基于生成对抗网络的强化学习方法及其在建筑节能方面的应用

摘要

随着我国城市的迅速发展，大型公共建筑的数量不断增加，建筑高能耗问题日益突显，因此建筑节能成为当前建筑智能领域的一项研究重点。能耗预测是能耗优化的重要前提，通过对能耗预测结果进行分析，可以为建筑节能提供依据。大型公共建筑是一个复杂的非线性系统，这使得能耗预测变得困难，而且能耗预测需要采集大量不同状态的能耗样本，但是样本的采集成本较高。强化学习是一种能够在与环境的交互中采集样本的学习方法，通过与环境交互获得样本，学习从环境到动作的映射，最终目标是最大化累积奖赏，并获得最优策略，其主要优点在于自学习。 本文围绕如何利用强化学习方法对建筑能耗预测展开研究，通过生成对抗网络生成与历史能耗相似的样本以解决真实能耗样本不足的问题，然后将强化学习中Q学习算法用于建筑能耗预测。同时，为了提高算法性能以及能耗预测准确率，引入深度学习与值函数近似方法，构建深度Q网络。本文主要内容包括以下三部分： （1）针对将强化学习应用于能耗预测中存在真实能耗样本不足的问题，首先提出一种基于生成对抗网络的强化学习算法。该算法在训练初期通过随机策略收集经验样本以构成真实样本池，并利用所收集的经验样本训练生成对抗网络，然后利用生成对抗网络生成新的样本构成虚拟样本池，再结合真实样本池以及虚拟样本池共同选择训练样本。最后，将该算法应用于OpenAI Gym仿真平台中的强化学习问题，实验结果表明，该算法可以有效解决强化学习任务初期经验样本不足的问题。 （2）将第一部分所提出的算法应用于建筑能耗预测，提出一种基于生成对抗网络的Q学习能耗预测算法。该算法将能耗预测问题建模为时间序列预测问题，然后结合Q学习算法，预测未来时刻建筑能耗。同时，引入生成对抗网络，结合真实样本，生成新的建筑能耗样本，以解决建筑能耗样本不足的问题。最后，基于美国巴尔的摩燃气和电力公司的建筑能耗数据，将所提出的算法进行实验分析，实验结果表明，所提出的算法可以有效地预测未来时刻建筑能耗。 （3）针对将Q学习算法应用于非线性能耗预测性能较低的问题，提出一种基于生成对抗网络的深度Q学习能耗预测算法。该算法引入深度神经网络，构建深度Q网络计算动作值函数，输入为状态，输出为每个动作的动作值函数，用值函数近似方法来避免Q学习在大状态空间中，算法性能较差，甚至无法收敛的问题。实验结果表明，所提出的算法可以进一步提高建筑能耗预测准确率。

目录

第一章 绪 论

1.1 问题的提出及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容

第二章 背景知识

2.1 强化学习基本理论

2.2 深度学习基本理论

2.3 生成对抗网络基本理论

2.4 本章小结

第三章 基于生成对抗网络的强化学习算法

3.1 基于生成对抗网络的强化学习算法原理

3.2 算法流程及复杂度分析

3.3 实验结果分析

3.4 本章小结

第四章 基于生成对抗网络的Q学习能耗预测算法

4.1 Q学习算法

4.2 能耗预测算法原理

4.3 算法应用于能耗预测

4.4 算法流程

4.5 实验结果分析

4.6 本章小结

第五章 基于生成对抗网络的深度Q学习能耗预测算法

5.1 值函数近似

5.2 深度Q网络

5.3 基于生成对抗网络的深度Q学习能耗预测算法

5.4 实验结果分析

5.5 本章小结

第六章 总 结

参考文献

图 表 目 录

致谢

作 者 简 历