Wie Spieltheorie zu energieeffizienten Lösungen führen kann

EU-finanzierte Forscher entwickeln mithilfe der Spieltheorie neue Möglichkeiten, um komplexe Systeme wie Heiz- und Energiesysteme effizient zu betreiben.

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Im EU-finanzierten Projekt CASSTING wurde ein vollkommen neuer und effektiver Ansatz verfolgt, um sogenannte kollektive adaptive Systeme verstehen und herstellen zu können. Diese komplexen Systeme bestehen typischerweise aus zahlreichen autonomen Elementen, die auf vielerlei Weise miteinander interagieren können. Beispiele sind etwa das Ökosystem, das Gehirn, produzierende Unternehmen und das Internet.

Die Forscher möchten mathematische Verfahren zur Effizienzoptimierung entwickeln und erhoffen sich, so vorteilhafter aufgebaute Systeme entwerfen und letztendlich einen Wettbewerbsvorteil für Europas Hightech-Industrie schaffen zu können. Hiervon könnten unter anderem die Robotik, Hightech-Anwendungen und die medizinische Diagnostik profitieren.

Das Projektteam von CASSTING charakterisierte zunächst kollektive adaptive Systeme aus der Perspektive der Spieltheorie. Dieser Zweig der Mathematik wurde bereits erfolgreich auf verschiedene Gebiete wie Wirtschaft, Sozialwissenschaften, Biologie, Politologie, Ingenieurwissenschaften und Informatik angewendet.

In der Spieltheorie werden Entscheidungssituationen modelliert, in denen sich mehrere Beteiligte gegenseitig beeinflussen. So sollen die Entscheidungen der Beteiligten vorhergesagt werden, sofern diese sich rational verhalten. Komponenten werden als Spieler angesehen, ihr Verhalten als Strategien und Spezifikationen als Siegbedingungen.

Das übergeordnete Projektziel bestand darin, unter Anwendung dieser mathematischen Theorie Möglichkeiten zu finden, Komponenten so anzuordnen, dass sie die bestmöglichen Ergebnisse erzielen. Dies ist natürlich einfacher gesagt als getan. Kollektive adaptive Systeme enthalten Komponenten, die fortlaufend untereinander und mit ihrer Umgebung interagieren und die sich gegenseitig verstärken oder sich gegensätzlich verhalten können. Komponenten kollektiver adaptiver Systeme können sich auch mit der Zeit anpassen oder sogar wegfallen, was etwa an den Prozessen des Ökosystems deutlich wird.

Dennoch konnten die Wissenschaftler von CASSTING unter Anwendung der Spieltheorie neue algorithmische Analyseverfahren entwickeln, um das Verhalten komplexer Systeme vorauszusagen. In einer Fallstudie des Projekts wurde ein komplexes System für eine Fußbodenheizung entwickelt. Vor diesem Hintergrund wurden mehrere neuartige Konzepte ausgearbeitet, mit denen eine vollautomatische Kommunikation zwischen den Hardwarekomponenten dieses Heizsystems ermöglicht werden soll.

Ein adaptiver Online-Synthesealgorithmus wurde entwickelt, mit dem wiederholt optimale Strategien für die nahe Zukunft berechnet werden können. Anschließend wurde ein Gerät hergestellt und demonstriert, wobei nachgewiesen wurde, dass die Temperatur eines Hauses mit diesem erheblich besser geregelt werden kann als mit herkömmlichen Thermostaten.

In einer weiteren Fallstudie wurde ein Häuserblock analysiert, der mit Photovoltaikanlagen ausgestattet war, die an das Stromnetz angeschlossen waren. Jeder Haushalt konsumiert und produziert Energie, die gekauft und verkauft werden kann. Diese Situation wurde mit der Spieltheorie dargestellt: Jeder Haushalt ist ein Akteur, dessen Handlungen sich aus dem Verkaufen, Kaufen und Konsumieren von Energie zusammensetzen. Algorithmen wurden entwickelt, um für jeden Haushalt unter Berücksichtigung seiner spezifischen Bedingungen ein gutes Handels- und Konsumverhalten zu ermitteln.

Die nächste Herausforderung besteht nun in der Entwicklung von Algorithmen und programmierbaren Komponenten für weitere komplexe Systeme. So entstehen neue Möglichkeiten für komplexe Systeme, z. B. für Gebäudeautomation und Smart Homes sowie für eine effiziente industrielle Fertigung.

Weitere Informationen finden Sie auf:
CASSTING-Projektwebsite

Länder

Frankreich