Developing a Human-Centric AI-based Multi-Criteria Energy Efficiency Advisory Framework for Apartment Housing of Mashhad, Iran
تقترح هذه الدراسة وتتحقق من صحة إطار عمل قائم على الذكاء الاصطناዊ ومتمحور حول الإنسان، يدمج البيانات الاجتماعية والديموغرافية، وبيانات المباني، والأحياء، والمناخ لتقديم توصيات مخصصة وقابلة للتفسير بشأن كفاءة الطاقة لسكان الشقق في مشهد بإيران، محققةً دقة تنبؤ عالية (R² = 0.86) ومثبتةً أن خصائص شاغلي المساكن هي محركات حاسمة لأداء الطاقة السكني.
المؤلفون الأصليون:Javad Asadpoor, Mohanraj Balasubramaniyam, Ehsan Biglari, Mehdi Gheisari
تخيل أن منزلك ليس مجرد صندوق طوبي جامد، بل هو كائن حي يتنفس ويتفاعل مع العالم من حوله. لفترة طويلة، ركز العلماء الذين يحاولون اكتشاف كيفية توفير الطاقة في المنازل بشكل أساسي على "الأجهزة" أو المكونات المادية: سمك الجدران، ونوع النوافذ، وشكل السقف. لقد عاملوا المبنى كآلة، بافتراض أنه إذا بنيت آلة مثالية، فستعمل بشكل مثالي. ولكن هناك قطعة مفقودة في هذه الأحجية: الناس الذين يعيشون بالداخل. تماماً كما تقود السيارة بشكل مختلف اعتماداً على ما إذا كان خلف المقود مراهق عصبي أو جد هادئ، فإن المنزل يستخدم الطاقة بشكل مختلف اعتماداً على من يعيش فيه، وعمرهم، وماذا يفعلون طوال اليوم. يسمى هذا المجال من الدراسة "كفاءة الطاقة المتمحورة حول الإنسان"، وهو يطرح سؤالاً بسيطاً ولكنه صعب: كيف نصمم نصائح لتوفير الطاقة تناسب بالفعل البشر المعينين الذين يعيشون في المنزل، بدلاً من التركيز فقط على المنزل نفسه؟
هذا هو بالضبط ما سعى فريق من الباحثين لحله في دراسة جديدة ركزت على المباني السكنية في مشهد، إيران. أرادوا بناء "مستشار ذكي" باستخدام الذكاء الاصطناعي (AI) لا ينظر فقط إلى المخططات الهندسية للمبنى، بل يستمع أيضاً إلى قصة الأشخاص بداخله. لقد جمعوا بيانات من 50 أسرة مختلفة، حيث نظروا في كل شيء بدءاً من عمر المبنى وكمية الأشجار الخضراء القريبة، وصولاً إلى أعمار السكان وعدد الأطفال في الأسرة. ثم أدخلوا كل هذه المعلومات في نموذج حاسوبي — تخيله كمحقق فائق الذكاء يبحث عن أدلة خفية في كومة ضخمة من الأدلة — لمعرفة ما الذي يحرك استهلاك الطاقة حقاً.
كانت النتائج كاشفة للغاية. فقد وجد المحقق الآلي أن العوامل الأكثر أهمية لكفاءة الطاقة لم تكن مجرد مواد البناء الفاخرة، بل كانت مزيجاً من أشياء مثل التهوية الطبيعية (مدى تدفق الهواء عبر المنزل)، وعمر المبنى، وحتى كمية الغطاء الأخضر في الحي. ومن المثير للدهشة أن عمر الأشخاص الذين يعيشون هناك وحجم أسرتهم لعبا دوراً كبيراً أيضاً. وقد تمكن النموذج الحاسوبي من التنبؤ بأداء الطاقة بدرجة عالية من الدقة، حيث أصاب الهدف بنسبة 86% تقريباً.
ومع ذلك، يحرص الباحثون على عدم تسمية هذا العمل "عصا سحرية" تحل جميع مشاكل الطاقة. إنهم يصفون عملهم بأنه "إثبات لمفهوم"، مما يعني أنه اختبار ناجح يظهر أن الفكرة تعمل، لكنها تحتاج إلى مزيد من الاختبار مع مجموعات أكبر من الناس قبل أن يمكن استخدامها في كل مكان. لقد استبعدوا صراحة الفكرة القديمة القائلة بأنه يمكنك فقط النظر إلى الميزات المادية للمبنى وتجاهل البشر بداخله؛ فقد أظهرت بياناتهم أن تجاهل الناس يؤدي إلى صورة أقل دقة بكثير. بدلاً من ذلك، يقترحون أن مستقبل كفاءة الطاقة يكمن في نهج "الإنسان في الحلقة"، حيث تجمع التكنولوجيا بين الحقائق المادية للمبنى وبين العادات والخصائص الشخصية للسكان.
تخلص الدراسة إلى أنه باستخدام إطار عمل الذكاء الاصطناعي الجديد هذا، يمكننا أخيراً تقديم نصائح مخصصة. فبدلاً من نصيحة عامة مثل "قم بتركيب عزل أفضل"، يمكن للنظام أن يقول: "بما أن لديك عائلة كبيرة وتعيش في مبنى قديم مع تدفق هواء ضعيف، فإليك التغييرات المحددة التي ستوفر لك أكبر قدر من الطاقة". ورغم أن الدراسة الحالية محدودة بعينة صغيرة مكونة من 50 شقة، إلا أنها تضع حجر الأساس لمستقبل يحصل فيه كل ساكن شقة على خطة طاقة مخصصة تحترم نمط حياته الفريد، مما يساعد في جعل مدننا أكثر خضرة ومنازلنا أكثر راحة دون إجبار الجميع على حل واحد يناسب الجميع.
ملخص تقني: تطوير إطار عمل استشاري لكفاءة الطاقة متعدد المعايير يعتمد على الذكاء الاصطناعي ويكون متمحوراً حول الإنسان للمساكن الشققية في مشهد، إيران
بيان المشكلة غالباً ما تركز الأبحاث والأطر الحالية لكفاءة طاقة المساكن (EE) على الخصائص الفيزيائية للمباني والميزات البيئية، مع إهمال الخصائص الاجتماعية والديموغرافية للساكنين. يحد هذا الفجوة من تطوير منصات استشارية للطاقة تكون مخصصة واستجابية لاحتياجات الساكنين. وتعد هذه المشكلة حادة بشكل خاص في السكن الشقي (الشقق)، الذي يشكل حصة كبيرة من استهلاك الطاقة العالمية وانبعاثات الكربون. وفي سياقات عديدة، بما في ذلك مدينة مشهد في إيران، غالباً ما يكون الساكنون غائبين أثناء عملية توفير المساكن ويفتقرون إلى الخبرة اللازمة لمواءمة الميزات المعمارية مع احتياجاتهم الخاصة، مما يؤدي إلى الهشاشة الطاقية وسلوكيات استهلاك غير فعالة. وتفترض الدراسة أن تحقيق كفاءة الطاقة يتطلب فهماً شاملاً للتفاعل بين الساكنين، والمباني، والأحياء، والمناخ، بدلاً من التركيز على المبنى بمعزل عن محيطه.
المنهجية تقترح الدراسة وتختبر إطار عمل يعتمد على الذكاء الاصطناعي ويدمج الإنسان في الحلقة (human-in-the-loop) للتقييم متعدد المعايير لكفاءة طاقة المساكن. أُجري البحث في مشهد، إيران، باستخدام مجموعة بيانات مستمدة من 50 أسرة موزعة على 20 مبنى شقق في منطقتين من المدينة.
جمع البيانات: تدمج مجموعة البيانات أربعة أبعاد رئيسية:
الخصائص الاجتماعية والديموغرافية للساكنين: العمر، الجنس، الحالة الاجتماعية، التعليم، حجم الأسرة، حالة الملكية، ومدة الإقامة.
الميزات الفيزيائية للمبنى: مساحة الأرض، الكثافة البنائية، عدد الطوابق، عمر المبنى، مواد الواجهات، ونسب النوافذ إلى الجدران.
الخصائص البيئية للحي: المنطقة الحضرية، نسبة الغطاء الأخضر (ضمن نصف قطر 20 متراً)، وظروف التظليل.
المعلومات المناخية: الإشعاع الشمسي وبيانات الطقس.
أداء الطاقة: تم قياسه ككثافة طاقة (EI) بوحدة كيلوواط ساعة/متر مربع.
معالجة البيانات والتحقق من صحتها: قبل التحليل، أُجري تقييم للموثوقية باستخدام استطلاع للخبراء (28 خبيراً) واختبارات "ألفا كرونباخ" لضمان صلاحية المتغيرات والاتساق الداخلي. تم استخدام الترميز الأحادي (one-hot encoding) للمتغيرات الفئوية لإنشاء مجموعة بيانات موحدة مكونة من 50 ملاحظة بـ 88 ميزة.
النهج التحليلي: استخدمت الدراسة سير عمل تحليلي متعدد المراحل باستخدام لغة Python 3.11 (Pandas, NumPy, Scikit-learn):
الإحصاء الوصفي: لتلخيص خصائص المستجيبين والمباني.
النمذجة التنبؤية: تم اختيار نموذج انحدار الغابة العشوائية (Random Forest Regression - RFR) لقدرته على التعامل مع أنواع البيانات المختلطة (العددية والفئوية)، ونمذجة العلاقات غير الخطية، ومقاومة الإفراط في التخصيص (overfitting).
تقييم النموذج: تم تقييم الأداء باستخدام معامل التحديد (R2)، ومتوسط الخطأ المطلق (MAE)، وجذر متوسط مربع الخطأ (RMSE). كما تم تطبيق إجراء التحقق المتقاطع خماسي الطيات (five-fold cross-validation) لضمان متانة النموذج.
تحليل أهمية الميزات: استُخدم لتحديد المساهمة النسبية لمتغيرات محددة في أداء الطاقة.
الاستنتاج القائم على القواعد: تم ربط المخرجات التنبؤية بمنطق قائم على القواعد لتوليد توصيات استشارية مخصصة وقابلة للتفسير.
النتائج الرئيسية
الأداء التنبئي: أظهر إطار العمل المقترح قدرة تنبؤية مرضية بمعامل تحديد (R2) بلغ 0.86، ومتوسط خطأ مطلق (MAE) قدره 0.14 كيلوواط ساعة/م²، وجذر متوسط مربع خطأ (RMSE) قدره 0.18 كيلوواط ساعة/م². وبلغ متوسط الخطأ المطلق في التحقق المتقاطع 0.44 كيلوواط ساعة/م²، مما يشير إلى تعميم مستقر رغم محدودية حجم العينة.
أهمية الميزات: حدد التحليل المحددات الرئيسية لأداء الطاقة السكنية كالتالي:
التهوية الطبيعية (40% من الأهمية)
عمر المبنى (24%)
الغطاء الأخضر في الحي (14%)
الإشعاع والمنطقة الحضرية (تأثير أقل)
تحليل الارتباط: وُجدت ارتباطات سلبية قوية بين كثافة الطاقة وعوامل مثل التهوية الطبيعية، وعمر المبنى، والغطاء الأخضر في الحي. وأكدت الدراسة أن العوامل الاجتماعية والديموغرافية (مثل عمر الساكن) تتفاعل بشكل كبير مع العوامل الفيزيائية والبيئية للتأثير على سلوكيات استخدام الطاقة.
المخرجات الاستشارية: نجح إطار العمل في ترجمة النتائج التحليلية إلى توصيات ذات أولوية. وكانت التدخلات ذات الأولوية القصوى التي تم تحديدها هي تحسين التهوية (28%)، وتعزيز العزل (22%)، وزيادة الغطاء الأخضر في الحي (16%).
المساهمات الرئيسية
إطار عمل متمحور حول الإنسان: تقدم الدراسة منصة تقييم متعددة المعايير تدمج صراحةً الخصائص الاجتماعية والديموغرافية للساكنين مع بيانات المبنى والبيئة، مما يعالج فجوة حرجة في الأدبيات الحالية.
التخصيص المدفوع بالذكاء الاصطناعي: تثبت الدراسة جدوى استخدام انحدار الغابة العشوائية المقترن بالاستنتاج القائم على القواعد لتوليد نصائح كفاءة طاقة مخصصة تتناسب مع خصائص كل أسرة.
إثبات المفهوم: يوفر البحث سير عمل منهجياً تم التحقق من صحته لتقييم الآثار التآزرية للعوامل البشرية، والمباني، والبيئية على أداء الطاقة في السكن الشقي.
الأهمية والادعاءات يدعي المؤلفون أن هذه الدراسة تضع أساساً متيناً للتطوير المستقبلي لمنصات استشارية للطاقة في المساكن تكون مدعومة بالذكاء الاصطناعي ومتمحورة حول الإنسان. ويُقدم إطار العمل ليس كأداة نشر نهائية واسعة النطاق، بل كـ "إثبات مفهوم" (proof of concept) يتحقق من الجدوى المنهجية لدمج سمات الساكنين، وعوامل المبنى، والمؤشرات البيئية في آن واحد.
تؤكد الورقة أن كفاءة الطاقة في المباني السكنية تتحدد من خلال التأثير التآزري للساكن، والمبنى، والحي، والبيانات المناخية، وليس من خلال المبنى وحده. ومن خلال توفير منصة تأخذ في الاعتبار تصورات الساكنين، والقدرة على تحمل التكاليف، والخصائص، يهدف إطار العمل إلى دعم المستخدمين، والمصممين، والمخططين، وصناع القرار في إنشاء بيئات سكنية أكثر كفاءة في استخدام الطاقة، وأكثر سهولة في الاستخدام، وأكثر عدالة اجتماعياً. وتخلص الدراسة إلى أنه على الرغم من محدودية حجم العينة، إلا أن النتائج تؤكد القدرة على اكتشاف اتجاهات هامة في أداء الطاقة السكنية وتوفر أساساً لتوسيع المنصة لتشمل مجموعات بيانات أكبر وتطبيقات تركز على الخبراء في المستقبل.