分布式照明系統(tǒng)的個性化調(diào)光方法

郭 旭， 董 麗， 陳 立 崟， 高 英 明

( 大連工業(yè)大學(xué) 光子學(xué)研究所, 遼寧 大連 116034 )

分布式照明系統(tǒng)的個性化調(diào)光方法

郭 旭， 董 麗， 陳 立 崟， 高 英 明

( 大連工業(yè)大學(xué) 光子學(xué)研究所, 遼寧 大連 116034 )

針對采用統(tǒng)一燈具的開放辦公室，討論了通過協(xié)作調(diào)光方式實現(xiàn)個性化照明的方法。首先介紹了照度的疊加理論。依據(jù)最優(yōu)化方法的線性規(guī)劃理論，以調(diào)光系數(shù)之和最小為目標(biāo)函數(shù)，建立了協(xié)作調(diào)光照明的數(shù)學(xué)模型。采用DIALux軟件為某個實際的照明場所建立仿真模型，獲得數(shù)學(xué)模型中約束方程的系數(shù)矩陣后，通過Matlab求解各盞燈的調(diào)光系數(shù)。個性化照明方法能夠使室內(nèi)照度與首選照度需求一致的同時節(jié)省電力，符合以人為本及綠色照明理念。

照明；協(xié)作調(diào)光；數(shù)學(xué)模型；調(diào)光系數(shù)；仿真建模

0 引 言

科學(xué)地進行辦公照明有利于提高員工的工作效率、創(chuàng)造力與舒適性[1-2]。Tomishima等[3-5]提出了一種分布式智能照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)由不同色溫的熒光燈和傳感器構(gòu)成，并在相應(yīng)目標(biāo)處設(shè)置傳感器，依據(jù)人員對照度的需要對傳感器的數(shù)值進行控制。調(diào)查表明，員工希望能夠主動改變辦公光環(huán)境，并相信這種改變與健康狀況、照明舒適度和績效指標(biāo)等因素相關(guān)。首選照度是給人感覺最舒適的照度，員工在首選照度下的情緒等級、環(huán)境滿意度和照明滿意度更高。首選照度因人而異，即使同一人在不同時刻，首選照度也發(fā)生改變，并且依據(jù)人員的個性化需求改變辦公環(huán)境的照度和色溫分布會極大地提高工作效率，但首選照度存在較大的差異[6]。Veitch等[7]對47對相匹配的實驗對象在開放式辦公室里模擬進行了各種辦公活動并完成問卷，結(jié)果顯示首選照度最小為83 lx，最大達(dá)到725 lx。

目前，傳統(tǒng)的辦公照明普遍將室內(nèi)照度固定在較高的數(shù)值上，而這種單一照度的照明方式忽略了人員自身對首選照度的差異化特征，同時也未能依據(jù)工作性質(zhì)和內(nèi)容的差別對室內(nèi)照度進行合理的個性化控制[8-10]。本研究基于線性規(guī)劃理論給出一種個性化的辦公照明模型，該模型以能耗最小為目標(biāo)函數(shù)，依據(jù)員工不同的首選照度，確定各燈的調(diào)光系數(shù)，各燈通過協(xié)作方式進行辦公照明，使員工分別獲得首選照度，進行個性化的辦公照明。

1 照度疊加理論

在光強已知的情況下，室內(nèi)的點照度可以通過照度距離平方反比定律求得[11-12]，即

(1)

式中：E為目標(biāo)位置首選照度，I為光強，R為燈具距目標(biāo)位置的距離。

令Q(Xn,Yn)表示目標(biāo)位置，室內(nèi)的m盞燈具分別表示為L1,L2,…,Lm。根據(jù)照度疊加原理，它們在Q點生成的照度EQ=E1+E2+…+Em。燈具距工作面的距離為h，燈具L1在目標(biāo)點生成的照度可由下面的過程得到。

假設(shè)燈具照射方向垂直向下，Q點在xoy平面上，燈具Li的投影位置為A，燈具Li在Q點產(chǎn)生的照度如圖1所示，依據(jù)公式(1)求得燈具Li在Q點處的照度。

圖1 燈具L1在Q點處的照度

從圖1得知，燈具Li以θi角入射Q點。設(shè)∠ALiQ=θi，R=LiQ=a，QA=b，AB=d，BQ=c，則燈具Li在點Q處的水平照度為

(2)

在燈具的配光曲線中可以查到以θi入射的光強Iθi。由此可以類推獲得室內(nèi)多盞燈具對位置Q產(chǎn)生的水平照度

(3)

2 協(xié)作調(diào)光照明數(shù)學(xué)模型

實現(xiàn)協(xié)作調(diào)光需要將燈具陣列組網(wǎng)，根據(jù)員工不同的首選照度需求，通過優(yōu)化方法計算燈具陣列中各燈的調(diào)光系數(shù)，由網(wǎng)絡(luò)通信將調(diào)光系數(shù)分別發(fā)送給相關(guān)燈具，通過疊加各燈對指定點產(chǎn)生的照度來滿足員工的首選照度需求。

根據(jù)照度疊加理論，工作面某點的照度等于各燈在該點產(chǎn)生照度的總和。若辦公室分布有m盞可調(diào)光的燈，工作面上目標(biāo)點的照度合成原理，如圖1所示。

圖2 燈具陳列對目標(biāo)點的照度疊加

欲使調(diào)光后的燈具照度在疊加后滿足員工的首選照度需求，則需要滿足

(4)

式中：Ki為i燈的調(diào)光系數(shù)，0≤Ki≤1；Li(xj,yj) 為i燈在點(xj,yj)產(chǎn)生的最大照度；S(xj,yj) 表示員工期望達(dá)到的首選照度。

根據(jù)最優(yōu)化方法的線性規(guī)劃理論，以各燈調(diào)光系數(shù)之和最小為目標(biāo)函數(shù)，該目標(biāo)函數(shù)是滿足個性化首選照度需求需要的最小電力輸出。在此調(diào)光系數(shù)下進行照明符合人員的差異性照明需求，同時兼顧節(jié)能減排的環(huán)保理念。依據(jù)公式(4)，根據(jù)目標(biāo)位置的期望首選照度值，建立協(xié)作調(diào)光照明的數(shù)學(xué)模型，以獲得最優(yōu)的調(diào)光系數(shù)為目標(biāo)，可以得到如下關(guān)于調(diào)光系數(shù)的數(shù)學(xué)模型。

3 協(xié)作調(diào)光模型的計算

3.1 建模確定調(diào)光系數(shù)

運用DIALux光學(xué)設(shè)計軟件進行辦公場所的照明模擬，照明模擬的空間模型如圖3所示。

圖3 辦公室的DIALux空間模型

在該辦公室模型中，共有6盞可以進行調(diào)光的燈具，2個待調(diào)光位置Q1和Q2。由于處于目標(biāo)位置的人員需要的首選照度存在差異，需要通過調(diào)節(jié)室內(nèi)所有燈具的光輸出使目標(biāo)位置的照度達(dá)到首選照度，這就涉及多燈協(xié)作的調(diào)光照明。求解各燈具的調(diào)光系數(shù)Ki是實現(xiàn)協(xié)作調(diào)光照明的關(guān)鍵，而照度分量Li(xj,yj)和期望的首選照度S(xj,yj)是兩個最主要的影響因素。由于首選照度S(xj,yj)具有隨機性，所以通過Matlab生產(chǎn)隨機數(shù)的方式獲得。

用DIALux軟件仿真求照度分量時，應(yīng)注意各燈具的開閉狀態(tài)，具體方法如下：單一開啟一盞燈具，即該燈具的調(diào)光系數(shù)為1，并保持其他燈具處于關(guān)閉狀態(tài)，即調(diào)光系數(shù)為0。通過DIALux軟件計算出目標(biāo)位置的照度，即為該燈具的照度分量。以此類推，可以獲得各燈具的照度分量，見表1。協(xié)作調(diào)光就是調(diào)節(jié)各燈具在目標(biāo)位置的照度分量，即按各燈具調(diào)光系數(shù)的比例調(diào)節(jié)照度分量Li(xj,yj)后進行累加[13-15]。

表1 燈具在目標(biāo)點生成的照度分量

通過仿真建模和實際調(diào)光的方式實現(xiàn)目標(biāo)位置的首選照度分布。當(dāng)Ki=1時，Q1和Q2的照度分別為264和262 lx。為了實現(xiàn)個性化首選照度分布，核心部分就確定各燈具的調(diào)光系數(shù)。

采用最優(yōu)化方法的線性規(guī)劃理論，使用Matlab軟件求解各燈具的調(diào)光系數(shù)。依據(jù)表1中各燈具的照度分量，可以得到關(guān)于L的系數(shù)矩陣

根據(jù)單純形法得K=[0,1,1,0.5,0.9,0]，即燈具L1～L6的調(diào)光系數(shù)分別為0、1、1、0.544、0.864、0，可獲得目標(biāo)位置所要求的首選照度。

3.2 建模與驗證

將獲得的調(diào)光系數(shù)發(fā)送給燈具，對相應(yīng)燈具的發(fā)光強度進行調(diào)節(jié)，并借助DIALux軟件進行室內(nèi)照度的協(xié)作調(diào)光照明[16-17]。最終獲得協(xié)作調(diào)光效果如圖4所示，目標(biāo)位置的照度分別為148和196 lx。

圖4 個性化照度分布效果

4 結(jié) 論

為能夠采用統(tǒng)一燈具進行個性辦公照明，建立了個性調(diào)光照明模型，模型以最小能耗為約束條件。采用照明計算軟件DIALux建立了辦公室模型，結(jié)合Matlab進行仿真研究。結(jié)果說明該模型能夠以最小的能耗為員工提供首選照度。

今后的研究工作應(yīng)進行具有針對性的實際操作，包括最優(yōu)化方法的選擇、合理規(guī)劃燈具陣列，以及借助于網(wǎng)絡(luò)通信將調(diào)光系數(shù)發(fā)送給相應(yīng)燈具，逐步完善協(xié)作調(diào)光的照明方式，更好地實現(xiàn)對室內(nèi)照明的個性化分布控制。

[2] VIMALANATHAN K, BABU T R. The effect of indoor office environment on the work performance, health and well-being of office workers[J]. Journal of Environmental Health Science and Engineering, 2014, 12(1): 2-8.

[3] TOMISHIMA C, MIKI M, ASHIBE M, et al, Distributed control of illuminance and color temperature in intelligent lighting system[J]. Artifical Intelligence and Soft Computing, 2010, 23(97): 411-419.

[4] 孟令濤,賀曉陽,楊軼,等.一種道路照明照度測試方法和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[J].大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2012,31(1):71-74.

[5] 馬騰,李淵,李寶營,等.LED路燈智能控制系統(tǒng)[J].大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2012,31(1):75-78.

[6] TANIGUCHI Y, MIKI M, HIROYASU T, et al. Preferred illuminance and color temperature in creative works[C]//2011 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics (SMC). Anchorage: IEEE, 2011: 3255-3260.

[7] VEITCH J A, NEWSHAM G R. Preferred luminous conditions in open-plan offices: research and practice recommendations[J]. Lighting Research and Technology, 2000, 32(4): 199-212.

[8] 胡桂利,俞麗華.現(xiàn)代辦公空間局部光環(huán)境的控制研究[J].光源與照明,1999(3):4-7.

[9] 梁人杰.智能照明控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與未來展望[J].照明工程學(xué)報,2014,25(2):15-26.

[10] 顧雁欣.辦公室智能照明控制策略研究及實現(xiàn)[J].裝備機械,2013(3):65-68.

[11] 施克孝.燈具的配光曲線及應(yīng)用[J].演藝設(shè)備與科技,2006(1):5-12.

[12] 張九紅,莊金迅.配光曲線在照明計算中的應(yīng)用[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報,2007,23(6):941-944.

[13] 高英明,鄒念育,畢建峰,等.日光感知的LED照明系統(tǒng)節(jié)能特性[J].大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2013,32(5)：367-370.

[14] 許楠,張紹煒,江南舟.大開窗辦公建筑室內(nèi)照明節(jié)能研究[J].照明工程學(xué)報,2015,26(1):29-36.

[15] 陳仲林,王愛英,郭平.智能照明設(shè)計方法研究[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報,1999,21(4):65-68.

[16] 盧秀和,王琪,陳軍,等.城市照明智能調(diào)光方法的研究[J].電力電子技術(shù),2007,41(10):34-35.

[17] 武靜濤.LED照明智能控制方法研究[J].科技展望,2015(18):138-139.

Individualizeddimmingmethodfordistributedlightingsystem

GUOXu,DONGLi,CHENLiyin,GAOYingming

(ResearchInstituteofPhotonics,DalianPolytechnicUniversity,Dalian116034,China)

A method of realizing individual lighting by cooperative dimming was discussed for the open office with unified lights. Illumination superposition theory was introduced first, then a mathematical model of collaboration dimming lighting was established considering the minimum cumulative dimming coefficient as the objective function according to linear programming theory of the optimization methods. The coefficient matrix of constraint equations was obtained in the mathematical model adopted by DIAlux software in the actual office, then dimming coefficient of each lamp was solved by Matlab. The individual lighting method could save the electricity and meet the demand of the preferred illumination and the indoor illumination as well, which conformed to the concept of people-oriented and green lighting.

lighting; cooperative dimming; mathematical model; dimming coefficient; simulation modeling

郭旭,董麗,陳立崟,高英明.分布式照明系統(tǒng)的個性化調(diào)光方法[J].大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2017,36(6):455-458.

GUO Xu, DONG Li, CHEN Liyin, GAO Yingming. Individualized dimming method for distributed lighting system[J]. Journal of Dalian Polytechnic University, 2017, 36(6): 455-458.

2016-03-07.

遼寧省普通高等教育本科重點支持專業(yè)建設(shè)項目(2012108)；遼寧省普通高等教育本科教學(xué)改革立項項目(UPR2014139)；大連市科技計劃項目(2015A111GX017).

郭 旭(1990-)，女，碩士研究生；通信作者：高英明(1976-)，男，講師.

TP183

A

1674-1404(2017)06-0455-04