智能照明控制技術(shù)之體育館應(yīng)用淺析

周玉庭 馬小軍 邢自巧

(南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210009)

0 引言

智能照明控制系統(tǒng)是利用先進(jìn)電磁調(diào)壓及電子感應(yīng)技術(shù)達(dá)到優(yōu)化供電目的照明控制系統(tǒng)。與傳統(tǒng)照明相比，其具有調(diào)節(jié)環(huán)境氣氛、改善工作環(huán)境和節(jié)能效果、提高工作效率、延長(zhǎng)光源壽命、管理維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)，它與各種網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合也為控制技術(shù)開辟了新的領(lǐng)域[1]。目前，智能照明控制系統(tǒng)已在影視舞臺(tái)、多媒體會(huì)議系統(tǒng)、智能建筑燈光環(huán)境控制等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著2008年奧運(yùn)會(huì)在我國(guó)舉辦，全國(guó)各地體育場(chǎng)館的新建與改建項(xiàng)目日益增多，體育照明發(fā)生著新的變化，個(gè)性化定制的智能照明控制模式使得體育館具有簡(jiǎn)單實(shí)用、節(jié)能環(huán)保、高效安全等特點(diǎn)。智能照明控制系統(tǒng)在體育場(chǎng)館訓(xùn)練、比賽和彩電轉(zhuǎn)播的燈光控制中起著越來(lái)越重要的作用。

1 體育照明對(duì)光的要求

在體育活動(dòng)中進(jìn)行視覺(jué)活動(dòng)和對(duì)光線有要求的人員有運(yùn)動(dòng)員、觀眾、場(chǎng)地技術(shù)人員和記者四類。這四類人員在現(xiàn)場(chǎng)中進(jìn)行活動(dòng)對(duì)照明有不同的要求[2]。同時(shí)，由于場(chǎng)地是多功能的，因此，同一場(chǎng)地可滿足訓(xùn)練、小型比賽和重大的國(guó)際比賽等要求。綜合以上因素，體育館照明設(shè)計(jì)需要考慮水平面照度、垂直面照度、照度均勻度、光源色溫、顯色性等諸多指標(biāo)。在照明設(shè)計(jì)中，根據(jù)不同的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，同一項(xiàng)目不同模式(訓(xùn)練、比賽、彩電轉(zhuǎn)播、HATV彩電轉(zhuǎn)播)的照度范圍為300～2 000 Lx。照度應(yīng)為維持照度，維護(hù)系數(shù)一般取0.8。照明光源色溫一般在4 000～6 000 K范圍內(nèi)。對(duì)于非彩電轉(zhuǎn)播的比賽場(chǎng)館，要求顯色指數(shù)Ra大于65;有彩電轉(zhuǎn)播的比賽場(chǎng)館，要求Ra大于80;大型國(guó)際和國(guó)內(nèi)比賽，要求 Ra 不宜小于 90[3]。

2 體育照明安裝方式

體育館照明安裝方式一般分為三種：①頂上均勻布燈方式，此方式主要考慮水平面照度，但垂直照度低，適用于一般訓(xùn)練館;②兩側(cè)燈帶投光方式，此方式以側(cè)光為主，適用于空間較高的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，可以兼顧水平照度與垂直照度及均勻度，并能有效控制眩光;③均勻布燈與燈帶投光照明相結(jié)合方式，此方式燈具在場(chǎng)地上空和側(cè)面布置相結(jié)合，適用于多功能體育館，水平照度與垂直照度可以兼顧[4]。

3 體育照明控制方式

早期體育照明控制方式采用繼電-接觸控制。這種控制方式需要二次控制電路，接線復(fù)雜，開燈方案單一且操作不便，這種方式目前較少采用，取而代之的是智能照明控制系統(tǒng)[5－6]。智能照明控制系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和微電子技術(shù)等現(xiàn)代化的科學(xué)技術(shù)，根據(jù)環(huán)境變化、客觀要求、用戶預(yù)定需求等條件而自動(dòng)采集系統(tǒng)中的各種信息，并可對(duì)所采集的信息進(jìn)行相應(yīng)的邏輯分析、推理、判斷。同時(shí)，對(duì)結(jié)果按特定的形式進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示、傳輸以及反饋控制等處理，以達(dá)到最佳的控制效果[1]。

4 系統(tǒng)應(yīng)用舉例

4.1 場(chǎng)地尺寸及照度標(biāo)準(zhǔn)

南京工業(yè)大學(xué)體育館擁有2 800個(gè)座位，面積為4 800 m2。體育館中心為矩形球場(chǎng)，周圍為觀眾廳，除能承辦體育賽事外，還可滿足文藝演出、大型集會(huì)等的需要。

場(chǎng)地照明采用金屬鹵化物光源。整體照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全網(wǎng)絡(luò)智能化管理，為日后不斷發(fā)展的體育場(chǎng)館應(yīng)用奠定了完備的管理基礎(chǔ)。主館比賽大廳照明采用可編程的計(jì)算機(jī)程序控制和手動(dòng)控制。由于主館比賽的項(xiàng)目較多，使用面積不同，因此控制較為復(fù)雜。南京工業(yè)大學(xué)體育館比賽場(chǎng)地尺寸及對(duì)應(yīng)照度標(biāo)準(zhǔn)值如表1所示。

表1 場(chǎng)地尺寸及對(duì)應(yīng)照度標(biāo)準(zhǔn)值Tab.1 Site size and corresponding illumination standard

4.2 采用的照明控制系統(tǒng)

南京工業(yè)大學(xué)體育館照明控制方式采用的是邦奇智能控制系統(tǒng)(Dynalite)，它是一個(gè)分布式控制系統(tǒng)。

Dynalite智能照明控制系統(tǒng)通常可以由調(diào)光模塊、開關(guān)模塊、控制面板、液晶顯示觸摸屏、智能傳感器、編程插口、時(shí)鐘管理器、手持式編程器和PC監(jiān)控機(jī)等部件組成，將上述各種具備獨(dú)立功能的控制部件用一根五類數(shù)據(jù)通信線(四對(duì)雙絞線)按手牽手菊花鏈的方式連接起來(lái)，就組成一個(gè)DyNet控制網(wǎng)絡(luò)。

DyNet網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都是智能化的，并以“點(diǎn)到點(diǎn)”方式進(jìn)行通信[7－8]。

4.3 智能照明控制方案

4.3.1 功能要求

南京工業(yè)大學(xué)體育館智能照明控制系統(tǒng)根據(jù)場(chǎng)地使用情況，要求達(dá)到系統(tǒng)可編程，且程序能隨時(shí)修改或編制輸入新的程序。當(dāng)某一程序執(zhí)行完畢后，燈具狀態(tài)可以鎖定。在第二個(gè)程序輸入時(shí)，只有狀態(tài)改變的燈具執(zhí)行新的程序，狀態(tài)不變的燈具不執(zhí)行新的程序，且不得有瞬時(shí)斷電的現(xiàn)象;控制系統(tǒng)應(yīng)有自動(dòng)分路延時(shí)啟動(dòng)功能，防止燈具集中啟動(dòng)的浪涌電流;必要時(shí)可轉(zhuǎn)入手控狀態(tài)，全部控制步驟應(yīng)在燈控室內(nèi)完成;設(shè)置監(jiān)視屏，以顯示所有燈具的工作狀態(tài)，并有壞燈故障反饋信號(hào);照明的控制方式靈活、簡(jiǎn)便、可靠、合理、易操作，并具有遠(yuǎn)程控制接口[9]。

4.3.2 照明控制方案

場(chǎng)地?zé)艟吖?2套，實(shí)行一回路一控，單燈檢測(cè)，場(chǎng)地照明配備八臺(tái) DDRC1210FP控制器、兩臺(tái)DDRC410FR控制器，控制每個(gè)回路的交流接觸器，實(shí)現(xiàn)一對(duì)一的燈具控制，配置16臺(tái)BJ6CD(六回路電流檢測(cè)器)。觀眾席照明燈具共40套，配備一臺(tái)DDRC1210FP控制器，實(shí)行六燈或四燈一回路一控。系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了20個(gè)開燈模式，照明方式以側(cè)光為主。隨燈具線路的敷設(shè)，專設(shè)兩條感溫電纜全程跟蹤線路的發(fā)熱情況，一旦發(fā)生危險(xiǎn)及時(shí)報(bào)警。

4.3.3 軟件應(yīng)用

應(yīng)用在體育照明控制中的軟件主要有照明設(shè)計(jì)軟件和智能照明中文監(jiān)控軟件。

4.3.3.1 照明設(shè)計(jì)軟件

采用照明設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件實(shí)際計(jì)算，計(jì)算結(jié)果包括各種模式下的水平照度分布值、垂直照度分布值、照度均勻值等。水平照度值、垂直照度值計(jì)算方法按照點(diǎn)光源直射照度計(jì)算法[10]，計(jì)算公式為：

式中：Eh為點(diǎn)光源(燈具)在某一點(diǎn)處產(chǎn)生的水平面照度，Lx;Ev為點(diǎn)光源在某一點(diǎn)處產(chǎn)生的垂直面照度，Lx;為光通量為1 000 lm時(shí)照射方向的光強(qiáng)，cd;h為點(diǎn)光源到被照水平面的距離，稱為計(jì)算高度，m;Φ為點(diǎn)光源的實(shí)際光通量，lm;K為維護(hù)系數(shù);垂直角θ為被照點(diǎn)至燈的水平距離與燈安裝高度h比值的反正切值。

由式(1)和式(2)可知，由于燈具至被照點(diǎn)距離足夠遠(yuǎn)，可以把所有燈具看作一個(gè)個(gè)點(diǎn)光源，將它們?cè)谠擖c(diǎn)處產(chǎn)生的水平面照度和垂直面照度分別求和，則可求得該點(diǎn)在這些燈具照射下的水平面照度和垂直面照度。

照度均勻度分為水平照度均勻度和垂直照度均勻度，它們的計(jì)算公式分別為：

式中：Emin為參考面(比如籃球、排球訓(xùn)練模式下場(chǎng)地區(qū)域)內(nèi)水平面和垂直面上的最小照度值，Lx;Emax為參考面內(nèi)水平面和垂直面上的最大照度值，Lx;Eave為水平面和垂直面上的平均照度值，Lx。

體育照明對(duì)U1、U2均有要求，一般有彩電轉(zhuǎn)播的比賽要求水平照度均勻度 U1＞0.6、U2＞0.7，垂直照度均勻度 U1＞0.4、U2＞0.6。

經(jīng)采用照明設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件的實(shí)際計(jì)算，南京工業(yè)大學(xué)體育館水平照度分布值、垂直照度分布值、照度均勻值與實(shí)測(cè)值基本符合，且滿足各比賽項(xiàng)目對(duì)照度的標(biāo)準(zhǔn)要求。各項(xiàng)目比賽照度水平及開燈數(shù)量如下。

① 籃球、排球照明：開燈數(shù)量84套，水平平均照度1 515 Lx，垂直平均照度1 047 Lx，水平照度均勻度U1=0.64、U2=0.76，垂直照度均勻度 U1=0.49、U2=0.65。

② 藝術(shù)體操照明：開燈數(shù)量36套，水平平均照度1 069 Lx，垂直平均照度1 079 Lx，水平照度均勻度U1=0.93、U2=0.96，垂直照度均勻度 U1=0.73、U2=0.84。

③ 羽毛球照明：開燈數(shù)量46套，水平平均照度1 069 Lx，垂直平均照度1 255 Lx，水平照度均勻度U1=0.79、U2=0.84，垂直照度均勻度 U1=0.56、U2=0.79。

④ 乒乓球決賽照明：開燈數(shù)量46套，水平平均照度1 563 Lx，垂直平均照度1 440 Lx，水平照度均勻度U1=0.86、U2=0.91，垂直照度均勻度 U1=0.76、U2=0.89。

4.3.3.2 中文監(jiān)控軟件

Dynalite系統(tǒng)本身無(wú)法直接顯示檢測(cè)結(jié)果。在PC監(jiān)控機(jī)使用MapViewTM類的監(jiān)控軟件可以對(duì)場(chǎng)館的照明進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。監(jiān)控軟件具有友好的人機(jī)界面，可實(shí)時(shí)顯示照明模式和所控制照明回路的開斷情況，并能在屏幕上直接進(jìn)行照明模式控制和對(duì)單個(gè)的照明回路進(jìn)行控制。這些功能可以讓不具備網(wǎng)絡(luò)控制知識(shí)的工作人員在無(wú)需參照復(fù)雜的線路圖的前提下就能進(jìn)行照明控制。

5 結(jié)束語(yǔ)

南京工業(yè)大學(xué)體育館建成后，已舉辦多次重要賽事。場(chǎng)館采用的智能照明控制方案方便可行，獲得了較佳的照明效果。該方案具有遠(yuǎn)程控制接口，可以通過(guò)利用傳感器等先進(jìn)的元器件及智能照明控制系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議平臺(tái)，將體育館內(nèi)照明系統(tǒng)和其他子系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，形成兼容性系統(tǒng)，綜合數(shù)據(jù)并進(jìn)行智能分析，對(duì)電能控制和消耗進(jìn)行動(dòng)態(tài)、有效地配置和管理。該方案既滿足體育照明的要求，又能達(dá)到一個(gè)低碳環(huán)境，將體育場(chǎng)館的照明管理提升到一個(gè)新的層次。

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