نظام متعدد الوكلاء (باحث عالمي)

[+] الملخص

من أكبر اهتمامات المجتمع المدني تنظيم توليد و توزيع الطاقة بصورة فعالة، لذا يهدف البحث إلى تطبيق أحدث نظم الحوسبة من خوارزمات الذكاء الصناعي و تقنية الوكيل في مجال تنظيم طلب المستهلكين للطاقة التي يتم توفيرها من خلال الشبكة الذكية (Smart Grid). إن التوفير في الطاقة المتوقع الحصول عليه ناجم عن تكوين تكتلات من المستهلكين أفراداً و منظماتٍ و التي ًتحقق إجمالاً مستوى منتظم من الطلب للطاقة. سيشمل البحث بناء نظام محاكاة لتقييم الطريقة البحثية التي تم استحداثها و النتائج التي تم الحصول عليها، كذلك بالتعاون مع الهيئة الملكية في الجبيل و ينبع سيتم دراسة متطلبات تطبيق المشروع على منشآت مدينة ينبع الصناعية للاستفادة من بنيتها التحتية المتوقع أن يكون فيها تكامل في البناء بحيث يوفر البيانات المطلوبة من العوامل الطبيعية كدرجات الحرارة و سرعة الرياح و كذلك معدلات استهلاك الطاقة.

[+] فريق العمل

الباحث الرئيسي: أريج مليباري.
الباحث المشارك: يوسف التركي.
الباحث المشارك: مي فاضل.
الباحث المشارك: دانيال الغزاوي.
الباحث المشارك: مايسون أبو الخير.
الباحث العالمي: نيكولاس جينينغز.

[+] بيان المشكلة

البلدان في جميع أنحاء العالم تواجه زيادة في الطلب على البنية الأساسية للكهرباء نتيجة للتطور الاقتصادي و اختلافات أنماط الحياة بين سكانها. على سبيل المثال، يزداد استهلاك الكهرباء في المملكة العربية السعودية حاليا بنسبة 7-8% سنوياً، و بناءاً على هذا المعدل من المتوقع ان يصل استهلاك الكهرباء وقت الذروة إلى 200% سنة 2032 بسبب الاستخدام المتزايد لتكييف الهواء المنزلي والتجاري. علماً أن بناء مولدات توليد إضافية للتعامل مع هذه الزيادة في الطلب وقت الذروة عملية مكلفة. حيث أن الشركة السعودية للكهرباء حاليا تخطط لإنفاق مبلغ 80B على مدى العقد القادم لمواكبة النمو السكاني داخل المملكة [1]. لذلك فإن استخدام 'الشبكة الذكية' يوفر بديلاً لتلبية هذه الزيادة في الطلب ببساطة مع زيادة توليد الطاقة. باستخدام تدفق المعلومات في الاتجاهين بين المستهلكين، والمولدات الكهربائية، بحيث سيتمكن من إدارة الطلب و توفير الامدادات في الوقت الحقيقي للطلب. حتى الآن، الاستجابة لمثل هذا الطلبات مقننة باستخدام 'فترات التسعير الحرجة'، بتسهيل من 'العدادات الذكية' التي تردع المستهلكين من استخدام الكهرباء المنزلية المكثفة (مثل تكييف الهواء) في أوقات الذروة. غالباً ما تكون هذه الطرق غير مفضلة بين المستهلكين، وعلاوة على ذلك، تشير الدراسات التجريبية والنظرية على حد سواء انها لم تساعد في التقليل من الاستهلاك وقت الذروة [3,4]. لذلك تم اقتراح طريقة اكثر تطورا للمستهلكين (أو أكثر مباشرة مع الأجهزة والمباني التي يستخدمونها) و هي التفاوض و التنسيق النشط لاستخدام الطاقة، عن طريق تشكيل تكتلات تنظم الطلب على الطاقة ، بغية التقليل من استخدام الكهرباء وقت الذروة ، كان أول من اقترح هذه الرؤية هو شويب وآخرون في الثمانينات [5, 6]. وتشمل هذه الرؤية القدرة على إدماج توليد الطاقة اللامركزية المحلية (للمملكة العربية السعودية، وهذا الأكثر احتمالاً أن يكون في شكل الألواح الفلطائية الضوئية الشمسية)، بتكييف الاستهلاك المحلي لتوليد محلي ، أما لتقليل الاستهلاك على الشبكة، أو للسماح باستخدام الكهرباء في غياب الشبكة الكهربائية. مؤخرا تم ايجاد البنية التحتية الحاسوبية المطلوبة التي ستحول هذه الرؤية إلي واقع حقيقي حيث ان التطور و النضج الملموس في برمجيات الوكيل الذكي و الأنظمة متعددة الوكلاء تعتبر من المكونات الأساسية لتسليم التحكم الذاتي المتوقع من الشبكة الذكية [7]. وإزاء على هذه الخلفية، هناك حاجة واضحة إلى مراجعة الرؤية المتمثلة في استهلاك الطاقة التكتلية، التي ذكرها شويب وآخرون، ولكن مع الاستفادة من التطورات الحديثة لأنظمة متعددة الوكلاء، الخوارزميات الفعالة حسابياً خاصة في تشكيل التكتلات و تحسينها.

[+] أهداف البحث

سيبحث هذا المشروع في تطبيقات للأنظمة متعددة الوكلاء، وبالأخص، تشكيل تكتلات، ضمن شبكة الكهرباء السعودية الذكية في المستقبل. على وجه الخصوص، ستبحث في كيفية انشاء مجموعات من المستهلكين (أو أكثر مباشرة، الأجهزة والمباني التي يستخدمونها) مشكلة تكتلات، بتوجيه من برمجيات الوكيل الذكي، بغية تنسيق استهلاكهم للكهرباء بحيث تلبي الاحتياجات الفردية الخاصة بهم بينما تتكمن أيضا من التقليل من مطالبهم الجماعية على الشبكة إلى الحد الأدنى. و ايضاً على وجه الخصوص، أنها ستنظر في تكتلات المباني المحلية والتجارية، بحيث تكون كل غرفة مجهزة بوحدات كهروضوئية شمسية لتوليد وتكييف الهواء. كما أنه سيتم وضع خوارزميات التحسين التي تسمح للوكيل الذكي بإدارة استخدام الطاقة من المباني الفردية، واستغلال الخمول الحراري للمبنى للمحافظة على درجات الحرارة الداخلية المريحة التي تقلل من استهلاك الطاقة في وقت الذروة. وعلاوة على ذلك، سيتم استنباط خوارزميات تشكيل التكتلات التي تسمح لهؤلاء الوكلاء التفاوض والتنسيق مع الوكلاء الآخرين، و إدارة استخدام الطاقة في المباني القريبة، للتقليل من الطلب الكلي الذي يوضع على شبكة الكهرباء المحلية مجتمعة. وسوف تقيم وتثبت هذه الخوارزميات داخل محاكاة برمجيات متكاملة.

[+] تصميم البحث

لتحقيق أهداف البحث المبينة أعلاه، تم اقتراح خطة عمل تتألف من أربعة مجموعات عمل مترابطة. تركز مجموعات العمل هذه على (اولا) نمذجة إعداد محدد تحت النظر ، (ثانيا) تطوير الخوارزميات اللازمة للسماح للمباني الفردية بتحسين استخدام الطاقة الخاصة بها، (ثالثا) تطوير خوارزميات للسماح لهذه المباني التنسيق والتفاوض مع المباني المجاورة بشكل جماعي تكاتلي بهدف التقليل من الطلب الكلي وقت الذروة، (رابعا) التكامل والبيان العملي للنظام الناتج عن ذلك.
في مزيد من التفاصيل:

 

1. المجموعة الأولى: بناء نموذج
   وضع نماذج للاتي: (اولا) الخصائص الحرارية للمباني ، (ثانيا) البيئة التي توجد بها (من حيث التباين اليومي لدرجة حرارة الهواء الخارجي والإشعاع الشمسي) ، (ثالثا) توليد وحدات طاقة شمسية محلية. سيتم استخدام هذه النماذج في وقت لاحق داخل البيان العملي للمجموعة الرابعة ، وأيضا داخل خوارزميات التحسين على المباني الفردية التي وضعت في المجموعة الثانية. و سيعتمد البناء على العمل على الخصائص الادبية للسلوك الحراري للمباني [8]، و كذلك نمذجة جيل وحدات الطاقة الشمسية [9]، و تكييف التفاصيل التي تم الاعداد لها هنا.
2. المجموعة الثانية :خوارزميات لتحسين المباني الفردية
   استخدام خوارزميات التحسين النامية للسماح للعميل الذكي بتحسين الطاقة للمبنى الفردي . سوف يستند هذا العمل على النهج القائمة التي وضعت في جامعة ساوثهامبتون التي عالجت أنظمة التدفئة المنزلية. و هذا النهج سيسمح للوكيل الذكي باستغلال القصور الحراري للمبنى الذي تحول وقت التبريد ، والحفاظ على مستويات الحرارية المناسبة بينما في نفس الوقت يقلل من استهلاك الطاقة وقت الذروة [10,11].
3. المجموعة الثالثة: خوارزميات لتشكيل التكتلات
   تطوير خوارزميات لتشكيل التكتلات حسابياً ذات كفاءة تسمح للوكلاء الأذكياء بالتفاوض والتنسيق مع بعضها البعض للتقليل من الطلب الكلي الذي يوضع على شبكة الكهرباء المحلية. هذا العمل سيعتمد على قائمة تكتلات تشكيل الخوارزميات التي سبق أن وضعت في جامعة ساوثهامبتون [12، 13]،
4. المجموعة الرابعة: التكامل و البيان العملي
   تطوير جهاز لمحاكاة التفاعل و تقييم وبرهنة الخوارزميات والآليات المستحدثة. هذه المحاكاة تعتمد على عناصر القائمة التي وضعت في إطار المشاريع الجارية في جامعة ساوثهامبتون (انظر على سبيل المثال http://www.ideasproject.info/).

[+] خطة العمل

تتكون خطة العمل المقترحة لبرنامج البحوث من 9 أشهر

مجموعات العمل	الشهر
	1	2	3	4	5	6	7	8	9
دورة تدريبية تمهيدية
المجموعة الأولى: بناء نموذج
دورة تدريبية متقدمة
المجموعة الثانية :خوارزميات لتحسين المباني الفردية
المجموعة الثالثة: خوارزميات لتشكيل التكتلات
المجموعة الرابعة: التكامل و البيان العملي
التقرير المؤقت و البيان العملي						O
التقرير النهائي و البيان العملي									O

[+] الاستخدام

ويتناول هذا المشروع كفاءة الطاقة بطريقتين؛ الأولى، الأمثل و هي استهلاك الطاقة من الموارد المتاحة حاليا (النفط في المملكة العربية السعودية). ثانيا، دمج وتحسين استخدام مصادر أخرى من مولدات الطاقة للمساعدة الحد الطاقة الضائعة (الطاقة الشمسية) .نتائج هذا المشروع إذا ما طبق في المملكة العربية السعودية سوف تستفيد البلاد بطرق مختلفة. لآنه سيساعد في خفض تكلفة استهلاك الطاقة للأفراد والائتلافات. وعلاوة على ذلك التقليل من الطاقة الضائعة بحيث تسمح للموارد الحالية البقاء لفترة أطول ومواكبة ارتفاع الطلب على المدن الآخذة في التوسع والنمو السريع للسكان في المملكة العربية السعودية. الأهم من ذلك، ان تطبيق هذا المشروع، سيقلل من الاعتماد الكلي على الوقود والغاز الطبيعي في توليد الطاقة على أسس يومية. وهذا أمر حيوي لا سيما في بلد مثل المملكة العربية السعودية حيث يعتمد الاقتصاد على كمية استهلاك النفط.

[+] المراجع

1. The International Resource Journal (2011). The Saudi Electricity Company, http://www.internationalresourcejournal.com/middle_east/saudi_electricity_company_sec.html.
2. U. S. Department-Of-Energy (2003). Grid 2030: A national vision for electricity’s second 100 years, Tech. report, Department of Energy.
3. Y. Strengers (2010). Air-conditioning Australian households: The impact of dynamic peak pricing, Energy Policy, volume 38, number 11, pages 7312-7322.
4. P. Vytelingum, T. Voice, S. Ramchurn, A. Rogers and N. R. Jennings (2011). Theoretical and practical foundations of agent-based micro-storage in the smart grid. Journal of Artificial Intelligence Research, volume 42, pages 765-813.
5. F. Schweppe, B. Daryanian, and R. Tabors (1989). Algorithms for a spot price responding residential load controller. IEEE Power Engineering Review, volume 9, number 5, pages 49 – 50.
6. R. D. Williams and F. Schweppe (1986). Peak-power-demand limitation through independent consumer coordination. IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics, volume 16, number 4, pages 560-569.
7. S. D. Ramchurn, P. Vytelingum, A. Rogers and N. R. Jennings (2012). Putting the "smarts" into the smart grid: A grand challenge for artificial intelligence. Communications of the ACM. In Press.
8. P. Bacher, H. Madsen (2011). Identifying suitable models for the heat dynamics of buildings. Energy and Buildings, volume 43, issue 7, pages 1511-1522.
9. D. Dusabe, J. Munda and A. Jimoh (2009). Modelling cloudless solar radiation for PV module performance analysis. Journal of Electricial Engineering, volume 60, number 4, pages 192-197.
10. S. D. Ramchurn, K. Vytelingum, A. Rogers and N. R. Jennings, N. (2011). Agent-based control for decentralised demand side management in the smart grid. The Tenth International Conference on Autonomous Agents and Multiagent Systems (AAMAS 2011), Taipei, Taiwan. pages 5-12.
11. A. Rogers, S. Maleki, S. Ghosh and N. R. Jennings (2011). Adaptive home heating control through Gaussian process prediction and mathematical programming. Proceedings of the Second International Workshop on Agent Technology for Energy Systems (ATES 2011), Taipei, Taiwan. pages 71-78.
12. T. Rahwan, S. D. Ramchurn, A. Giovannucci, and N. R. Jennings (2009). An Anytime Algorithm for Optimal Coalition Structure Generation. Journal of Artificial Intelligence Research, volume 34, pages 521-567.
13. T. Rahwan, T. Michalak, M. Wooldridge, and N. R. Jennings (2011). Anytime Coalition Structure Generation in Multi-Agent Systems with Positive or Negative Externalities. Artificial Intelligent Journal. To appear.