Method Article

ガウス過程回帰を用いた人力エネルギー生成の最適化

DOI:

10.3791/69810

⸱

January 16th, 2026

 ,  ,  , 
1Key Laboratory of 3D Micro/Nano Fabrication and Characterization, School of Engineering, Westlake University, 2Zhejiang Engineering Research Center of Micro/Nano-Photonic/Electronic System Integration, 3Hangzhou Navigation Instrument Co., Ltd, 4Department of Electronic and Information Engineering, School of Engineering, Westlake University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

このプロトコルはガウス過程回帰を用いて人力発電システムを最適化し、生理的安全性を維持しつつ80%〜90%の効率を達成し、運動を持続可能なエネルギー生産に変換する再現可能な方法を提供し、失業と再生可能エネルギーの課題の両方に対応します。

Abstract

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本プロトコルは、技術的失業と再生可能エネルギー需要を同時に解決するための人力発電システムのためのガウス過程回帰(GPR)最適化フレームワークを提示します。7人の参加者が、4つのバッテリー電圧(12V、24V、36V、48V)と4つの電気負荷(10W、30W、50W、70W)を組み合わせ、16の構成で112回の試験を行い、改造された固定式自転車発電機を使用しました。GPRモデルは自動関連性決定(ARD)指数関数カーネルを組み込み、ペダリング速度、圧力、電圧、負荷パラメータを発電効率にマッピングし、予測の不確実性を定量化しました。2Hzでのリアルタイムデータ取得により、ホール効果センサー、ひずみゲージ、電力解析器を用いてModbus通信プロトコルを用いた機械的および電気的パラメータを捉えました。最適化されたシステムは、変動係数(CoV)が15%未満の理論上最大効率を80%〜90%達成し、商用システムの60%〜70%効率および25%〜35%の変動率を上回るものでした。GPR予測では、スパース近似技術によりR² = 0.713を10ms未満の遅延で実証し、リアルタイム制御が可能となりました。最適な運用パラメータは体系的に変動し、低負荷では50〜70Nの圧力で150〜180回転毎分(RPM)を必要とし、高負荷は100〜120回転、100〜150Nの圧力でピークに達しました。48V構成は12Vベースライン(相対効率指数REIで基準値=100%に正規化)に比べて効率が68%向上しました。フェーズ特異的モニタリングにより、疲労の発症は35〜40分で特定され、事後不確実性に基づくリスク意識に基づく制御調整が行われました。このプロトコルは、エネルギー生成と生理学的制約のバランスを取る定量的手法を確立し、トントンが0.18ドル/kWhの電気料金で収支が起こるフィットネス施設で人力システムを導入するための再現可能な枠組みを提供します。

Introduction

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人工知能主導の自動化と気候変動の融合は、技術的失業と持続可能なエネルギー転換の両方に対応する革新的な解決策を必要とする前例のない課題を突きつけています。実証的分析によると、2025年までに8,500万件の雇用喪失が予測されており、コンピュータおよび数学職では失業率が2.8ポイント増加すると見込まれています。1.同時に、2025年2月には大気中のCO₂濃度が426.9ppmに達し、再生可能エネルギー容量の緊急拡大が必要となりました。本論文は、雇用機会を創出し、クリーンエネルギー生産に貢献するインテリジェント人力発電(HPEG)システムを通じて、両方の危機に同時に対処する新しいアプローチを提示します。人間の生体力学データの特性である高い変動性、非線形関係、生理学的制約に合わせた機械学習最適化を適用することで、避難労働者を持続可能なエネルギー生成の生産的な貢献者へと変革できるフレームワークが開発されます。このアプローチは、ユーザー固有の指標に基づいて身体運動や食事プランをパーソナライズするインテリジェントな推奨システムの最近の進歩と一致しています。6.

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Protocol

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この研究は固定式自転車を用いた非侵襲的な運動試験を含み、参加者にとってリスクは最小限にとどまりました。すべての参加者は健康な成人ボランティアであり、実験的手技、いつでも撤退できる権利、データの機密保持に関する詳細な情報を受け取った上で口頭でインフォームド同意を提供しました。この手続きは、人間を対象とした研究においてヘルシンキ宣言の倫理原則に従って行われました。

1. HPEGの総会

  1. 機械構造組立
    注意:すべての機械的改造は、換気の良い作業スペースで、安全メガネや作業用手袋などの適切な安全装備を着用して行うべきです。最近の人力エネルギーハーベスティングシステムの進歩により、最適化された機械的結合により効率の向上が示されています24,25.機械部品の設置効果図は以下に示されています。 図2.
    1. エクササイズバイクのフレームを安定した作業台に置き、ベースマウントポイントに4つのCクランプで固定します。縦軸と横軸の両方でデジタルの水平器を使ってフレームの水平性を検証します。フレームアライメントは電力伝送効率に直接影響し、ミスアライメント>2°はシステム全体の効率を8%〜12%低下させます

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Results

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効率とは熱力学的変換効率(0-100%)を指します。REIとは相対効率指数(観測/基準値)×100%で計算され、100%を超えることもあります。異質な環境を比較するために、観測された効率を固定ベースライン構成(12 V-70 W)で割って計算する相対効率指数(Relative Efficiency Index)が用いられます。したがって、REI = 110%は基準値に対して10%の利得を示し、100%を超える熱力学的効率を示すものではありません。REIと表示されていない限り、効率は従来の換算効率を指します。図の陰影部分は95%信頼区間を示しています。

モデルのパフォーマンス指標の明確化: この論文では2つのR²値が報告されています。交差検証R² = 0.681(3.3節)は、ハイパーパラメータ選択時にホールドアウトされたフォールド上で評価されたモデル一般化性能を表しています。全データセットのR² = 0.713(第1節)は、最適化されたハイパーパラメータを用いた112件すべての試験.......

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Discussion

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HPEGシステムにおけるGPRベースの最適化の成功は、機械的結合精度と計算効率に大きく依存しています。リムのみの構成は不可欠であり、完全な車輪アセンブリは回転慣性の変化により追尾効率を35%〜45%低下させました。特に重要な偏差が早期故障や過剰な寄生損失を引き起こし、GPR予測精度に直接影響を与えたため、ベルト張力の校正が350±50Nに調整されました。Vベルトトランスミッションは約8%の機械的損失をもたらしましたが、発電機の最適な効率帯28内での運転を維持するために必要な速度倍率(12.4:1)を実現しました。計算的には、誘導点を用いたスパース近似(式7)により予測遅延は47msから10ms未満に短縮されましたが、ノイズ追跡時の振動行為を防ぐためにリスク調整制御パラメータ(λリスク=1.5)の慎重な調整が必要でした。実用的な展開は、3つの一般的な故障モードに対処する必要があります。効率の偏差>15%は通常.......

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Disclosures

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著者らは、本稿で論じた主題や資料に関して、いかなる組織や団体にもいかなる提携や関与もないと宣言します。

Acknowledgements

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この研究はウェストレイク大学の科学研究資金プロジェクト助成金番号WU2024A001によって資金提供されました。著者らは、実験参加者のジャン玉琪、曾麗麗、羅千エム、楊斌、陳子漢、李玉恒、スクロン・アミンの皆様に、データ収集への貴重な貢献に心から感謝申し上げます。

....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
交流コンセントモジュール(中国GB/T、パネルタイプ)10/16A、埋め込みカセット、チャイルドプロテクターシャッター5穴のデスクトップAC電源ソケット(黒) 婉雨
調整可能なポリウレタンVベルトABCZMタイプ、ジョインテッドPUベルトABCZMユニバーサルジョインテッドポリウレタンVベルト(スタッド有無)/—
可変レンチ6インチ、レーザースケール調整可能なレンチ 6インチオープンジョー、ポリッシュハンドル 250006 ルイネン
オルタネーター、三相永久磁石300 W、24 V(記載通り)300–400Wの三相交流永久磁石交流発電機、300W、24V 酒年(ジュニアン)
バッテリーパック、携帯型発電所2400Wの大容量ポータブルユニット2400Wのポータブルバックアップ発電所、多機能太陽光エネルギー貯蔵/—
自転車チェーン1/2インチと時間;1/8インチ、引張強度920kgf、伸長限界0.5%KMC X101
自転車コンピューター(ワイヤレス)防水、夜間バックライト、速度/走行距離計ワイヤレス大型スクリーン自転車コンピューター、防水、バックライト/—
自転車トレーナー(磁気ローラー、折りたたみ式)磁気抵抗、通気フライホイール、デュアルロックノブ磁気抵抗ローラートレーナー、折りたたみ式/—
自転車、道路(700C)700Cホイール、ギア付き700Cエアロロードバイク、マルチスピード 永遠に、永九
チャージコントローラー、MPPT(12/24 V)オート 12/24 V、20 A(記載通り)MPPT 太陽光充電コントローラー 12/24 V 20 A 蘭生
電流センサー、ホール効果±100A、20mV/A±0.5%、BW=120kHzACS758LCB-100B
ダイオード(ブロッキング)とmdash;正確な装置の確認リストミックス:ショットキーダイオード/双方向トライアック/IXFN132N50P3IXFN132N50P3(リストにはショッキーダイオードおよび双方向トライアックの主張)/ —
ダイオード、超高速復帰200V V_RRM、30A I_F(AV)、35ns t_rrRHRG30120
電気テープ(PVC)9mロールエレクトリックテープ ET6 9 m ブル
電子負荷、プログラム可能200W連続、0--500V、0-120ABKプレシジョン8500
マイコン、32ビットARM Cortex-M4、72MHz、12ビットADC@5MSPSSTM32F334C8T6
MOSFET、PチャネルRDS(on)<10mΩ、200V、-12AIRFP9240
マルチメーター、デジタルバックライト付きで過負荷保護デジタルマルチメーターDEM23、バックライト、焼失防止 デリキシー
マルチメーター、精密6.5桁、DCV精度0.0035%フルーク 8845Aフルーク
オペアンプ、クアッドレール・トゥ・レール、Vos<2mV、1MHz GBWMCP6004
永久磁石発生器24V/300W、12極、NdFeB N42磁石YC-FD300
リセット可能な回路ブレーカー(プッシュ・トゥ・リセット)3–50 Aシリーズ(リスト通り)サーマルリセットブレーカー 88/98シリーズ/AR 3–50 A クオユフ
ドライバーセット(プラス/フラット)6×100mm、磁気チップ、2ピース磁気マイナスドライバーセット 6×100 mm(2個入り) フィリップス
ソフトウェア、プログラミング言語バージョン3.8、GUIフレームワーク付きパイソン
端子台、単一位置(DIN/パネル)IN-100BK、130 Aクラス(記載あり)DINレール端末ブロック IN-100BK、単一位置 魏連惇
端子台、単一位置(DIN/パネル)IN-411S、60 Aクラス(記載通り)DINレール端末台 IN-411S、単一位置 魏連惇
タイヤレバー(ペア)12インチ(30cm)、2個セットタイヤレバーは12インチ(ペア) 成州
TVSダイオード135Vクランプ、ピーク1500W、1PSの応答1.5KE100A
ワイヤーコネクター、圧着クイックディスコネクト(弾丸)1.5–2.5mm²、ナイロン、青、100セットバレットクイックディスコネクトワイヤーコネクター、青(100セット) ゴトーレ
ワイヤーストリッパー/クリンパー7インチ、多機能7インチ多機能ワイヤーストリッパー DL902200 デリ
ワイヤー、シリコーン(12 AWG & ASYMP; 3.4 mm²)高温シリコーン断熱材、1 mシリコーンワイヤー 12 AWG(およびアサインプ;3.4 mm²)1 m 蘭江

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Nartey, J. AI job displacement analysis (2025-2030). 5316265, SSRN. (2025).
  2. Kozhagulov, S., et al. Trends in atmospheric emissions in central asian countries since 1990 in the context of regional development. Climate. 13 (9), 176(2025).

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