制度:新 ; 報告番号:甲3270号 ; 学位の種類:博士(工学) ; 授与年月日:2011/2/21 ; 早大学位記番号:新557

Wu Dongmei

Welsh

制度:新 ; 報告番号:甲3270号 ; 学位の種類:博士(工学) ; 授与年月日:2011/2/21 ; 早大学位記番号:新5574textthesi

Wu, Dongmei

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早稲田大学大学院情報生産システム研究科     博 士 論 文 概 要        論  文  題  目    Improvement  o f  Automob i l e  Per f o rmance  us ing  Mod i f i ed  MOPSO and  MPC         申  請  者   WU, Dongmei  情報生産システム工学専攻  プロセス制御研究    2010 年 12 月2 T h e  p o p u l a r i t y  o f  a u t o mo b i l e s  f av o r ed  t r a n s p o r t a t i o n  sy s t e m,  p r o m o t e d  so c i a l  d ev e l o p me n t .  Ho w e v e r ,  p r o b l e m s  c a u s e d  b y  au t o m o b i l e s  h a v e  b e co me  a p p a r e n t  i n  r e c e n t  y e a r s ,  su c h  a s  e n v i r o n m e n t a l  p r o b l em s ,  f u e l  c r i s i s ,  t r a f f i c  a c c i d en t s ,  t r a f f i c  j a m s ,  e t c .  P o l l u t a n t s  d e r i v ed  f r o m a u t o m o b i l e s  h a v e  b eg u n  t o  p o s e  e n v i r o n me n t a l  p r o b l e ms .  T h e  f u e l  c o mb u s t i o n  i n  a u t o m o b i l e s  p r o d u c e s  s e v e r a l  p r i ma r y  p o l l u t a n t s :  Ni t r o g en  O x i d e s  ( N O x ) ,  g a s e o u s  h y d r o c a r b o n s ,  a n d  c a r b o n  mo n o x i d e ,  a s  w e l l  a s  l a rg e  q u a n t i t i e s  o f  P a r t i c u l a r  M a t e r i a l s  ( P M ) .  I n  t h e  p r e s e n c e  o f  su n l i g h t ,  N O x  c o m b i n e  w i t h  h y d r o c a r b o n s  t o  f o r m a  s e c o n d a r y  c l a s s  o f  p o l l u t an t s .  E x h au s t  g a s e s  f r o m  a u t o mo b i l e s  c o n t r i b u t e  t o  g l o b a l  w a r mi n g  an d  a r e  r e sp o n s i b l e  f o r  c l i m a t e  c h a n g e s ,  a l s o  h a v e  a d v e r s e  h e a l t h  e f f e c t s .  I n  a n  e f f o r t  t o  i mp r o v e  t h i s  s i t u a t i o n ,  g o v e r n m e n t s  e n a c t e d  r e g u l a t i o n s  o n  c o mp o n e n t s  o f  a u t o mo b i l e  e x h a u s t  e mi s s i o n .  O n e  o f  o t h e r  p r o b l e m s  b r o u g h t  b y  a u t o mo b i l e s  i s  f u e l  c r i s i s .  T h e  ap p l i c a t i o n  o f  c o mb u s t i o n  e n g i n e  i n  a u t o mo b i l e s  g r e a t l y  i n c r e a s e s  t h e  d e m a n d  f o r  g a so l i n e  a n d  d i e s e l  o i l ,  b o t h  o f  w h i c h  a r e  m a d e  f r o m f o s s i l  f u e l s .  Ho w e v e r ,  f o s s i l  f u e l  su p p l i e s  m ay  b e  c o n s t r a i n e d  b y  g eo l o g i c a l  f a c t o r s ,  a s  f o s s i l  f u e l s  a r e  n o n - r e n e w a b l e  r e s o u r c e s .  I n  a d d i t i o n ,  h e a v y  t r a f f i c  j a ms  i n  a n d  a r o u n d  c i t i e s  c a u s e  t i m e  a n d  e c o n o mi c  l o s s e s .  M o r e o v e r ,  t h e  r a p i d  i n c r e a s e  i n  t h e  e l d e r l y  p o p u l a t i o n  c a u s e s  mo r e  t r a f f i c  a c c i d en t s .  Wi t h  a f o r e s a i d  b a c k g r o u n d s ,  i mp r o v e m e n t  o f  a u t o mo b i l e  p e r f o r ma n c e s  i n  t e r ms  o f  e mi s s i o n s ,  f u e l  e f f i c i e n cy,  a n d  s a f e t y  i s  e s s e n t i a l .  E n g i n e  c o mb u s t i o n  d i r e c t l y  d e t e r mi n e s  e mi s s i o n s  a n d  f u e l  e f f i c i e n cy ,  a n d  b e t t e r  d r i v i n g  p e r f o r ma n c e  a l s o  c o n t r i b u t e s  t o  h i g h e r  f u e l  e f f i c i e n cy  an d  s a f e t y .  C o n s e q u e n t l y,  a u t o m o b i l e  c o n t r o l  sy s t e ms  b e c o m e  s o  c o mp l e x  a n d  p r e c i s e  t h a t  mo r e  au t o mo b i l e  co n t r o l  e n g i n e e r s  a r e  n e ed e d .  T h e r e f o r e ,  t h e  r e s e a r c h  f o c u s e s  o n  t h r e e  f i e l d s  a s  o p t i mi z a t i o n  o f  en g i n e  c o n t r o l  p e r f o r ma n c e ,  o p t i mi z a t i o n  o f  a u t o mo b i l e  d r i v i n g  p e r f o r m a n c e ,  a n d  d ev e l o p me n t  o f  a n  e n g i n e  c o n t r o l  t r a i n i n g  sy s t e m.  T h e  d i s s e r t a t i o n  i s  o r g a n i z e d  a s  6  C h a p t e r s .  I n  t h e  C h ap t e r  1 ,  r e s e a r c h  b a c k g r o u n d s ,  mo t i v a t i o n  a n d  o u t l i n e  o f  t h e  d i s s e r t a t i o n  a r e  i n t r o d u c e d .  A u t o mo b i l e s  c a u s e  p r o b l e ms  a s  a i r  p o l l u t i o n ,  f u e l  c r i s i s ,  e t c .  T o  d e a l  w i t h  t h e s e  p r o b l e ms ,  o p t i mi z a t i o n  o f  au t o mo b i l e  p e r f o r ma n c e s  a n d  t r a i n i n g  o f  mo r e  a u t o mo b i l e  c o n t r o l  en g i n e e r s  a r e  p r o p o s e d  i n  t h e  r e s e a r c h .  I n  t h e  C h a p t e r  2 ,  c u r r e n t  r e s e a r c h e s  a n d  i n n o v a t i v e  p o i n t s  o f  t h e  r e s e a r c h  a r e  p r e s e n t e d .  T h e  n u mb e r  o f  e n g i n e  c o n t r o l  p a r a m e t e r s  g r e a t l y  i n c r e a s e d .  H o w t o  f i n d  o p t i ma l  o p e r a t i o n  c o n d i t i o n s  i s  c r u c i a l  f o r  e n g i n e  p e r f o r ma n c e .  O p t i mi z a t i o n  m e t h o d s  a s  R e s p o n s e  S u r f a c e  M e t h o d  ( R S M ) ,  G A ,  e t c .  h a v e  b e e n  a p p l i e d  t o  t r ad i t i o n a l  m a p - b a s e d  c o n t r o l  sy s t e ms .  H o w e v e r ,  en g i n e  c o n t r o l  o p t i mi z a t i o n  i n  t r an s i e n t  o p e r a t i o n  i s  p r e f e r a b l e .  I n  t h e  r e s e a r c h ,  a n  e n g i n e  co n t r o l  o p t i mi z a t i o n  sy s t e m b a s e d  o n  m o d e l - b a s e d  c o n t r o l  i s  p r o p o s e d  a n d  h i g h - s p e e d  o p t i mi z a t i o n  3 m e t h o d s  a s  P a r t i c l e  S w a r m O p t i mi z a t i o n  ( P S O )  a n d  a  m o d i f i e d  M u l t i - Ob j e c t i v e  P a r t i c l e  S w a r m O p t i mi z a t i o n  ( M O P S O )  a r e  a p p l i ed .  B e s i d e s ,  d r i v i n g  a s s i s t a n c e  sy s t e ms  w i t h  ad a p t i v e  f u z zy  c o n t r o l ,  g a i n  s c h ed u l i n g  c o n t r o l ,    c o n t r o l ,  e t c .  h a v e  b e en  d ev e l o p ed  f o r  b e t t e r  d r i v i n g  p e r f o r m a n c e .  M o s t  o f  e x i s t i n g  sy s t e ms  c o n c e r n  s i mp l e  i n f o r ma t i o n ,  b u t  n o w a d ay s  mo r e  s u r r o u n d i n g  i n f o r m a t i o n  sh o u l d  b e  t a k en  i n t o  a c c o u n t .  T h e r e f o r e  a  d r i v i n g  o p t i mi z a t i o n  sy s t e m r e l a t ed  t o  i n f o r ma t i o n  o f  t r a f f i c  j a m ,  t r a f f i c  s i g n a l ,  a n d  f u e l  e f f i c i en c y  i s  p r o p o s e d  b a s e d  o n  M o d e l  P r ed i c t i v e  C o n t r o l  ( M P C ) .  F o s t e r i n g  mo r e  a u t o mo b i l e  c o n t r o l  e n g i n e e r s  i s  a n  i n d i sp e n s a b l e  b u t  c h a l l en g i n g  t a s k .  T h e  c u r r e n t  c o n t r o l  t r a i n i n g  sy s t e m s  h a v e  b e e n  d ev e l o p e d  t o  c o mp u t e r - a i d e d  sy s t e ms ,  b u t  t h e r e  i s  n o  su c h  sy s t e m f o r  t r a i n i n g  o f  a u t o mo b i l e  c o n t r o l  e n g i n e e r s .  I n  r e s p o n s e  t o  t h e  g ap ,  a n  e n g i n e  c o n t r o l  t r a i n i n g  sy s t e m b a s e d  o n  a  g a s o l i n e  en g i n e  s i mu l a t o r  i s  d e s i g n ed  a s  a n  a s s i s t a n c e  t o o l .  I n  t h e  C h a p t e r  3 ,  f r o m t h e  v i e w p o i n t  o f  r ed u c i n g  e mi s s i o n s  a n d  i mp r o v i n g  f u e l  e f f i c i e n cy,  a  d i e s e l  e n g i n e  c o n t r o l  o p t i mi z a t i o n  sy s t e m b a s ed  o n  mo d e l - b a s e d  c o n t r o l  i s  p r o p o s e d ,  t o  r e d u c e  B r a k e  S p e c i f i c  F u e l  C o n s u mp t i o n  ( B S F C ) ,  N O x ,  a n d  s mo k e  o p a c i t y.  P S O  a n d  a  mo d i f i ed  M O P S O  a r e  a p p l i ed  t o  t h e  sy s t e m.  F i r s t l y,  i n  t h e  c a s e  o f  t h e  p r o p o s ed  o p t i mi z a t i o n  p r o b l e m,  P S O  i s  c o mp a r e d  w i t h  G A a n d  i s  p r o v e d  b e t t e r  i n  c o n v e rg e n c e ,  f o r  t h e  o p t i ma l  f i t n e s s  v a l u e  o b t a i n e d  b y  P S O  w i t h  0 . 2 2  s  i s  s u p e r i o r  t o  t h a t  p r o d u c ed  b y  G A w i t h  1 . 2 8  s .  Op t i m a l  r e s u l t s  o b t a i n ed  b y  P S O  a r e  v a l i d a t e d  i n  p r a c t i c a l  e x p e r i m e n t s ,  a n d  s h o w  c e r t a i n  e f f e c t i v en e s s  o f  P S O  f o r  t h e  d i e s e l  en g i n e  o p t i mi z a t i o n  p r o b l e m.  H o w e v e r,  o n l y  o n e  o p t i ma l  s o l u t i o n  c o u l d  b e  o b t a i n e d  i n  e a c h  P S O  r u n ,  a n d  t h e  so l u t i o n  c o u l d  n o t  e n s u r e  o b j e c t i v e s  i mp r o v ed  s i mu l t a n e o u s l y  e a c h  r u n .  T h e r e f o r e ,  a  mo r e  p r o mi s i n g  s t r a t e g y,  a  mo d i f i ed  M O P S O ,  i s  p r o p o s e d .  T h e  mo d i f i c a t i o n s  r e f e r  t o  i n t r o d u c t i o n  o f  P S O  an d  c r o s so v e r  t o  M O P S O  l o o p .  T h e  mo d i f i ed  M O P S O  i s  c o n f i r m e d  s u p e r i o r  t o  t h e  t y p i c a l  M O P S O  i n  c o n v e rg e n c e  a n d  d i v e r s i t y  o f  n o n - d o m i n a t e d  so l u t i o n s .  T h e  c o n v e rg e n c e  o f  t h e  mo d i f i ed  M O P S O  i s  a t  l e a s t  2 . 5  t i me s  f a s t e r  t h a n  t h a t  o f  t h e  t y p i c a l  M O P S O.  T h e  mo d i f i e d  M O P S O  a l so  s h o w s  b e t t e r  p o t e n t i a l  f o r  r e d u c i n g  B S F C ,  N O x ,  a n d  s mo k e  o p a c i t y,  s i n c e  n o n - d o mi n a t e d  s o l u t i o n s  g e n e r a t ed  b y  t h e  mo d i f i ed  M O P S O  c o u l d  i mp r o v e  t h r e e  o b j e c t i v e s  t o  d i f f e r e n t  ex t e n d ,  a n d  p r o v i d e  t h e  mo s t  s u i t a b l e  c o n t r o l  p a r a me t e r s  a c c o r d i n g  t o  d i f f e r e n t  t a rg e t s .  S i mu l a t i o n  e x p e r i m e n t  i s  p e r f o r me d  w i t h  t h e  c o n d i t i o n s  o f  7 6  p a r t i c l e s ,  s t o r a g e  o f  1 0 0  n o n - d o mi n a t e d  s o l u t i o n s ,  6 4  h y p e r c u b e s ,  a n d  1 0  i t e r a t i o n s .  O n  t h e  p r e mi s e  o f  n o  i n c r e a s i n g  N O x  an d  s mo k e  o p a c i t y,  c a n d i d a t e  o p t i ma l  c o n t r o l  p a r a me t e r s  a r e  s e l e c t e d  w i t h  t h e  l o w e s t  B S F C .  T h e  p a r a me t e r s  a r e  p r o v e d  a b l e  t o  d e c r e a s e  B S F C ,  N O x ,  a n d  s mo k e  o p a c i t y  t o  8 7 . 1 % ,  8 4 . 2 % ,  a n d  8 0 . 1 % ,  r e sp e c t i v e l y.  T h e  o p t i mi z a t i o n  sy s t e m  i s  e x p e c t ed  t o  b e  i m p l e m e n t e d  o n  a  L S I  c i r c u i t ,  a n d  t h e n  w o u l d  b e  a p p l i ed  t o  a  r e a l  e n g i n e  a f t e r  v a l i d a t i o n  i n  t h e  e n g i n e  t e s t  b e n ch .  I n  t h e  C h a p t e r  4 ,  i n  a d d i t i o n  t o  o p t i m i z a t i o n  o f  e n g i n e  c o n t r o l  p e r f o r ma n c e ,  ∞H4 d r i v i n g  a s s i s t an c e  a l so  c o n t r i b u t e s  t o  i mp r o v i n g  a u t o mo b i l e  p e r f o r m a n c e s .  F r o m  t h e  v i e w p o i n t  o f  f u e l  e f f i c i e n cy  an d  d r i v i n g  s a f e t y  f o r  e l d e r l y  d r i v e r s ,  a  d r i v i n g  o p t i mi z a t i o n  sy s t e m  b a s e d  o n  M P C  i s  p r o p o s e d  f o r  c a l c u l a t i n g  o p t i m a l  d r i v i n g  p a t t e r n .  M P C  i s  u s e d  t o  c a l c u l a t e  a  s e q u e n c e  o f  c o n t r o l  v e c t o r s  o v e r  t h e  p r e d i c t i o n  h o r i z o n ,  b a s e d  o n  a n  o v e r a l l  e v a l u a t i o n  o f  v e h i c l e  mo t i o n s .  O n l y  t h e  c o n t r o l  v e c t o r  i n  t h e  f i r s t  s a mp l i n g  t i me  a r e  t r e a t e d  a s  o p t i ma l  c o n t r o l  i n p u t s ,  a n d  f e d  t o  v e h i c l e  mo d e l s  t o  p r e d i c t  t h e  o p t i ma l  d r i v i n g  p a t t e r n  i n  t h e  n e a r  f u t u r e .  S u r r o u n d i n g  i n f o r ma t i o n  i n c l u d i n g  t r a f f i c  j a m ,  t r a f f i c  s i g n a l  a n d  f u e l  c o n s u mp t i o n  i s  f o r mu l a t e d ,  a n d  t a k en  i n t o  c o n s i d e r a t i o n .  S i mu l a t i o n  e x p e r i me n t s  w i t h  d i f f e r e n t  s i t u a t i o n s  a r e  p e r f o r m e d .  T h e  c o mp u t e d  o p t i ma l  d r i v i n g  p a t t e r n s  s h o w  t h a t  t h e  h o s t  v eh i c l e  c o u l d  t a k e  r e a s o n a b l e  r e a c t i o n s  t o  s i t u a t i o n s  o f  t r a f f i c  j a m ,  t r a f f i c  s i g n a l  c h an g e ,  a n d  a l s o  c o u l d  r eg u l a t e  i t s  v e l o c i t y  t o  a c h i e v e  h i g h e r  f u e l  e f f i c i en cy .  T h e  o p t i ma l  d r i v i n g  p a t t e r n  c o u l d  b e  u s e d  f o r  a s s i s t i n g  d r i v e r s  t o  m a n eu v e r  t h e i r  v eh i c l e s  i n  a  s mo o t h ,  s a f e ,  a n d  e c o n o mi c a l  w ay ,  wh i c h  i s  e s p e c i a l l y  u s e f u l  f o r  e l d e r l y  d r i v e r s  a n d  u n s k i l l e d  d r i v e r s .  C o mp u t i n g  t i me  f o r  s i mu l a t i o n s  w i t h i n  6 0  s  i s  n o  mo r e  t h a n  0 . 3  s ,  wh i c h  s h o w s  t h e  p o t e n t i a l  o f  t h e  sy s t e m f o r  p r a c t i c a l  a p p l i c a t i o n s .  T h e  sy s t e m i s  e x p e c t ed  t o  b e  a p p l i e d  t o  au t o m a t i c  d r i v i n g  sy s t e m s  o r  p l a t o o n  c o n t r o l  s y s t e m s ,  f o r  a  r e a l - t i me  g u i d an c e .  I n  t h e  C h a p t e r  5 ,  u n d e r  t h e  d e ma n d  f o r  mo r e  au t o mo b i l e  c o n t r o l  e n g i n e e r s ,  a n  e n g i n e  c o n t r o l  t r a i n i n g  sy s t e m i s  d e s i g n e d  a n d  c o n s t r u c t e d  b a s e d  o n  a  g a so l i n e  e n g i n e  s i mu l a t o r.  F o u r  f u n c t i o n s  o f  t h e  t r a i n i n g  sy s t e m  a r e  a c h i e v ed .  F i r s t l y,  s i mu l a t i o n s  a r e  d e s i g n e d  t o  a s s i s t  t h e  u s e r s  t o  a c q u i r e  a  d e ep  u n d e r s t an d i n g  o f  g a so l i n e  e n g i n e  p r o p e r t i e s .  S e c o n d l y,  g u i d an c e  t e mp l a t e s  a r e  p r o p o s e d  t o  g u i d e  t h e  u s e r s  h o w  t o  d e s i g n  c o n t r o l  s y s t e m.  T h i r d l y,  t h e  sy s t e m c o u l d  b e  u s e d  t o  p e r f o r m  e n g i n e  r e a l - t i me  s i m u l a t i o n s  w h i c h  a r e  a l so  b en e f i c i a l  t o  r e s e a r c h e s .  F u r t h e r mo r e ,  t h e  e n g i n e  s i mu l a t o r  c o u l d  b e  u s e d  a s  a  b a s i c  mo d e l  f o r  d e v e l o p i n g  n e w  e n g i n e  c o n t r o l  l o g i c s .  F i n a l l y,  w i t h  a n  e n g i n e  t e s t  b e n c h  a n d  E C U ,  t h e  sy s t e m  i s  av a i l a b l e  f o r  r e a l - t i m e  e n g i n e  co n t r o l  t e s t s ,  w h i c h  w o u l d  b e  u s ed  i n  t e s t s  o f  i n n o v a t i v e  c o n t r o l  sy s t e ms  b e f o r e  p r a c t i c a l  a p p l i c a t i o n s .  T h e  e n g i n e  c o n t r o l  t r a i n i n g  sy s t e m  h a s  b e en  a p p l i ed  t o  t h e  l e c t u r e  o f  “ i n t e l l i g e n t  c a r  i n t e g r a t ed  sy s t e m” .  T h e  f e e d b a c k  i n f o r ma t i o n  f r o m s t u d e n t s  s h o w s  t h a t ,  t h e  sy s t e m c o u l d  p l ay  a  p o s i t i v e  r o l e  i n  a s s i s t i n g  t h e  u s e r s  w i t h  c o m p r e h e n s i o n  o f  e n g i n e  p r o p e r t i e s  an d  c o n t r o l  sy s t e m  d e s i g n .  I n  t h e  C h ap t e r  6 ,  c o n c l u s i o n  a n d  f u t u r e  w o r k  o f  t h e  r e s e a r c h  a r e  g i v e n .  M o t i v a t e d  b y  t h e  i n c r e a s i n g l y  s t r i n g e n t  e mi s s i o n  r e g u l a t i o n s ,  f u e l  e f f i c i e n cy  s t a n d a r d s ,  an d  s a f e t y  r eq u i r e m e n t s ,  o p t i mi z a t i o n  o f  au t o m o b i l e  p e r f o r ma n c e s  i s  p r o p o s e d .  T h e  r e s e a r c h  co n t r i b u t e s  t o  r e d u c i n g  e x h a u s t  e m i s s i o n s ,  i mp r o v i n g  f u e l  e f f i c i en cy ,  a n d  p r o v i d i n g  r e a s o n a b l e  d r i v i n g  a s s i s t a n c e  e s p e c i a l l y  f o r  e l d e r l y  d r i v e r s ,  a s  w e l l  a s  a s s i s t i n g  i n  t r a i n i n g  c o u r s e s  f o r  au t o mo b i l e  co n t r o l  e n g i n e e r s .  

Improvement of automobile performance using modified MOPSO and MPC

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