Sistem Siber-Fizikal Bangunan Autonomi Terpencar dengan DAO, LLM dan Digital Twin

Kandungan

1. Pengenalan

Penyelidikan bangunan autonomi semasa tertumpu terutamanya pada kecekapan tenaga dan automasi, tetapi menghadapi batasan dalam kebolehsesuaian dan ketelusan. Sistem AI tradisional bergantung pada peraturan yang telah ditetapkan dan menghadapi kesukaran dengan operasi bangunan yang kompleks dan berkembang. Struktur pengurusan fasiliti berpusat seterusnya menghalang autonomi sebenar. Kertas kerja ini memperkenalkan rangka kerja Sistem Siber-Fizikal Bangunan Autonomi Terpencar yang novel yang menggabungkan DAO, LLM dan digital twin untuk mencipta infrastruktur pintar dan kendiri.

2. Metodologi

2.1 Rangka Kerja Bangunan Autonomi Terpencar

Rangka kerja yang dicadangkan menggabungkan tiga teknologi teras: Organisasi Autonomi Terpencar untuk tadbir urus telus, Model Bahasa Besar untuk pembuatan keputusan pintar, dan Digital Twin untuk perwakilan bangunan masa nyata. Ini mewujudkan sistem siber-fizikal yang mampu beroperasi secara autonomi dan pengurusan kewangan.

2.2 Pembantu AI Berasaskan LLM

Pembantu AI maju telah dibangunkan menggunakan seni bina berasaskan transformer untuk menyediakan interaksi manusia-bangunan intuitif. Sistem ini memproses pertanyaan bahasa semula jadi tentang operasi bangunan, transaksi blockchain, dan tugas pengurusan fasiliti, membolehkan komunikasi lancar antara penghuni dan infrastruktur autonomi.

2.3 Integrasi Digital Twin

Komponen digital twin mencipta replika maya bangunan fizikal, sentiasa dikemas kini dengan data sensor masa nyata. Ini membolehkan penyelenggaraan ramalan, pengoptimuman operasi, dan ujian senario tanpa mengganggu fungsi bangunan sebenar.

3. Pelaksanaan Teknikal

3.1 Rangka Kerja Matematik

Proses pembuatan keputusan autonomi mengikuti pendekatan pembelajaran pengukuhan di mana sistem mengoptimumkan operasi bangunan berdasarkan pelbagai objektif:

$J(\theta) = \mathbb{E}_{\tau \sim \pi_\theta}[\sum_{t=0}^{T} \gamma^t r(s_t, a_t)]$

di mana $J(\theta)$ mewakili fungsi objektif, $\pi_\theta$ adalah polisi, $r(s_t, a_t)$ adalah ganjaran pada masa $t$, dan $\gamma$ adalah faktor diskaun. Sistem mengimbangi kecekapan tenaga $E$, keselesaan penghuni $C$, dan kos operasi $O$:

$r(s_t, a_t) = \alpha E(s_t, a_t) + \beta C(s_t, a_t) + \delta O(s_t, a_t)$

3.2 Pelaksanaan Kod

Aplikasi terpencar stack penuh telah dilaksanakan menggunakan Solidity untuk kontrak pintar dan Python untuk komponen AI:

class AutonomousBuilding:
    def __init__(self, building_id, dao_contract, llm_model):
        self.building_id = building_id
        self.dao_contract = dao_contract
        self.llm_assistant = llm_model
        self.digital_twin = DigitalTwin(building_id)
    
    def process_occupant_request(self, query):
        # LLM memproses bahasa semula jadi
        intent = self.llm_assistant.classify_intent(query)
        if intent == "facility_control":
            return self.execute_facility_control(query)
        elif intent == "financial_operation":
            return self.execute_dao_voting(query)
        
    def optimize_operations(self, sensor_data):
        # Pembelajaran pengukuhan untuk pelarasan autonomi
        state = self.digital_twin.get_current_state()
        action = self.policy_network.predict(state)
        reward = self.calculate_reward(state, action)
        return action, reward

4. Keputusan Eksperimen

4.1 Senario Ujian

Enam senario dunia sebenar telah diuji untuk mengesahkan rangka kerja:

• Pengurusan hasil dan perbelanjaan bangunan melalui DAO
• Kawalan fasiliti dibantu AI melalui bahasa semula jadi
• Pelarasan autonomi sistem HVAC
• Penjadualan penyelenggaraan ramalan
• Pengoptimuman penggunaan tenaga
• Automasi keselamatan dan kawalan akses

4.2 Metrik Prestasi

Prototaip menunjukkan peningkatan ketara merentasi pelbagai metrik:

5. Analisis Kritikal

6. Aplikasi Masa Depan

Teknologi ini mempunyai potensi signifikan untuk aplikasi yang lebih luas:

• Bandar Pintar: Penskalaan kepada pengurusan infrastruktur autonomi peringkat daerah
• Ketahanan Bencana: Rangkaian bangunan penyembuhan kendiri semasa kecemasan
• Pembangunan Mampan: Pengoptimuman dan pelaporan jejak karbon automatik
• Fasiliti Penjagaan Kesihatan: Kawalan persekitaran autonomi untuk keperluan perubatan khusus
• Habitat Angkasa: Aplikasi dalam automasi bangunan luar bumi di mana campur tangan manusia adalah terhadap

Arah penyelidikan masa depan termasuk kriptografi rintang kuantum untuk keselamatan jangka panjang, pendekatan pembelajaran gabungan untuk kerjasama pemeliharaan privasi antara bangunan, dan integrasi dengan digital twin skala bandar seperti yang diperjuangkan oleh inisiatif seperti projek Virtual Singapura.

7. Rujukan

1. Zhu, J. Y., et al. "Unpaired image-to-image translation using cycle-consistent adversarial networks." Proceedings of the IEEE international conference on computer vision. 2017.
2. National Institute of Standards and Technology. "Framework for Cyber-Physical Systems." NIST Special Publication 1500-201. 2017.
3. McKinsey Global Institute. "AI and the Future of Facilities Management." 2022.
4. Singapore National Research Foundation. "Virtual Singapore: The Integrated Digital Twin." 2023.
5. Buterin, V. "Ethereum White Paper: A Next-Generation Smart Contract and Decentralized Application Platform." 2014.
6. Vaswani, A., et al. "Attention is all you need." Advances in neural information processing systems. 2017.