ar condicionado que necessita de um determinado tempo para climatizar o ambiente. Estas situações podem ser controladas por sistemas especialistas em predição de eventos que estimam o horário mais provável em que o morador deve chegar.

É importante ressaltar que o emprego de dispositivos inteligentes capazes de se auto governarem, subordinados primeiramente aos comandos dos moradores e depois aos estímulos ocorridos devido a fatores externos. Portanto, as unidades de controle devem agir por contra própria até receberem um estímulo do meio externo ou receberem um contra ordem do morador. Estão contidos nestes sistemas, os especialistas em predição de eventos que contém todas as características dos sistemas especialistas em geral e ainda possuem um subsistema especialista interno que coleta dados, que serve de base para o sistema estimar as suas ações. Sistemas com estas características possuem aplicações práticas relacionadas com o controle do sistema de ar­condicionado dos apartamentos e o controle dos elevadores. Sua principais vantagens recaem no conforto proporcionalizado pela personalização dos apartamentos e na economia de energia proporcionada.

2.1 Controle do Ar Condicionado.

2.1.2 Escopo do Problema Defmir o horário de acionamento do ar condicionado para concluir a climatização do ambiente poucos

minutos antes da chegada dos moradores. As temperaturas dos ambientes são previamente definidas pelos moradores e a chegada do morador é indicada pela utilização do seu cartão magnético para abrir a porta.

2.2 Variáveis embutidas - número de moradores - horários de chegada dos moradores - temperatura ambiente(uma para cada cômodo)

214

2.3 Constantes - potência do ar condicionado

22 SIMPÓSIO BRASILEIRO DE AUTOMAÇÃO INTELIGENTE

- área das salas a serem climatizadas, respectivas temperaturas e moradores que as utilizam.

2.4 Sistema Este sistema permite a climatização diferenciada dos cômodos, tanto no horário de acionamento como

na temperatura, portanto a área comum a todos será climatizada contando com o primeiro a retomar e os demais cômodos apenas quando os seus ocupantes chegarem.

O primeiro cálculo é estimar tempo necessário para climatizar os ambientes, bastando relacionar a temperatura ambiente, com a potência do ar condicionado e o tamanho da sala. O valor resultante de ser subtraído do tempo estimado para chegada do morador.

Abaixo são apresentados alguns métodos para estimar este tempo:

2.5 Métodos de Predição

2.5.1 Média aritmética Este método consiste em ativar o sistema no tempo médio de chegada do morador, aplicando-se a

média entre o horário de acendimento e os novos valores. Na prática tem-se que aproximadamente 50% das vezes que o sistema é acionado após a chegada do morador.

2.5.2 Horário Inicial Utiliza-se o menor horário(mais cedo) que o morador chegou como horário padrão para acionamento. A

sua falha provem no gasto excessivo de energia e na ausência de tratamento de exceções. Uma falha típica é o caso de uma única chegada, uma hora antes do horário de acionamento. Ao aplicar-se este método, o novo horário de acionamento será adiantado defmitivamente em uma hora.

2.5.3 Média Ponderada Estipula-se um peso para o horário de acendimento e outro para o novo horário. As suas desvantagens

incluem a inexistência de tratamento de exceções e a demora ou na excessiva velocidade com que os horários são atualizados ( dependendo dos pesos adotados).

2.5.4 Sauner O método é dividido em duas etapas, a primeira consiste em estudar o horário para determinar se este é

uma exceção ou não,atribuindo-se um peso e a segunda consiste em efetuar uma média ponderada entre o horário de acendimento e o novo horário.

O peso atribuído na primeira etapa está relacionada a diferença do novo valor com a faixa nonnal de valores do morador e quantas vezes esta situação ocorreu (no mês ou semana), baseado nestas informações arbitram-se os pesos. Como regra geral tem-se que quanto mais afastado da faixa padrão de valores maior será o peso do novo valor, porém caso este horário esteja se repetindo arbitra-se um peso muito baixo para o horário médio de acendimento para mudar rapidamente a faixa de horários.

A segunda etapa é encarregada de efetuar a média ponderada, conforme a seguinte fórmula:

Hacendimento = (Hmédio_acendimento·Peso + Novo_horário) / (1+ Peso)

Como este método utiliza apenas operações matemáticas básicas, os cálculos são simples, o denominador nunca é zero e muitas outras vantagens no intuito de possibilitar a sua implantação até nos microcontroladores mais simples e com pouca memória.

Deve-se comentar que o objetivo deste sistema não é acertar sempre o horário de chegada, mas sim estabelecer um horário que acerte na grande maioria das vezes. Na prática com este método o apartamento estará climatizado poucos minutos antes da chegada do seu proprietário, proporcionando conforto e economizando o máximo possível de energia.

2.6 Comparação dos Métodos

Foi gerada uma sequência de sete horários aleatórios para amostrar a chegada do morador

7:30 - 7:23 - 7:31 - 7:25 - 7: 27 - 7:29 - 7:15

. ........

2! SIMPÓSIO BRASILEIRO DE AUTOMAÇÃO INTELIGENTE

Após filtrar esta faixa de horários chegou-se aos seguintes horários médios de acendimento

Média Aritmética Horário Inicial Média Ponderada Sauner Hacendimento 7:26 7:15 7:26 7:26

Serão adotados 4 valores críticos para analisar o comportamento dos métodos 1) 5:30 2) 7:50 3) 8:30 4) 7:30

2.6.1 Média Aritmética

Hmorador Antecipação do Sistema Novo Horário de Acendimento(h) 7:26 7: 2 6 5:30 6: 28 7:50 1 h e 22 minutos 7: 09 8:30 Ih e 21 minutos 7: 4 9 7:30 7 :40

Nota-se que o horário de acendimento perde-se com as anomalias.

2.6.2 Horário Inicial

Hmorador Antecipação do Sistema Novo Horário de Acendimento(h) 7:26 7 :26 5:30 5: 3 O 7:50 2h e 20 minutos 5: 3 O 8:30 3h e 20 minutos 5: 3 0 -7:30 2h 5: 3 O

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, . .. Qualquer horário de acendlmento anômalo que altere o horano de acendlmento desestablhza todo o

sistema.

2.6.3.1 Média Ponderada Adotou-se peso 7 para o horário médio de acendimento

Hmorador Antecipação do Sistema Novo Horário de Acendimento(h) 7:26 7: 2 6 5:30 7: I I 7:50 39 minutos 7: I 6 8:30 Ih e 14 minutos 7: 2 5 7:30 5 minutos 7: 2 6

A utilização de um peso elevado torna o sistema menos susceptível a anomalias, porém muito lerdo, caso o horário de acendimento altere-se.

2.6.3.2 Média Ponderada Adotou-se peso 3 para o horário médio de acendimento

Hmorador Antecipação do Sistema Novo Horário de Acendimento(h) 7:26 7 :26 5:30 6: 5 7 7:50 53 minutos 7: 1 O 8:30 Ih e 20 minutos 7: 3 O 7:30 7: 3 O

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A utilização de um peso elevado toma o sistema mais susceptível a anomalias, alterando constantemente o horário de acendimento.

2.6.4 Método Sauner

Hmorador Antecipação do Sistema Peso adotado Novo Horário de Acendimento(h) 7:26 1 7: 26 5:30 300 7: 26 7:50 24 minutos f 6 7 :29 8:30 Ih e 1 minuto 100 7: 3 O 7:30 7 : 3 O

A grande vantagem deste método é a propriedade pelo qual o horário de acendimento pennanece ' constante não sendo deturpado por anomalias. Outra vantagem recai sobre a capacidade de ajustar-se rapidamente a novos horários. Como pode ser observado no exemplo abaixo:

Hmorador Antecipação do Sistema Peso adotado Novo Horário de Acendimento(h) 7:26 1 7 :26 8:30 1 h e 4 minutos 310 7: 26 8:35 I h e 9 minutos 0,003 8: 3 5 8:27 O, O 3 8: 2 7 8:30 3 minutos 2 8: 2 8

. Como a primeira etapa deste método é totalmente flexível não há impedimento para determinar faixas de variações e respectivos resultados, chegando a uma personalização por prédio e não por método como é caso dos métodos anteriores.

Também é importante ressaltar que o peso não é linear variando em função de faixas de valores e de sua variação (+ ou -), conforme pode-se constatar no exemplo abaixo: '

Faixa Variação (+ ou -) Peso Hmédio - Hnovo Hfinal 1 minuto + 1,1 7:29 - 7:30 7:29 1 minuto - 0,9 7:30 - 7:29 7:29

2.7 Considerações Finais Deve-se acrescentar um consideração muito importante sobre a aplicação da climatização automática:

A climatização automática só é vantajosa quando o morador consegue manter uma certa regularidade'no horário de chegada, mantendo-se um uma faixa de variação máxima de uma a uma hora e meia. Portanto, este recurso só deve ser utilizando nesta condição, o seu uso em condições impróprias resulta em gastos excessivos de energia.

3.1 Controle dos Elevadores

3.1.2 Escopo do Problema Monitorar as chamadas dos elevadores e posicioná-los de uma maneira a minimizar o seu

deslocamento e minimizar o tempo de espera dos moradores, distribuindo proporcionalmente o serviço.

3.2 Variáveis Embutidas - uma função que relaciona horário de chamada com andares - uma função que relaciona horário de funcionamento com os andares que o elevador atenderá.

3.3 Constantes - número de elevadores - número de andares do prédio - tempo médio de espera(por faixa de horário).

2! SIMPÓSIO BRASILEIRO DE AUTOMAÇÃO INTELIGENTE

3.4 Sistema

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Este sistema pennite que os elevadores sejam distribuídos de uma maneira que atendam os chamados atendendo ao tempo máximo de espera. Assim, nos horários de rush todos os elevadores estarão em pleno funcionamento para atender ao tempo médio de espera e nos horários de pouca utilização alguns elevadores estarão desativados ocasionando um tempo de espera maior. Caso ocorra um pique de utilização neste horário, o sistema acionará os elevadores que estavam desativados para garantir que o tempo de espera médio seja mantido. O sistema como um todo é composto de quatro etapas, porém estas etapas estabelecem subsistemas completos, portanto sisteméls de controles de edifícios mais simples podem optar por utilizarem apenas a primeira ou segunda etapa.

3.5.1 1° Etapa A primeira etapa consiste em analisar as faixas de horários do prédio que tem maior movimento,

confonne exemplificado no gráfico.

50

40

30

20

10

O

~V" ~ ~

/ r\ \ \

Gráfico do Número de Chamadas X Horário

~ ~ ~ ~ " ~ ~ / ~ ~~

""111'

6:30 7:00 7:30 8:00 8:30 9:00 9:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30

E importante ressaltar que quanto menor o intervalo entre dos horários mais preciso é o sistema. Um intervalo de 30 minutos é fornece a menor precisão possível, porém necessita de annazenar menos variáveis o que possibilita a sua implantação em microcotroladores com 128 bytes (24 x 2 = 48 bytes). Pennitindo apenas ativar e desativar os elevadores. Um modelo com precisão máxima, um minuto de · intervalo, necessita de 60 x 12 = 720 bytes, ou seja, lKb de memória ramo Sugere-se a utilização de pelo menos 7kb de memória ram para registrar todas as, infonnações da semana. Sua aplicação prática está voltada a edifícios que possuem mais de um elevador e que desejem otimizar sua utilização (ativando e desativando) de acordo com a demanda.

3.5.2 2° Etapa A segunda etapa compreende o detalhamento da infonnação anterior explicitando exatamente quais os

andares envolvidos no processo. O gráfico abaixo serve de modelo de como as infonnações devem ser filtradas e codificadas para o computador.

Distribuição dos chamados por andar às 13:30h

Os dados serão filtrados e armazenados na seguinte estrutura:

Horário, n° chamadas e caminho percorrido (0-1-0-3-1-0-... )

O grande problema desta sofisticação da etapa anterior é a incapacidade de prever o número de bytes utilizados, por exemplo um apartamento de 15 andares pode aproveitar 1 byte para dois movimentos, enquanto apartamentos de 16 até 255 utilizam um byte. Portanto, 20 chamadas no pior caso consomem 60 bytes (O-andar­O) o que implica na utilização pelos menos 5Kb de memória ram (60 X 2 X12 + 4(horário + n° chamada) = 1444). Porém deve-se lembrar que a estimativa deve ser feita semanalmente (7xI444=10108) ou mensalmente (30 x 1444= 43320) para obter-se um resultado preciso. Sua aplicação prática restringe-se a coleta de dados e o

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posicionamento de elevadores nos andares e horários pré-programados. O processamento destas informações não pertence as obrigações básicas desta etapa.

3.5.3 30 Etapa A terceira etapa consiste em processar esses dados e determinar quais as faixas de andares e horários

que os elevadores devem atuar. Neste ponto sugere-se a automação deste processo, pois desta forma em caso de mudança de horário dos moradores ou sistema pode ajustar-se automaticamente. Sua aplicação consiste em um sistema que colete dados e processe-os no em uma determinada data

3.5.4 40 Etapa A quarta etapa consiste no processo de controle que monitora os tempos de espera médio e disponibiliza

ou desativa elevadores de acordo com a situação atual do -prédio. Sua aplicação prática inclui um módulo de feed-back que verifica que as estimativas estão funcionando a contento. Caso contrário o sistema se encarrega de corrigir as estimativas e modificar a atuação dos elevadores de uma forma a atender o tempo máximo de espera.

3.6 Considerações Finais A ap1icação do controle de elevadores com sistemas especialistas em predição de tempo não só permite

um reforço na segurança impedindo intrusos em horários impróprios, como estende a vida útil dos elevadores, economiza energia, evita filas de espera e ainda possui o seu custo de implantação diluído entre todos condôminos do edifício. Possuindo todas essas vantagens, encerra-se este tópico com um pergunta:

Porque a sua aplicação está restrita a apenas grandes edificios comerciais?

4 Conclusão A aplicação de sistema de predição de eventos está iniciando no ramo da automação predial possuindo

vasto campo de aplicação e enorme utilidade, pois restringindo-se a interferência manual ao mínimo possível cria-se um novo nível de sofisticação e conforto na habitação. Porém o grande avanço desta aplicação só ocorrerá quando os eletrodomésticos forem inteligentes e permitirem conexão com a central de controle da residência.

REFERÊNCIAS

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JUGEND, David. Curso de Automação Predial : edifício inteligente. Curitiba: Instituto de Engenharia do Paraná, 1994. (Apostila)

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SPIEGEL, Murray R. Estatística. São Paulo: Makron Books, 3 a Edição. 1993.

SHEIKMAN, Bernardo. Os prédios inteligentes. Revista ADEMI, São Paulo, n. 133, p. 21-22, 1989. Entrevista.

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