大型语言模型构建的工作流程，整合了检索增强生成技术以及模型上下文协议工具，用于城市规模基于仿真的韧性评估

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Large language model orchestrated workflow integrating retrieval-augmented generation and model context protocol tools for urban-scale simulation-based resilience assessment

　　

周敬峰|陈吉英|王萌|董百花|周晓琪

英国剑桥大学化学工程与生物技术系，剑桥

摘要

城市面临日益严重的复合热浪和电力中断风险，然而在城规层面应用以韧性为导向的城市建筑能源建模（UBEM）在方法论上仍然复杂且劳动力密集。本研究探讨了大型语言模型（LLM）结合检索增强生成（RAG）以及本研究中开发的自定义模型上下文协议（MCP）工具链，如何支持透明、可复制和可扩展的城市建筑韧性评估工作流程。通过构建基于文献的RAG层，利用期刊文章中的UBEM和城市韧性相关内容，并通过结构化模板进行查询，使LLM能够将情景设置、韧性指标和聚合策略转化为机器可读的指导。这些输出驱动了一个基于MCP的EnergyPlus工具链，该工具链重新配置并模拟了上海的现有建筑原型系统，该系统包含113个原型，代表311,612栋建筑，在持续三天的极端高温事件后发生长时间停电的情况下进行模拟。工作流程产生了一系列韧性指标，包括舒适区占用率和阈值超出统计。在停电情景下，20-26°C范围内的占用时间比例从42.5%下降到20.9%，而高于35°C的时间比例从0%增加到26.7%，其中工业和交通建筑原型的额外升温最为显著。结果表明，所提出的工作流程能够完成基于LLM的情景到指标的城市韧性评估流程，并将专家的工作重点从手动脚本编写转向对情景、阈值和指标的管理，同时明确了方法论上的局限性和将类似工作流程扩展到其他城市、危险情况和UBEM应用的路径。

引言

城市越来越受到复合气候变化和基础设施压力的影响。近年来，极端高温事件与电力供应中断频繁同时发生，导致室内环境迅速恶化。此类事件直接威胁到居民健康，加剧了现有建筑系统的脆弱性，而这些建筑并未为此类情况设计。作为响应，建筑能源研究逐渐从年度性能指标转向以韧性为导向的指标，这些指标描述了建筑在干扰期间保持可接受室内条件的能力[1]。然而，由于城市建筑系统的复杂性和所需的建模工作量，将这些概念一致地应用于整个城市规模仍然具有挑战性。

城市建筑能源建模（UBEM）提供了一个框架，使用基于物理或数据驱动的模型来表示大量建筑，并已广泛应用于评估城市规模的能源需求、改造策略和气候变化影响[2]。最近，UBEM研究开始关注城市过热和热韧性问题，将室内条件与室外微气候、城市形态和社会经济因素联系起来[3,4]。尽管取得了这些进展，但城市规模的评估通常仍依赖于复杂的项目特定工作流程[5]。数据准备、原型定义、模型配置和情景设计通常分散在不同的数据源和各种实际案例中，这限制了透明度、可复制性和学术界之外的更广泛采用。同时，大型语言模型（LLM）越来越多地被用于支持和数据密集型领域的技术工作流程。在设计和模拟环境中，LLM已经展示了代码生成、文档支持以及整合异构信息源的能力[6,7]。检索增强生成（RAG）进一步使LLM能够将其输出与外部技术文档和数据集对接，而像模型上下文协议（MCP）这样的工具调用框架允许通过结构化接口访问模拟引擎、数据库和地理空间工具[8]。这些发展为组织和执行复杂的建模工作流程提供了新的可能性，尽管它们在城市建筑韧性评估中的应用仍然有限。

尽管取得了这些发展，但对于如何将LLM相关能力整合到涉及异构地理空间数据、建筑原型、极端高温事件和韧性评估任务的城市规模建筑韧性工作流程中，仍缺乏理解。本文研究了结合RAG和MCP工具的LLM辅助工作流程，在极端高温和停电条件下支持城市建筑韧性评估的应用。研究重点不是引入新的韧性模型，而是组织和协调现有的模型、数据源和模拟工具，关注工作流程结构、LLM与领域工具之间的交互，以及数据准备、模型配置和结果处理的实际影响。

基于这一动机，本研究探讨了LLM协调的工作流程在城市建筑韧性评估实践中的应用性能。分析由三个研究问题指导：

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  检索增强生成和模型上下文协议工具应如何设计与现有城市建筑韧性模型集成，以支持极端条件下的透明和可复制城市规模模拟？
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  基于此工作流程的LLM辅助工作流程，在数据准备、模型配置和城市建筑韧性评估的情景设计方面，如何改变所需的工作量和技能？
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  所提出的工作流程在多大程度上完成了从数据发现到结果后处理的整个城市建筑韧性评估流程？它在生成合理的评估结果方面效果如何？

本文的其余部分安排如下。第2节回顾背景和相关工作。第3节介绍了整体方法论，包括以LLM为中心的工作流程、检索增强生成的设置以及暴露城市韧性模型和相关数据源的MCP工具的定义。第4节描述了上海案例研究和所提出的工具链的实施。第5节报告了结果，包括对基线建模基础的初步验证、评估协议和可靠性检查，以及观察到的工作流程行为和工具协调的韧性评估输出。第6节讨论了意义、局限性和未来工作的方向，第7节对这项工作进行了总结

章节片段

背景和相关工作

本节回顾了相关文献，为研究提供背景。它总结了关于城市热韧性和建筑及城市规模复合中断风险的研究，概述了用于评估热性能和韧性的常见城市规模建筑能源建模工作流程，并回顾了大型语言模型、检索增强生成和工具调用框架在建筑和城市能源建模方面的最新发展。

方法论

该方法论围绕一个四步工作流程构建，包括基于文献的检索、LLM引导的合成、基于MCP的EnergyPlus工具链和城市规模韧性评估，如图1所示。本节逐步介绍这一工作流程。它描述了特定领域知识库的设计和查询、检索材料的合成为结构化的情景和指标指导、UBEM模拟的封装为MCP工具等

案例研究

本节将所提出的工作流程应用于上海，以检验其在复合热浪和停电压力下对大规模异构建筑系统的表现。以下小节简要介绍了城市背景、建筑系统和原型模型，并总结了此案例中MCP支持的工作流程的实施情况。

结果

本节分四步报告了上海案例研究的结果。首先总结了基线建模设置的验证基础，然后概述了评估协议和可靠性检查。接着考察了工作流程在情景规范和工具协调执行过程中的表现，最后展示了在复合极端高温和停电情景下的韧性指标及其解释。

讨论

本节从工作流程的方法论贡献、其对专家工作分配的影响，以及影响结论的边界和局限性方面解读了上海案例研究的结果。同时，还指出了该方法在跨不同危险情况、城市和建模假设扩展工作流程时的可转移性和需要进一步工作的领域。

结论

本研究探讨了通过检索增强生成和模型上下文协议工具协调的大型语言模型在支持复合热浪和停电条件下的城市建筑韧性评估中的应用。本研究的目的不是取代现有的UBEM框架，而是通过更透明和可复制的工作流程对其进行补充。从一个经过验证的原型库出发，研究表明LLM可以协调文献检索、

CRediT贡献声明

周敬峰：撰写——审阅与编辑、原始草稿撰写、可视化、验证、软件开发、方法论研究、概念化。陈吉英：原始草稿撰写、方法论研究、概念化。王萌：审阅与编辑、方法论研究。董百花：审阅与编辑。周晓琪：审阅与编辑、方法论研究、概念化。