Ин таҳқиқот усули думарҳилавие таҳия кардааст, ки ба шабакаҳои нейронии огоҳ аз физика асос ёфта, барои пешгӯии ҳарорати оперативии дохилии як бинои таърихии ҷамъиятӣ ва истеъмоли барқ барои хунуккунӣ пас аз як соат истифода мешавад. Шабакаи нейронии огоҳ аз физика равиши омӯзиши мошинӣ мебошад, ки ба ҷойи танҳо омӯхтани намунаҳо аз маълумоти гузашта, муносибатҳои физикӣ, ба монанди ҳифзи энергияро ба функсияи талафоти омӯзишӣ ворид мекунад.

Иншооти намунавии таҳқиқот Ситоди 4-уми минтақавии фазои ҳавоии Нерӯҳои Шоҳии Ҳавоӣ, ки бо номи казармаи ZAT низ маъруф аст, дар шаҳри Bari-и Италия буда, дар аввали солҳои 1930 сохта шудааст. Ин бинои чорқабата бо масоҳати умумии тақрибан 7559 m² имрӯз ҳамчун идораи ҷамъиятӣ истифода мешавад. Деворҳои ғафси туфӣ ва фаршҳои бетонӣ массаи баланди гармиро таъмин мекунанд, аммо гармигузаронии девор, бом ва тирезаҳо нисбат ба меъёрҳои муосири самаранокии энергетикӣ баланд аст.

Дар таҳқиқот маҷмӯи маълумоти аз ченкуниҳои мустақими пайвастаи сенсорҳо иборат истифода нашудааст. Аввал бо истифода аз ҳуҷҷатҳои бойгонӣ, бозрасии маҳал, ченкуниҳои даврӣ, фикри корбарон ва истеъмоли таърихии энергия дар муҳити DesignBuilder–EnergyPlus модели энергетикии бино сохта шуд. Баъд аз натиҷаҳои соатбайъии симулятсияи ин модел барои давраи июн–август маҷмӯи синтетикии 2208 намуна тавлид шудааст.

Шабакаи нейронии огоҳ аз физика дар ду марҳилаи пайдарпай кор мекунад. Марҳилаи якум аз вурудҳое чун ҳарорати оперативии ҷорӣ, ҳарорати ҳавои беруна, дастоварди офтобӣ, дастовардҳои дохилӣ аз корбарон, вентилятсия ва бори хунуккунӣ ҳарорати оперативиро пас аз як соат пешгӯӣ мекунад. Марҳилаи дуюм ҳарорати пешгӯишударо бо дигар вурудҳои энергия ва истифода якҷоя карда, истеъмоли барқи хунуккуниро пас аз як соат ҳисоб мекунад.

Дар омӯзиши шабака на танҳо фарқи байни пешгӯӣ ва қимати истинод истифода шуд; боқимондаи муодилаи тавозуни энергетикии бино низ ба функсияи талафот илова гардид. Ҳамин тавр, ҳадаф ин буд, ки шабака ҳангоми мутобиқ шудан ба маълумоти синтетикӣ ба муносибати муайяншудаи термодинамикӣ низ наздик шавад. Модел панҷ қабати пинҳонӣ, 256 нейрон дар ҳар қабат ва функсияи фаъолсозии тангенси гиперболикиро истифода мебарад. Дар омӯзиш усулҳои оптимизатсияи Adam ва L-BFGS-B ва барои интихоби коэффисиентҳои физикӣ Tree-structured Parzen Estimator дар асоси Optuna татбиқ шудаанд.

Дар маҷмӯи мустақили тестӣ бо тартиби вақт барои ҳарорати оперативӣ 0,091 °C RMSE, %0,34 CVRMSE, 0,025 °C MBE ва %0,09 NMBE гузориш шудааст. Барои истеъмоли барқи хунуккунӣ RMSE 2,12 kWh, CVRMSE %9,95, MBE 0,04 kWh ва NMBE %0,19 дода шудааст. Ин қиматҳо нишон медиҳанд, ки модел силсилаи вақтии истинодии аз ҷониби EnergyPlus тавлидшударо бо дақиқии баланд бозтавлид кардааст.

Модели огоҳ аз физика нисбат ба perceptron-и бисёрқабата, Random Forest ва регрессияи хаттии истифодашуда дар таҳқиқот хатои камтар додааст. Гузориш шудааст, ки RMSE-и ҳарорати оперативӣ нисбат ба моделҳои муқоисавӣ %96,7–98,6 ва RMSE-и истеъмоли хунуккунӣ %24,3–68,4 кам шудааст.

Аммо ин иҷро ба маълумоти пайвастаи ҳарорат ва барқи аз бинои воқеии таърихӣ ченшуда нисбат дода ва тасдиқ нашудааст. Ҳадафҳои омӯзиш ва тест аз ҳамон модели EnergyPlus тавлид шудаанд. Аз ин рӯ таҳқиқот нишон намедиҳад, ки шабакаи огоҳ аз физика ҳарорати воқеии биноро бо хатои 0,091 °C пешгӯӣ кардааст; он нишон медиҳад, ки баромади модели симулятсионии гуфташудаи калибршуда бо ҳамин хато бозтавлид шудааст.

Дар арзёбии мутобиқати физикии манбаъ низ масъалаҳои муҳими шаффофият вуҷуд доранд. Дар муодилаҳои тавозуни энергия воҳидҳои гуногун бе табдили ошкор якҷоя карда шудаанд, инҳирофи стандартии боқимондаи физикӣ тақрибан \(1{,}39\times10^8\) kW гузориш шуда, бо вуҷуди ин инҳирофҳо хурд шарҳ дода шудаанд. Дар графикҳо пешгӯиҳои манфии истеъмоли хунуккунӣ ва баъзе инҳирофҳои калоне мавҷуданд, ки бо RMSE-и гузоришшуда мувофиқ карданашон душвор аст.

Аз ин рӯ таҳқиқот digital twin-и барои истифодаи воқеии бино омода ва тасдиқшударо пешниҳод намекунад. Таърифи дақиқтар ин аст, ки он намоиши умедбахши усулест, ки барои зуд тақлид кардани маълумоти синтетикии симулятсияи бинои таърихӣ ва истифодаи тавозуни энергия ҳамчун танзимгари омӯзиш таҳия шудааст.

Арзёбӣ аз нуқтаи назари Туркия: Биноҳои таърихии ҷамъиятӣ, музейҳо, биноҳои маъмурӣ, хонҳо, қасрҳо ва иншооти сабтшуда дар Туркия ҳангоми навсозии энергетикӣ бо маҳдудиятҳои шабеҳи ҳифз рӯ ба рӯ мешаванд. Моделҳои огоҳ аз физика барои табдил додани симулятсияҳои энергетикии бино ба абзорҳои зудтари пешгӯӣ дар ҷойҳое, ки насби зичи сенсорҳо имконнопазир аст, арзишманд мебошанд. Аммо модели аз як бино дар Италия ва танҳо аз давраи тобистон тавлидшударо мустақиман ба Туркия интиқол додан мумкин нест. Иқлими маҳаллӣ, навъи санг ё хишт, хусусиятҳои тиреза, сояафканӣ, рафтори корбар, системаи HVAC ва қарорҳои ҳифз бояд аз нав муайян шаванд; натиҷаҳо бояд бо ҳисобкунакҳои воқеӣ ва сенсорҳои мустақили дохилӣ тасдиқ шаванд.

Саволи асосии таҳқиқот чист?

Саволи асосии таҳқиқот ин аст, ки оё дар бинои таърихие, ки маълумоти пайваста ва фарогири саҳроӣ надорад, ҳарорати оперативии дохилӣ ва истеъмоли барқи хунуккунӣ барои як соати баъдро бо истифода аз шабакаи нейронии дастгиришуда бо қонунҳои физика пешгӯӣ кардан мумкин аст.

Муҳаққиқон барои се мушкили асосӣ роҳи ҳал ҷустуҷӯ кардаанд:

• Маҳдуд будани маълумоти сенсор ва энергия дар биноҳои таърихӣ,
• Имкони тавлиди натиҷаҳои аз ҷиҳати физикӣ номумкин аз ҷониби моделҳои анъанавии омӯзиши мошинӣ,
• Хароҷоти ҳисоббарории такроран иҷро кардани моделҳои муфассали энергетикии бино, ба монанди EnergyPlus, барои назорати вақти воқеӣ.

Ҳалли пешниҳодшуда симулятсияи муфассалро пурра нест намекунад. Аввал бо модели EnergyPlus маълумоти омӯзиш тавлид мешавад, баъд шабакаи нейронӣ ба модели суррогатии тезтари ҳамин симулятсия табдил меёбад.

Чаро пешгӯии энергия дар биноҳои таърихӣ душвор аст?

Биноҳои таърихӣ, бар хилофи биноҳои муосир, мавод ва деталҳои стандартизатсияшуда надоранд. Санг, туф, хишт, чӯб, маҳлул ва системаҳои фаршии хоси давраи сохтмон шояд дар каталогҳои маҳсулоти имрӯза вуҷуд надошта бошанд. Қабатҳои бино метавонанд бо дахолатҳои баъдӣ тағйир ёфта бошанд, ҳуҷҷатҳои бойгонӣ гум шуда бошанд ё дастрасии физикӣ ба унсурҳои сохтмон маҳдуд бошад.

Қонунгузории ҳифз низ имконоти ченкунӣ ва навсозиро маҳдуд мекунад. Ҷойгир кардани сенсор дар девор, иваз кардани тиреза, изолятсияи фасад ё кушодани сатҳҳои аслӣ метавонад ба арзиши таърихӣ зарар расонад. Аз ин рӯ ҷамъоварии муфассали маълумот нисбат ба бинои муосири офисӣ душвортар ва гаронтар аст.

Аз тарафи дигар, массаи баланди гармии деворҳои ғафси масонӣ боис мешавад, ки тағйироти ҳавои беруна бо таъхир ба дохил расанд. Вақте шумораи корбарон, кушодани тиреза, дастоварди офтобӣ, бори таҷҳизот ва хунуккунии механикӣ ҳамзамон тағйир мекунанд, байни ҳарорати оперативӣ ва талаботи энергия муносибатҳои ғайрихаттӣ ва дорои таъхири вақт ба вуҷуд меоянд.

Ҳарорати оперативӣ чист?

Ҳарорати оперативӣ бузургии роҳати гармиест, ки на танҳо ҳарорати ҳавои дохилӣ, балки таъсири ҳарорати миёнаи радиатсионӣ аз сатҳҳои атрофро низ ифода мекунад. Дар суръати пасти ҳаво онро аксаран ҳамчун омезиши вазндори ҳарорати ҳаво ва ҳарорати миёнаи радиатсионӣ тасаввур кардан мумкин аст.

Дар бинои таърихӣ ҳарорати сатҳи деворҳо ва фаршҳои ғафс метавонад аз ҳарорати ҳавои дохилӣ фарқ кунад. Аз ин рӯ танҳо ҳарорати ҳаво муҳити гармие, ки корбарон ҳис мекунанд, пурра шарҳ намедиҳад. Таҳқиқот аз ҳамин сабаб ҳарорати оперативиро ҳамчун ҳадафи пешгӯии роҳат истифода кардааст.

Шабакаи нейронии огоҳ аз физика чист?

Шабакаи нейронии анъанавӣ муносибати омории байни вурудҳо ва қиматҳои ҳадафро меомӯзад. Ҳангоми омӯзиш бо кам шудани хатои пешгӯӣ модел муваффақ ҳисоб мешавад. Аммо ин равиш шартҳои физикӣ, ба монанди ҳифзи энергия ё интиқоли гармиро худкор кафолат намедиҳад.

Дар шабакаи нейронии огоҳ аз физика талафоти умумӣ аз ду қисми асосӣ иборат аст:

\[ L_{\mathrm{total}} = \lambda_{\mathrm{data}}L_{\mathrm{data}} + \lambda_{\mathrm{physics}}L_{\mathrm{physics}} \]

Дар ин ҷо:

• \(L_{\mathrm{data}}\), хатои маълумот байни қимати пешгӯишуда ва қимати истинод аст.
• \(L_{\mathrm{physics}}\), боқимондаи физикӣ мебошад, ки то чӣ андоза пешгӯиҳо аз муодилаи муайяншудаи тавозуни энергия дур шудаанд, чен мекунад.
• \(\lambda_{\mathrm{data}}\) ва \(\lambda_{\mathrm{physics}}\), вазнҳои нисбии ду талафот дар омӯзиш мебошанд.

Ҳадаф сохтани шабакаест, ки на танҳо ба нуқтаҳои маълумоти истинод наздик шавад, балки натиҷае диҳад, ки бо муодилаи муайяншудаи физикӣ низ мувофиқ аст.

Кадом бинои таърихӣ дар таҳқиқот баррасӣ шудааст?

Иншооти намунавӣ казармаи ZAT мебошад, ки дар соҳили баҳр дар шаҳри Bari ҷойгир аст. Он дар аввали солҳои 1930 ҳамчун Ситоди 4-уми минтақавии фазои ҳавоии Нерӯҳои Шоҳии Ҳавоӣ сохта шуда, имрӯз ҳамчун идораи ҷамъиятӣ истифода мешавад.

Шакли 3 дар саҳифаи 7-и таҳқиқот ҷойгиршавӣ дар миқёси Италия, Puglia ва Bari, ҷойгиршавии бино дар тасвири моҳвораӣ ва фасади асосии таърихии рӯ ба баҳрро якҷоя нишон медиҳад. Бино фасади симметрӣ ва монументалӣ дорад, ки бо ду манора таъкид шудааст.

Хусусиятҳои гармии пӯсти бино кадомҳоянд?

Қиматҳои гармигузаронии унсурҳои бино бо истифода аз лоиҳаҳои бойгонӣ, бозрасии визуалӣ ва пойгоҳҳои стандартии маълумоти термофизикӣ аз нав сохта шудаанд. Санҷиши мустақими U-value бо ченкунии ҷараёни гармӣ дар маҳал гузаронида нашудааст.

Шакли 4 дар саҳифаи 8 буришҳои схемавии қабатҳои девори беруна, фарш, бом ва тиреза ва гармигузаронии ҳисобшударо нишон медиҳад.

Деворҳои беруна ва фаршҳои бетонӣ қобилияти баланди нигоҳдории гармиро таъмин мекунанд. Иқтидори умумии самараноки гармӣ бо муносибати зерин ҳисоб шудааст:

\[ C=\sum_i \rho_i c_{p,i}V_i \]

Дар ин ҷо \(\rho_i\) зичии мавод, \(c_{p,i}\) иқтидори хоси гармӣ ва \(V_i\) ҳаҷмро нишон медиҳад. Иқтидори умумии самараноки гармии ҳисобшуда барои бино:

\[ C=1{,}1286\times10^9\ \mathrm{J/K} \]

дода шудааст.

Системаи гармидиҳӣ, хунуккунӣ ва вентилятсия чӣ гуна аст?

Гармидиҳӣ бо деги дизелӣ, ки самаранокии мавсимии тахминии он тақрибан %85 аст, қубурҳои тақсимотии пӯлоди сиёҳ ва радиаторҳои оҳанин таъмин мешавад. Оби гарм барои истифода аз контури ҷудогонаи дег таъмин мешавад.

Барои хунуккунии минтақаҳои офисӣ системаҳои variable refrigerant flow, ки аз рӯи қабатҳо минтақабандӣ шудаанд, истифода мешаванд. Дар модели энергия коэффисиенти номиналии иҷрои хунуккунӣ 3,2 қабул шудааст.

Гуфта шудааст, ки вентилятсияи табиӣ вақте фаъол мешавад, ки ҳарорати дохилӣ дар ҳудуди 25–29 °C бошад ва ҳавои беруна ҳадди ақал 1 °C хунуктар бошад. Барои infiltration дар матни асосӣ қимати 0,8 h⁻¹ дода шудааст.

Аммо қиматҳои вентилятсия дар замимаҳо бо ҳам мувофиқ нестанд:

Шарҳ дода нашудааст, ки ин қиматҳо минтақаҳои гуногуни модел, ҳолатҳои гуногуни кор ё марҳилаҳои гуногуни коркарди маълумотро ифода мекунанд ё не.

Маълумоти омӯзиш чӣ гуна тавлид шудааст?

Геометрияи бино, пӯсти бино, ҷадвалҳои корбар, равшанӣ, бори таҷҳизот, вентилятсия ва хусусиятҳои HVAC дар муҳити DesignBuilder моделсозӣ шуда, ҳисобҳо бо муҳаррики EnergyPlus анҷом дода шудаанд.

Бо истифода аз маълумоти иқлимии IGDG барои Bari-Palese симулятсияи соатбайъ барои моҳҳои июн, июл ва август гузаронида шудааст. Давраи семоҳа:

\[ 92\ \mathrm{gün}\times24\ \mathrm{saat}=2208\ \mathrm{saat} \]

маълумот тавлид кардааст.

Маълумот бо нигоҳ доштани тартиби вақт ба ду қисм ҷудо шудааст:

Нигоҳ доштани тартиби вақт барои пешгирии ворид шудани маълумоти ояндаи тест ба маҷмӯи омӯзиш тавассути омехтани тасодуфӣ муносиб аст. Аммо маҷмӯи ҷудогонаи validation нигоҳ дошта нашудааст. Муфассал шарҳ дода нашудааст, ки Optuna дар маълумоти омӯзиш чӣ гуна validation анҷом додааст ё overfitting-ро чӣ гуна назорат кардааст.

Истифодаи маълумоти синтетикӣ чӣ маъно дорад?

Маълумоти синтетикӣ маълумотест, ки на аз сенсори физикӣ бевосита, балки аз модели ҳисоббарорӣ тавлид шудааст. Дар ин таҳқиқот ҳарорат ва қиматҳои барқии “истинод”, ки шабака ҳадаф гирифтааст, аз симулятсияи EnergyPlus омадаанд.

Ин равиш таҳияи усулро барои бинои таърихие, ки бинобар маҳдудиятҳои ҳифз дар он ченкунии пайваста имконнопазир аст, осон мекунад. Аммо шабакаи нейронӣ тамоми рафтори номаълуми бинои воқеиро не, балки фарзияҳои дар модели EnergyPlus кодшуда меомӯзад.

Масалан, агар рафтори кушодани тиреза аз ҷониби корбарон, хатои сенсор, вайроншавии VRF, норасоии нигоҳдорӣ, сояафкании маҳаллӣ, таъсири намӣ ё тағйири ғайричашмдошти истифода ба модели EnergyPlus дуруст ворид нашуда бошад, шабакаи нейронӣ ҳам онҳоро омӯхта наметавонад.

Модели энергетикии бино чӣ гуна калибр шудааст?

Тибқи манбаъ, модели энергетикии бино бо истифода аз истеъмоли гази табиӣ ва барқи солҳои 2022–2024, ҳуҷҷатҳои бойгонӣ, ченкуниҳои даврии ҳарорат ва фикри корбарон калибр шудааст. Гуфта шудааст, ки ASHRAE Guideline 14–2023 ва IPMVP Option D риоя шудаанд.

Бо вуҷуди ин, таҳқиқот далелҳои зерини калибркуниро муфассал пешниҳод намекунад:

• Ҷадвали истеъмоли моҳонаи энергия — ченшуда ва ҳисобшуда,
• NMBE-и моҳона ё соатбайъ барои модели энергетикии бино,
• CVRMSE барои модели энергетикии бино,
• Муқоисаи ченкуниҳои даврии ҳарорати дохилӣ бо симулятсия,
• Қиматҳои параметрҳои номуайян пеш ва баъд аз калибркунӣ,
• Давраи validation-и калибркунӣ, ки аз давраи омӯзиш мустақил бошад.

Аз ин рӯ, ҳатто агар изҳорот дар бораи кофӣ намояндагӣ кардани бинои воқеӣ аз ҷониби симулятсия қабул шавад, хонанда наметавонад ин мувофиқатро мустақилона аз натиҷаҳои ададии нашршуда дубора арзёбӣ кунад.

Марҳилаи якум ҳарорати оперативиро чӣ гуна пешгӯӣ мекунад?

Марҳилаи якум вурудҳои гармӣ ва муҳитиро дар вақти \(t\) истифода бурда, ҳарорати оперативиро дар соати \(t+1\) пешгӯӣ мекунад.

Шакли 6 дар саҳифаи 10-и таҳқиқот вурудҳои асосии марҳилаи якумро чунин нишон медиҳад:

• Ҳарорати ҳавои беруна \(T_{\mathrm{out}}\),
• Вентилятсияи табиӣ ва infiltration \(ACH\),
• Дастоварди дохилӣ аз корбар \(Q_{\mathrm{occ}}\),
• Дастоварди офтобӣ \(Q_s\),
• Бори sensible cooling \(Q_{\mathrm{cool}}\),
• Ҳарорати оперативии ҷорӣ \(T_o\),
• Иқтидори самараноки гармӣ \(C\),
• Коэффисиенти умумии интиқоли гармӣ \(H\),
• Ҳосилаҳои тағйири вақт ва ҳарорат.

Тағйирёбандаи ҳадаф:

\[ T_{o,t+1} \]

муайян шудааст.

Муодилаи энергия дар марҳилаи якум чист?

Муодилае, ки дар манбаъ барои модели ҳарорат дода шудааст, чунин аст:

\[ \alpha C\frac{\partial T_o}{\partial t} = \beta\left(Q_{\mathrm{cool}}+Q_s+Q_{\mathrm{occ}}\right) - \gamma H\left(T_o-T_{\mathrm{out}}\right)\partial t \]

Дар ин ҷо:

• \(C\), иқтидори самараноки гармӣ мебошад.
• \(T_o\), ҳарорати оперативӣ мебошад.
• \(Q_{\mathrm{cool}}\), бори хунуккунӣ мебошад.
• \(Q_s\), дастоварди офтобӣ мебошад.
• \(Q_{\mathrm{occ}}\), дастоварди дохилии гармӣ аз корбар аст.
• \(H\), коэффисиенти умумии интиқоли гармии пӯсти бино мебошад.
• \(T_{\mathrm{out}}\), ҳарорати ҳавои беруна мебошад.
• \(\alpha\), \(\beta\) ва \(\gamma\), коэффисиентҳои миқёскунӣ мебошанд, ки бо Optuna танзим шудаанд.

Дар манбаъ терминҳои \(Q\) бо kWh, \(C\) бо J/K, \(H\) бо W/K ва ҳосилаи ҳарорат дар миқёси вақти соатбайъ дода шудаанд. Коэффисиентҳои ошкоре, ки ҳамаи терминҳои муодиларо ба як воҳиди умумии энергия ё қувва табдил медиҳанд, нишон дода нашудаанд.

Илова бар ин, термини охирини талафоти гармӣ дар манбаъ гӯё ба \(\partial t\) зарб шудааст. Шарҳ дода нашудааст, ки ин аломат интеграли вақт, қадами вақт ё хатои типографӣ аст. Аз ин рӯ муодила, ба шакле ки дар манбаъ навишта шудааст, аз ҷиҳати воҳидҳо якмаъно нест.

Дар Ҷадвали A.1 бори хунуккунӣ аз −293,50 то 0 kWh дода шудааст. Дар муодила \(Q_{\mathrm{cool}}\) бо аломати “плюс” ба дигар дастовардҳо илова шудааст. Агар қимати манфӣ истифода шавад, ин метавонад баровардани энергия аз минтақа тавассути хунуккуниро нишон диҳад; аммо convention-и аломат дар матн равшан муайян нашудааст.

Талафоти физикӣ чӣ гуна истифода мешавад?

Талафоти умумӣ барои модели ҳарорати оперативӣ дар матни асосӣ чунин муайян шудааст:

\[ L_{\mathrm{total}} = 0{,}8L_{\mathrm{data}} + 0{,}2L_{\mathrm{physics}} \]

\(L_{\mathrm{data}}\), хатои миёнаи квадратӣ байни ҳарорати пешгӯишуда ва ҳарорати ҳисобкардаи EnergyPlus мебошад. \(L_{\mathrm{physics}}\), ба квадрати боқимондае асос меёбад, ки ҳангоми ворид кардани пешгӯии шабака ба муодилаи энергия мемонад.

Аммо дар Замима A.5 вазнҳои талафот барои ҳамон модел 0,5 data ва 0,5 physics дода шудаанд. Аз манбаъ дақиқ муайян кардан мумкин нест, ки кадом вазн дар натиҷаҳои ниҳоӣ истифода шудааст.

Optuna кадом параметрҳоро муайян кардааст?

Тибқи манбаъ, бо Optuna, ки Tree-structured Parzen Estimator истифода мебарад, 50 trial анҷом дода шудааст; ҳар trial барои 500 epoch омӯзонида шуда, convergence бештар дар 20–25 trial ба даст омадааст.

Матни асосӣ барои \(\beta\) ҳудуди ҷустуҷӯи \(10^{-6}\)–\(10^{-2}\) ва Замима A.4 ҳудуди \(10^{-6}\)–\(10^{-3}\) медиҳад. Гарчанде қимати ниҳоӣ дар ҳар ду ҳудуд аст, фазои воқеан истифодашудаи ҷустуҷӯ номуайян мебошад.

Дар тавсифи аввалини ҷараёни усул гуфта шудааст, ки learning rate, шумораи қабатҳо ва нейронҳо низ optimize шудаанд. Баръакс, Замима A.4 ошкоро мегӯяд, ки optimization-и пурраи hyperparameter-и меъморӣ анҷом дода нашудааст.

Меъмории шабакаи нейронӣ чӣ гуна аст?

Гирифтани миёнаи се шабака метавонад ҳассосиятро ба initialization-и тасодуфӣ кам кунад. Ислоҳи регрессияи хаттии баъдӣ bias-и систематикиро коҳиш медиҳад.

Аммо гуфта нашудааст, ки коэффисиенти ислоҳ танҳо аз маҷмӯи омӯзиш ҳисоб шудааст ё не. Агар ҳадафҳои тест истифода шуда бошанд, data leakage ба вуҷуд меояд. Манбаъ ин ҷузъиёти муҳимро равшан пешниҳод намекунад.

Марҳилаи дуюм истеъмоли барқи хунуккуниро чӣ гуна пешгӯӣ мекунад?

Дар марҳилаи дуюм пешгӯии \(T_{o,t+1}\), ки шабакаи якум тавлид кардааст, ҳамчун вуруди нав истифода шуда, истеъмоли барқи хунуккунӣ барои як соати баъд ҳисоб мешавад:

\[ E_{\mathrm{el,cool},t+1} \]

Дар байни вурудҳои ин марҳила ҳарорати оперативии ҷорӣ ва пешгӯишуда, ҳосилаи ҳарорат, ҳарорати ҳавои беруна, дастоварди офтобӣ, равшанӣ, равшании умумӣ, бори таҷҳизот, қувваи фанни HVAC ва мубодилаи ҳаво мавҷуданд.

Ҳадҳои болоии зичии қувваи сатҳӣ барои равшанӣ ва таҷҳизот барои як бинои офиси таърихӣ хеле баланданд. Шарҳ дода нашудааст, ки ин ҳадҳо аз табдили ҷамъҳои тамоми бино ба як воҳиди сатҳ омадаанд ё аз тағйирёбандаҳои муваққатии пеш аз стандартизатсия.

Муодилаи физикии модели хунуккунӣ чист?

Муносибати физикии дар марҳилаи дуюм дода шуда чунин аст:

\[ \alpha C\frac{\partial T_o}{\partial t} = \beta\left( Q_{\mathrm{cool}}+ Q_s+ Q_{\mathrm{occ}}+ Q_{\mathrm{vent}} \right) - \delta E_{\mathrm{el,cool}} \]

Дар ин муодила COP-и системаи хунуккунӣ 3,2 қабул шуда, бори sensible cooling бо истеъмоли барқ алоқаманд карда шудааст.

Коэффисиентҳои оптималии миқёскунӣ:

гузориш шудаанд.

Дар ин баробарӣ низ тарафи чап андозаи қувва дорад, баъзе терминҳои тарафи рост бо kWh ва истеъмоли барқ низ бо kWh дода шудаанд. Бо сабаби қадами вақти яксоата энергия ва қувваи миёна метавонанд аз ҷиҳати ададӣ ба ҳам вобаста бошанд; аммо манбаъ ин табдилро дар муодила равшан нишон намедиҳад.

Мушкилоти муҳимтар истифода шудани \(Q_{\mathrm{cool}}\) дар боқимондаи физикӣ мебошад. Истеъмоли барқи хунуккунӣ аллакай бузургиест, ки аз бори sensible cooling ва COP мустақиман ҳисоб шуда метавонад. Агар бори хунуккунии ҳамон соат, ки EnergyPlus тавлид кардааст, дар physics loss истифода шуда бошад, модел ба маълумоте дастрас мешавад, ки ба ҳадафи пешгӯишаванда хеле наздик ва қисман детерминистӣ аст. Шарҳ дода нашудааст, ки ин вуруд дар истифодаи вақти воқеӣ пешакӣ маълум хоҳад буд ё не.

Муваффақияти модел барои ҳарорати оперативӣ чӣ гуна аст?

Шакли 7 дар саҳифаи 12 каҷхатҳои ҳарорати оперативии пешгӯишуда ва аз ҷониби EnergyPlus тавлидшударо барои тақрибан 400 соати давраи тест нишон медиҳад. Ду хат дар аксари соатҳо ба ҳам хеле наздиканд; фарқҳо ҳангоми тағйири босуръати ҳарорат ва баъзе қуллаҳо зиёд мешаванд.

Дар Шакли 8 дар саҳифаи 13 пешгӯиҳо дар атрофи хати идеалии 1:1 мутамарказ шудаанд. Шакли 9 бошад нишон медиҳад, ки боқимондаҳои ҳарорат дар атрофи сифр ҷамъ шудаанд.

Тибқи матн, аз боқимондаҳо:

• %79,7 дар дохили ±0,10 °C,
• %99,73 дар дохили ±0,5 °C

мондаанд. Дар legend-и шакл таносуби дуюм %99,77 нишон дода шудааст. Ин фарқи хурд дар манбаъ шарҳ дода нашудааст.

Ҳади ±0,5 °C аз ҷониби таҳқиқот бо tolerance-и роҳат алоқаманд карда шудааст. Аммо ҳадафи модел овози воқеии роҳати корбар нест, балки ҳарорати оперативии EnergyPlus мебошад. Аз ин рӯ ин натиҷа маънои онро надорад, ки беш аз %99-и корбарон роҳат доранд.

Муваффақияти модел барои истеъмоли хунуккунӣ чӣ гуна аст?

Шакли 10 дар саҳифаи 14 фаъол ва ғайрифаъол шудани истеъмоли хунуккунӣ ва давраҳои бори баландро дар тақрибан 400 соат нишон медиҳад. Каҷхати пешгӯӣ timing-и умумиро пайгирӣ мекунад. Аммо дар баъзе давраҳои бори паст дида мешавад, ки пешгӯиҳо аз сифр поён мераванд.

Азбаски истеъмоли барқ аз ҷиҳати физикӣ манфӣ шуда наметавонад, ин натиҷа нишон медиҳад, ки ба баромади модел constraint-и мусбатӣ татбиқ нашудааст. Гуфта нашудааст, ки қиматҳои манфӣ баъдтар ба сифр clipped шудаанд ё не.

Дар Шакли 11-и ҳамон саҳифа, гарчанде аксари нуқтаҳо ба хати 1:1 наздиканд, сохторҳои возеҳи зерин мавҷуданд:

• Кластерҳои амудии нуқтаҳо дар қиматҳои пасти симулятсия, ки тақрибан 45–60 kWh пешгӯӣ шудаанд,
• Кластерҳои паст дар қиматҳои симулятсияи 40–50 kWh, ки тақрибан 10–25 kWh пешгӯӣ шудаанд,
• Нуқтаҳое, ки дар қуллаҳои истеъмоли баланд аз хати идеалӣ дур мешаванд.

Агар ин гуна инҳирофҳои калон дар ҳамон маҷмӯи тестии 442 нуқта вуҷуд дошта бошанд, бе маълумоти хом тасдиқ кардан мумкин нест, ки онҳо бо RMSE-и 2,12 kWh чӣ гуна ҳамзамон буда метавонанд. Манбаъ маҷмӯи намунае, ки scatter plot истифода кардааст, ва робитаи онро бо ҳисоби metric ба қадри кофӣ шарҳ намедиҳад.

Дар heatmap-и хатои саҳифаи 15 низ дар баъзе соатҳо хатои миёнаи соатбайъии 8,3, 13,2, 14,3 ва 30,2 kWh дида мешавад. Хатоҳо махсусан субҳ ва баъд аз нисфирӯзӣ, вақте бор зуд боло меравад, мутамарказ шудаанд.

Оё талаботи хунуккунӣ ва ҳарорат ҳамеша якҷоя зиёд мешаванд?

Манбаъ ду вақти махсусро таҳлил кардааст:

Манбаъ ин қиматҳоро дар матн ҳамчун “қувваи фаврӣ” бо kW ва дар ҳадафи моделу ҷадвалҳо бо kWh медиҳад. Энергияи соатбайъ ва қувваи миёнаи яксоата аз ҷиҳати ададӣ метавонанд ҳамон бузургиро дошта бошанд; аммо ивазшаванда истифода шудани мафҳумҳо мушкили шаффофияти воҳидро ба вуҷуд меорад.

Наздик шудани истеъмоли хунуккунӣ ба сифр дар шаб, дар ҳоле ки ҳарорат нисбатан баланд боқӣ мемонад, бо инерсияи гармии бино ва ҷадвали кори HVAC шарҳ дода шудааст. Ин мушоҳида нишон медиҳад, ки ҳарорати баланд дар ҳар соат ҳатман маънои истеъмоли баланди хунуккуниро надорад.

Аммо таҳқиқот иддао мекунад, ки constraint-и физикӣ сабабиятро аз correlation ҷудо мекунад. Он ки шабакаи нейронӣ ду силсилаи вақтро дуруст пешгӯӣ мекунад, худ аз худ сабабиятро исбот намекунад. Барои сабабият intervention, таҷрибаи назоратшаванда ё тарҳи махсуси causal inference лозим аст.

Мутобиқати физикӣ чӣ гуна санҷида шудааст?

Мутобиқати физикии модел бо тақсимоти боқимондаҳои нуқтагии муодилаи тавозуни энергия арзёбӣ шудааст. Шакли 13 дар саҳифаи 15 нишон медиҳад, ки талафоти data ва physics дар тӯли 3000 epoch кам шудаанд.

Инҳирофи стандартии боқимондаи физикӣ бо муносибати зерин ҳисоб шудааст:

\[ \sigma= \sqrt{ \frac{1}{N} \sum_{i=1}^{N} (r_i-\bar r)^2 } \]

Дар манбаъ натиҷа:

\[ \sigma=1{,}39\times10^8\ \mathrm{kW} \]

дода шудааст. Меҳвари уфуқии Шакли 14 дар саҳифаи 16 низ дар миқёси \(10^8\) аст ва дар legend тақрибан ±\(1{,}38\times10^8\) kW нишон дода мешавад.

Ин қимат аз ҷониби таҳқиқот ҳамчун инҳирофи хурд ва нишондиҳандаи мутобиқати физикӣ тафсир шудааст. Аммо боқимондаи сад миллион киловатт аз талаботи хунуккунии бино, ки тақрибан дар сатҳи даҳҳо киловатт аст, чандин тартиби бузургтар мебошад.

Имконоти зерин дар манбаъ шарҳ дода нашудаанд:

• Боқимонда дар фазои standardized ё scaled ҳисоб шуда, бо воҳиди нодуруст нишон дода шудааст,
• Табдили joule, watt, соат ва kilowatt-hour нопурра татбиқ шудааст,
• Дар меҳвари график хатои scientific notation ё unit labeling вуҷуд дорад,
• Қимати squared ё scaled physics loss ҳамчун қувваи физикӣ пешниҳод шудааст.

Наздик будани миёнаи боқимондаҳо ба сифр танҳо нишон медиҳад, ки хатоҳои мусбат ва манфӣ якдигарро мувозинат мекунанд. Ин исбот намекунад, ки тавозуни энергия дар ҳар қадами вақт кам аст.

Илова бар ин, мавҷуд будани стандарт deviation барои ҳар гуна тақсимот маънои онро надорад, ки ба таври худкор %68,27-и қиматҳо дар дохили ±1 стандарт deviation мемонанд. Ин таносуб танҳо зери фарзияи normal distribution дуруст аст. Манбаъ тақсимотро тақрибан normal қабул кардааст, аммо normality test гузориш накардааст.

PINN нисбат ба моделҳои анъанавӣ то чӣ андоза муваффақ аст?

Коҳишҳои нисбии RMSE-и барои PINN гузоришшуда аз ҷиҳати арифметикӣ бо ҷадвалҳо мувофиқанд:

Бо вуҷуди ин, қиматҳои MLP, Random Forest ва регрессияи хаттӣ дар ҷадвалҳои муқоиса барои ду ҳадафи гуногун ба таври ғайриоддӣ яксонанд. Масалан, RMSE-и MLP барои ҳарорат 2,866 °C аст ва дар ҷадвали энергия 2,87 kWh такрор шудааст; натиҷаи регрессияи хаттии 6,703 °C ҳамчун 6,70 kWh такрор шудааст. Қиматҳои CVRMSE, MBE ва NMBE низ бо ҳамон тартиб такрор шудаанд.

Азбаски миқёс, воҳид ва силсилаи вақти ду ҳадаф комилан гуногунанд, эҳтимоли он ки ҳамаи моделҳои базавӣ ҳамон рақамҳои хаторо тавлид кунанд, паст аст. Ин вазъ метавонад мушкили reporting ё table copying бошад, ки бозсанҷии натиҷаҳоро талаб мекунад.

Илова бар ин, PINN миёнаи се шабака ва ислоҳи хаттии ниҳоиро истифода мебарад, аммо гуфта нашудааст, ки ҳамин ensemble ва correction ба моделҳои муқоисавӣ низ татбиқ шудаанд ё не. Hyperparameter-ҳои MLP ва Random Forest низ муфассал дода нашудаанд. Аз ин рӯ тасдиқ кардан мумкин нест, ки муқоиса зери мураккабии пурра баробари моделҳо анҷом шудааст.

Оё модел воқеан ба маълумоти камтар ниёз дорад?

Таҳқиқот даъво мекунад, ки дониши физикӣ эҳтиёҷи маълумотро кам мекунад. Аммо модел 1766 соат маълумоти синтетикии омӯзишро истифода кардааст ва таҷрибаҳои каммаълумотии зерин анҷом дода нашудаанд:

• Коҳиш додани маълумоти омӯзиш ба %10, %25 ё %50,
• Муқоисаи PINN ва моделҳои анъанавӣ дар миқдори гуногуни маълумот,
• Сенарияҳои бо шумораи камтари сенсорҳо,
• Таҷрибаҳои маълумоти гумшуда ё пурғавғо,
• Интиқоли аз сифр ба мавсим ё бинои дигар.

Аз ин рӯ таҳқиқот нишон медиҳад, ки шабакаи огоҳ аз физика дар маҷмӯи маълумоти симулятсионии баррасишуда муваффақтар аст; он таҷрибавӣ нишон намедиҳад, ки ба маълумоти камтар ниёз дорад.

Оё моделро ба биноҳои таърихии дигар интиқол додан мумкин аст?

Манбаъ иддао мекунад, ки бо тағйир додани вурудҳои термофизикӣ онро ба дигар биноҳои таърихӣ мутобиқ кардан мумкин аст. Аммо шабака танҳо бо як бино дар Bari ва як давраи тобистон омӯзонида шудааст.

Барои интиқол ба бинои дигар ҳадди ақал унсурҳои зерин бояд аз нав муайян шаванд:

• Геометрия ва zoning-и бино,
• Қабатҳои девор, бом, тиреза ва фарш,
• Иқтидори гармӣ ва коэффисиенти умумии интиқоли гармӣ,
• Маълумоти иқлимӣ, самтгирии офтоб ва сояафканӣ,
• Ҷадвалҳои корбар ва таҷҳизот,
• Рафтори вентилятсияи табиӣ,
• Системаи HVAC ва тағйири COP,
• Калибркунии нави EnergyPlus,
• Омӯзиши дубораи коэффисиентҳои физикӣ ва шабака.

Аз ин рӯ таҳқиқот нишон намедиҳад, ки танҳо бо иваз кардани чанд рақами термофизикӣ интиқоли мустақим анҷом дода мешавад.

Истифодаи digital twin ва системаи идоракунии бино чӣ маъно дорад?

Пас аз омӯзиш шабакаи нейронӣ нисбат ба симулятсияи муфассали EnergyPlus метавонад пешгӯиҳоро тезтар тавлид кунад. Ин хусусият назариявӣ имкон медиҳад, ки модел дар digital twin, building management system ва model predictive control истифода шавад.

Масалан, системаи идоракунии бино бо пешгӯии ҳарорат ва талаботи хунуккунӣ барои як соати баъд метавонад:

• Хунуккуниро ба миқдори маҳдуд пеш аз соати peak оғоз кунад,
• Талаботи peak-и барқро кам кунад,
• Байни вентилятсияи табиӣ ва хунуккунии механикӣ интихоб кунад,
• Риски баромадан аз ҳудуди роҳатро ба мудирон хабар диҳад.

Аммо дар таҳқиқот модел ба системаи автоматикунонии воқеии бино пайваст нашудааст, таъхири пешгӯии онлайн чен нашудааст ва таъсири фармонҳои идоракунӣ ба энергия ё роҳат таҷрибавӣ санҷида нашудааст.

Кадом натиҷаҳоро таҳқиқот дастгирӣ мекунад?

• PINN-и муайяншуда намунаи ҳарорати оперативиро дар маълумоти тестии EnergyPlus бо хатои хеле пасти оморӣ бозтавлид кардааст.
• Модели думарҳилавӣ тавонистааст пешгӯии ҳароратро ҳамчун вуруд ба пешгӯии истеъмоли хунуккунӣ истифода барад.
• Давраҳои умумии фаъолшавӣ, ғайрифаъолшавӣ ва peak-и силсилаи вақти истеъмоли энергия гирифта шудаанд.
• Функсияи талафоте, ки data ва physics term-ҳоро якҷоя истифода мебарад, ҳангоми омӯзиш кам шудааст.
• Бо Optuna барои коэффисиентҳои физикӣ маҷмӯи оптималии ададӣ ёфт шудааст.
• Модел нисбат ба моделҳои муқоисавии дар манбаъ гузоришшуда хатои камтар додааст.
• Бо сабаби массаи баланди гармӣ вақти peak-и ҳарорат ва талаботи хунуккунӣ ҳамеша мувофиқат накардааст.
• Аз ҷиҳати методологӣ мумкин аст, ки шабакаи омӯзонидашуда бе аз нав иҷро кардани симулятсия пешгӯии як соат пешро тавлид кунад.

Таҳқиқот чиро исбот намекунад?

• Нишон намедиҳад, ки ҳарорати оперативии бинои воқеӣ бо хатои 0,091 °C пешгӯӣ шудааст.
• Нишон намедиҳад, ки ҳисобкунаки воқеии барқ бо хатои 2,12 kWh пешгӯӣ шудааст.
• Нишон намедиҳад, ки модел зери noise-и воқеии сенсор ва рафтори корбар ҳамон натиҷаро нигоҳ медорад.
• Равшан нишон намедиҳад, ки constraint-и физикӣ аз ҷиҳати воҳидҳо дуруст буда, боқимондаи хурд тавлид мекунад.
• Нишон намедиҳад, ки модел вайронкунии воқеии ҳифзи энергияро пешгирӣ мекунад.
• Нишон намедиҳад, ки пешгӯиҳои манфии энергияро пешгирӣ мекунад.
• Бевосита намесанҷад, ки PINN дар шароити маълумоти кам аз моделҳои анъанавӣ бартар аст.
• Умумисозӣ ба бино ё иқлими дигарро тасдиқ намекунад.
• Татбиқи digital twin ё building management system дар вақти воқеиро нишон намедиҳад.
• Энергиясарфакории model predictive control-ро чен намекунад.
• Нишон намедиҳад, ки пешгӯии истеъмоли хунуккунӣ барои тамоми сол ё мавсими гармидиҳӣ дуруст аст.
• Нишон намедиҳад, ки қарорҳои ҳифз ё вариантҳои навсозии физикӣ худкор муайян карда мешаванд.

Ҷиҳатҳои қавии таҳқиқот кадомҳоянд?

• Мушкилоти равшани амалӣ, ки ба маҳдудияти маълумоти биноҳои таърихӣ равона шудааст, интихоб шудааст.
• Ҳарорати оперативӣ ва истеъмоли хунуккунӣ ҳамчун ду ҳадафи пайдарпай баррасӣ шудаанд.
• Геометрияи бино, хусусиятҳои пӯст, HVAC ва ҷадвалҳои корбар дар як модели энергия муттаҳид шудаанд.
• Маълумот бе омехтани тасодуфӣ ва бо нигоҳ доштани тартиби вақт санҷида шудааст.
• Тавозуни энергия ба талафоти омӯзиши шабака илова шудааст.
• Optimization-и коэффисиентҳои физикӣ дар асоси Optuna татбиқ шудааст.
• Пешгӯии ensemble бо се initialization-и гуногун истифода шудааст.
• Дар баробари RMSE, CVRMSE, MBE ва NMBE гузориш шудаанд.
• Силсилаи вақт, scatter, тақсимоти хато ва heatmap-и хатои соатбайъ пешниҳод шудаанд.
• Маҳдуд будани модел бо маълумоти синтетикӣ аз ҷониби муаллифон ошкоро эътироф шудааст.
• Гуфта шудааст, ки маълумот ва код бо дархости оқилона мубодила мешаванд.
• Таҳқиқот дар маҷаллаи тақризшаванда ва open access нашр шудааст.

Маҳдудиятҳои таҳқиқот кадомҳоянд?

• Танҳо як бинои таърихӣ баррасӣ шудааст.
• Танҳо давраи июн–август моделсозӣ шудааст.
• Модел бо маълумоти воқеии пайвастаи саҳроӣ омӯзонида нашудааст.
• Ҳадафҳои тест ҳам аз симулятсияи EnergyPlus омадаанд.
• Метрикҳои калибркунии модели энергетикии бино муфассал пешниҳод нашудаанд.
• Ченкунии U-value дар маҳал гузаронида нашудааст.
• Воҳидҳои муодилаҳои тавозуни энергия равшан нестанд.
• Дар муодилаи ҳарорат навишти иловагии \(\partial t\) мавҷуд аст.
• Ҳосилаи ҳарорат дар матн бо тартиби баръакс навишта шудааст.
• Вазнҳои талафот ҳамчун 0,8/0,2 ва 0,5/0,5 ба таври гуногун дода шудаанд.
• Дар ҳудудҳои ҷустуҷӯи Optuna номувофиқӣ вуҷуд дорад.
• Тавсифҳо дар бораи optimize шудани hyperparameter-ҳои меъморӣ фарқ мекунанд.
• Маҷмӯи ҷудогонаи validation вуҷуд надорад.
• Тарзи ҳисоб кардани validation loss номуайян аст.
• Ҳудудҳои вентилятсия байни бахшҳои манбаъ мувофиқат намекунанд.
• Ҳудудҳои ҳарорати оперативӣ байни ҷадвалҳо ва графикҳо мувофиқат намекунанд.
• Шумораи epoch-ҳои Optuna барои модели хунуккунӣ гуногун дода шудааст.
• Миёнаи се шабака ва ислоҳи хаттии ниҳоӣ имкон намедиҳад, ки иҷро танҳо аз constraint-и физикӣ бошад.
• Гуфта нашудааст, ки ислоҳи хаттӣ ба маълумоти тест дастрасӣ доштааст ё не.
• Hyperparameter-ҳои муфассали моделҳои муқоисавӣ дода нашудаанд.
• Ҷадвалҳои хатои baseline model барои ду ҳадаф рақамҳои ба таври ғайриоддӣ яксон доранд.
• Дар пешгӯиҳои хунуккунӣ қиматҳои манфӣ дида мешаванд.
• Scatter plot-и хунуккунӣ бо RMSE-и гузоришшуда аз ҷиҳати визуалӣ пурра мувофиқат намекунад.
• Инҳирофи стандартии боқимондаи физикӣ нисбат ба миқёси бино аз ҳад калон аст.
• Воҳид ё табдили normalization-и боқимондаи физикӣ шарҳ дода нашудааст.
• Усули тавлиди банди хатои %5–95 шарҳ дода нашудааст.
• Uncertainty quantification анҷом дода нашудааст.
• Барои бартарии каммаълумотӣ data reduction experiment гузаронида нашудааст.
• Дар бино, иқлим ё мавсими дигар external validation анҷом дода нашудааст.
• Истифодаи digital twin ва control танҳо дар сатҳи пешниҳод аст.
• Маълумот ва код дар repository-и кушода нашр нашуда, дастрасӣ бо дархост монда шудааст.

Дар Туркия дар кадом навъи биноҳо ин усулро метавон таҳқиқ кард?

Усул метавонад дар Туркия дар навъҳои зерини биноҳое, ки инфрасохтори мониторинги пайваста маҳдуд аст, таҳқиқ шавад:

• Биноҳои ҷамъиятии сабтшуда ва иншооти маъмурӣ,
• Музейҳо ва биноҳои бойгонии таърихӣ,
• Хонҳо, корвонсаройҳо ва биноҳои бозори анъанавӣ,
• Мактабҳои масонии сангӣ ё хиштӣ,
• Қасрҳо ва марказҳои фарҳангии таърихӣ,
• Истгоҳҳои роҳи оҳан ва иншооти ҳарбии таҳти ҳифз.

Барои татбиқ аввал модели энергетикии хоси бинои маҳаллӣ сохта шуда, сипас бо ченкуниҳои воқеӣ калибр карда шавад. Дар Туркия танҳо маълумоти ҳисобномаҳо кофӣ дониста нашавад; ҳадди ақал ҳарорати оперативӣ ё ҳаво дар самтҳо ва қабатҳои гуногун, иқлими беруна, ҳолати кори HVAC ва истеъмоли асосии барқ бояд ҳамзамон сабт шаванд.

Барои мутобиқсозӣ ба Туркия кадом тасдиқҳо лозиманд?

Аҳамияти он аз нуқтаи назари гузашта, имрӯз ва оянда чист?

Дар гузашта таҳлили энергетикии биноҳои таърихӣ асосан бо ҳисобҳои steady-state ё симулятсияҳои динамикии муфассал, вале суст анҷом дода мешуд. Норасоии маълумот ва маҳдудиятҳои ҳифз сохтани системаҳои пешгӯии вақти воқеиро душвор мекарданд.

Саҳми имрӯза интиқоли рафтори модели муфассали энергетикии бино ба шабакаи нейронии тезтар ва истифодаи тавозуни энергия ҳамчун танзимгари омӯзиш мебошад. Ин равиш потенсиали тавлиди пешгӯии босуръати як соат пешро бе аз нав иҷро кардани симулятсия дорад.

Дар оянда усул бояд бо маълумоти воқеии сенсор ва ҳисобкунак аз нав омӯзонида шавад, муодилаҳои физикӣ аз ҷиҳати воҳидҳо ислоҳ гарданд, фосилаҳои номуайянӣ ҳисоб шаванд, дар биноҳои гуногуни таърихӣ external validation анҷом дода шавад ва сарфаи воқеии энергия дар системаи идоракунии бино чен карда шавад.

Усул ва натиҷаҳои таҳқиқот

Хулосаи техникии тарҳи таҳқиқот

Меъёрҳои хато чӣ гуна ҳисоб шудаанд?

Хатои миёнаи bias:

\[ MBE= \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} (P_i-O_i) \]

Хатои миёнаи bias-и normalized:

\[ NMBE= \frac{ \sum_{i=1}^{n}(P_i-O_i) }{ n\bar O } \times100 \]

Root mean square error:

\[ RMSE= \sqrt{ \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} (P_i-O_i)^2 } \]

Коэффисиенти variation-и RMSE:

\[ CVRMSE= \frac{RMSE}{\bar O} \times100 \]

Дар ин ҷо \(P_i\) пешгӯии модел, \(O_i\) қимати истинодии EnergyPlus, \(\bar O\) миёнаи истинод ва \(n\) шумораи намунаҳоро нишон медиҳад.

Таҳқиқот ҳади NMBE-и ASHRAE Guideline 14 барои арзёбии модели соатбайъро ±%10 ва ҳади CVRMSE-ро %30 овардааст. Аммо ин ҳадҳо пеш аз ҳама барои калибркунии моделҳои энергия бо маълумоти ченшуда мебошанд. Хатои пасти PINN ҳангоми бозтавлид кардани ҳамон модели симулятсия маънои онро надорад, ки модели энергетикии бино алоҳида нисбат ба бинои воқеӣ тасдиқ шудааст.

Муқоисаи муфассали натиҷаҳои ҳарорати оперативӣ

Натиҷаи PINN ба истиноди симулятсия хеле наздик аст. Аммо RMSE-и тақрибан 2,8 °C барои MLP ва Random Forest барои масъалаи пешгӯии соатбайъ, ки дар он робитаи input–target байни ҳарорати ҷорӣ ва ҳарорати як соат баъд қавӣ аст, аз интизор баландтар мебошад. Азбаски танзимоти моделҳои муқоисавӣ, вурудҳои lagged temperature ва иҷрои омӯзиш дода нашудаанд, манбаи ин фарқи калон арзёбӣ намешавад.

Муқоисаи муфассали натиҷаҳои истеъмоли хунуккунӣ

Он ки сатри MLP, Random Forest ва регрессияи хаттӣ танҳо шаклҳои rounded-и қиматҳои ҷадвали ҳарорат мебошанд, яке аз муҳимтарин масъалаҳои таҳрирӣ аст, ки дар ҷадвали натиҷаҳо validation талаб мекунад.

Номувофиқати методологӣ дар дохили манбаъ

Натиҷаҳое, ки шаклҳо худ аз худ нишон медиҳанд

Тафсири мувозинатноки натиҷаҳо

Қавитарин натиҷаи таҳқиқот ин аст, ки шабакаи калони feed-forward-и думарҳилавӣ метавонад намунаҳои соатбайъии ҳарорат ва хунуккуниро, ки EnergyPlus тавлид кардааст, тақлид кунад. Каҷхати ҳарорати оперативии модел ба симулятсияи истинод хеле наздик аст.

Гарчанде муваффақият дар истеъмоли хунуккунӣ маҳдудтар аст, ҷадвали умумии фаъолшавӣ–ғайрифаъолшавӣ ва тамоюлҳои бор гирифта шудаанд. Аммо scatter plot, қиматҳои манфӣ ва хатогиҳои баланди соатбайъ нишон медиҳанд, ки иҷро бо як рақами RMSE пурра ҷамъбаст намешавад.

Тавсифи “physics-informed” ба илова шудани боқимондаи тавозуни энергия ба функсияи талафот асос ёфтааст. Аз сабаби воҳидҳои муодила, миқёси боқимондаи физикӣ ва номувофиқати дар манбаъ, хулоса кардан мумкин нест, ки модел аз ҷиҳати термодинамикӣ тасдиқ шудааст. Таърифи эҳтиёткорона — шабакаи нейронии бо муносибатҳои физикӣ regularized мебошад.

Арзиши воқеии татбиқии таҳқиқот дар идеяи табдил додани симулятсияи муфассали бино ба модели суррогатии зуд аст. Барои тасдиқи ин потенсиал дар саҳро модел бояд бо ченкуниҳои воқеӣ, биноҳои гуногун ва шароити иқлимии нодида санҷида шавад.

Ёддошт оид ба манбаъ ва усул

Номи пурраи аслии таҳқиқот: Physics-Informed Neural Networks for predicting indoor temperature and cooling demand in historic buildings

Муаллифон ва тартиби дуруст: Simona Semeraro; Francesca Vecchi; Roberto Stasi; Umberto Berardi.

Муаллифи аввалини баробар: Маълумоти саҳми баробар ё муаллифии аввалини баробар зикр нашудааст.

Муаллифи масъул: Umberto Berardi.

Суроғаи иртибот: umberto.berardi@poliba.it

Муассиса: ArCoD – Department of Architecture, Construction, and Design, Polytechnic University of Bari, Bari, Italy.

DOI:10.1016/j.jobe.2025.114392

Пайванди расмии манбаъ:Саҳифаи расмии мақолаи ScienceDirect

Маҷалла: Journal of Building Engineering.

Ҷилд: 115.

Рақами мақола: 114392.

Соли нашр: 2025.

Ношир: Elsevier Ltd.

Санаи ирсол: 29 Mayıs 2025.

Санаи версияи ислоҳшуда: 30 Eylül 2025.

Санаи қабул: 13 Ekim 2025.

Санаи нашри онлайн: 24 Ekim 2025.

Вазъи тақриз: Мақолаи илмии аз тақризи ҳамтоён гузашта.

Вазъи open access: Open access зери лицензияи CC BY 4.0.

Шумораи саҳифаҳо: 27.

Навъи манбаъ: Мақолаи тадқиқотӣ, ки симулятсияи динамикии энергетикии бинои гуфташудаи калибршуда, тавлиди маълумоти синтетикӣ, шабакаи нейронии огоҳ аз физика, optimization-и hyperparameter ва муқоисаи омӯзиши мошиниро дар бар мегирад.

Саҳми муаллифон:

• Simona Semeraro: Методология, таҳқиқот, таҳлили formal, data curation ва conceptualization.
• Francesca Vecchi: Таҳлили formal, data curation ва conceptualization.
• Roberto Stasi: Таҳлили formal, data curation ва conceptualization.
• Umberto Berardi: Таъмини маблағгузорӣ, таҳлили formal, data curation ва conceptualization.

Маблағгузорӣ: Дастгирӣ аз таҳқиқоти “Digital twin nella gestione di vettori energetici nuovi per l’accoppiamento edificio-trasporti in ambito urbano” дар лоиҳаи National Center for Sustainable Mobility гирифта шудааст, ки аз ҷониби Вазорати донишгоҳ ва таҳқиқоти Италия дар доираи National Recovery and Resilience Plan маблағгузорӣ шудааст. Рамзи лоиҳа CUP D93C22000410001 дода шудааст.

Бархӯрди манфиатҳо: Муаллифон изҳор кардаанд, ки манфиати молиявӣ ё муносибати шахсии маълум, ки метавонад ба таҳқиқот таъсир расонад, вуҷуд надорад.

Дастрасии маълумот: Гуфта шудааст, ки маҷмӯи маълумоти симулятсионӣ аз ҳарорати оперативии соатбайъ, энергияи хунуккунӣ ва вурудҳои коркардшудаи омӯзишро аз муаллифи масъул бо дархости оқилона гирифтан мумкин аст.

Дастрасии код: Гуфта шудааст, ки меъмории PINN, hyperparameter-ҳо ва script-ҳои optimization-и Optuna бо дархост барои мақсади таҳқиқот мубодила мешаванд. Пайванди repository-и коди оммавӣ ва доимӣ дода нашудааст.

Воситаҳои асосии истифодашуда: DesignBuilder, EnergyPlus, воситаҳои омӯзиши мошинии Python, StandardScaler ва Optuna.

Ин мақолаи тоҷикӣ баъд аз баррасии матни асосӣ, замимаҳо, муодилаҳои тавозуни энергия, ҷадвалҳои маълумот, схемаҳои пӯсти бино, ҷараёнҳои кори шабакаи нейронӣ, силсилаҳои вақт, тақсимоти хато, графикҳои боқимондаи физикӣ ва муқоисаи моделҳо омода шудааст. Натиҷаҳои илмии беруна, ки дар таҳқиқот нестанд, илова нашудаанд. Санҷиши манбаъҳои беруна танҳо барои тасдиқи шахсияти расмии библиографии таҳқиқот, сабти маҷалла, DOI ва вазъи нашр истифода шудааст.

Натиҷаҳои таҳқиқот нишон намедиҳанд, ки шабакаи огоҳ аз физика ченкуниҳои воқеии биноро бо ҳамон хато пешгӯӣ кардааст. Ҳадафҳои пешгӯӣ маълумоти синтетикӣ мебошанд, ки аз модели EnergyPlus-и гуфташудаи калибршуда тавлид шудаанд. Аз ин рӯ хатогиҳои гузоришшуда мувофиқати симулятсия–шабакаи нейрониро ифода мекунанд.

Масъалаҳои асосии шаффофияти техникии манбаъ инҳоянд: номувофиқии воҳидҳо дар муодилаҳои энергия, \(\partial t\)-и иловагӣ дар муодилаи ҳарорат, ифодаи ҳосилаи баръакс навишташуда, вазнҳои гуногуни loss, ҳудудҳои гуногуни Optuna, номуайянии validation set, номувофиқии ҳудуди вентилятсия, шумораи гуногуни epoch, қиматҳои такроршудаи хато дар ҷадвалҳои baseline model, пешгӯиҳои манфии хунуккунӣ ва боқимондаи физикии тақрибан \(10^8\) kW.

Таҳқиқот дастгирӣ мекунад, ки шабакаҳои нейронии дорои regularization-и физикӣ метавонанд барои симулятсияи биноҳои таърихӣ модели суррогатии зуд бошанд. Дақиқии воқеии саҳроӣ, бартарии каммаълумотӣ, интиқолпазирӣ ба биноҳои дигар, истифодаи digital twin дар вақти воқеӣ ва сарфаи энергия ҳанӯз тасдиқ нашудаанд.