智能照明系統(tǒng)及其使用案例和工業(yè)應(yīng)用潛力分析

姚傳山 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230031）

1 概述

在過去的幾十年中，二氧化碳排放量不斷增加，這被認(rèn)為是造成溫室效應(yīng)的關(guān)鍵因素。生產(chǎn)和物流設(shè)施由于其高能量需求而在這些排放中占很大份額。在此類設(shè)施中使用的大部分能源是通過供暖、制冷、空調(diào)和照明設(shè)備消耗的。較早的研究表明，照明在倉庫中的能耗占總能耗的65%，因此，降低照明的能耗可以極大地降低能源成本。面對(duì)降低環(huán)境影響的社會(huì)壓力，很多公司正在尋找使工廠綠色環(huán)保的新方法。那么，通過節(jié)省大量能源的現(xiàn)代照明系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)綠色運(yùn)營(yíng)。

除了照亮工作場(chǎng)所外，現(xiàn)代照明系統(tǒng)還可以通過各種方式促進(jìn)工作生活并為人類工作提供支持，其潛力遠(yuǎn)不止節(jié)能。但是，許多公司仍未完全意識(shí)到現(xiàn)代智能照明系統(tǒng)所帶來的好處。因而，本文概述了智能照明系統(tǒng)以及與這些系統(tǒng)相關(guān)的潛在好處。然后，我們提出一些用例，來突出說明智能照明如何降低能源成本并改善倉庫等工業(yè)環(huán)境中的操作流程。

2 智能照明系統(tǒng)的構(gòu)成

隨著諸如發(fā)光二極管（LED）的新照明技術(shù)的發(fā)展，住宅、辦公室和街道照明的創(chuàng)新應(yīng)用已經(jīng)在市場(chǎng)上出現(xiàn)。由于其多功能性和低能耗性，現(xiàn)代照明系統(tǒng)通常依賴于LED。此外，LED具有各種控制選項(xiàng)，可用于使照明“智能”。

智能照明系統(tǒng)基于LED的電氣控制。它們使光源聯(lián)網(wǎng)，并使用傳感器將光強(qiáng)度調(diào)整為外部因素，例如日光或用戶的行為。智能照明系統(tǒng)是環(huán)保的，并且其可改善照明設(shè)備的功能安全性。

LED是大多數(shù)智能照明系統(tǒng)的核心。它們的主要優(yōu)點(diǎn)是，與傳統(tǒng)的燈泡相比，它們需要的能量要少得多。例如，對(duì)于家庭或街道照明，LED的發(fā)光效率約為100 lm/W，而在工業(yè)應(yīng)用中則高達(dá)200lm/W。它們的壽命從50,000到100,000多個(gè)小時(shí)不等。相比之下，白熾燈泡的功率約為15 lm/W，熒光燈的功率約為100lm/W，并且預(yù)期壽命比LED短得多。除了節(jié)省能源外，LED還提供了改進(jìn)的光色和光譜適應(yīng)性，以及與位移量無關(guān)的強(qiáng)大的魯棒性和穩(wěn)定性。同時(shí)，LED在較低的環(huán)境溫度下效率更高，并且不會(huì)導(dǎo)致熱輻射，與傳統(tǒng)的光源相比，這共同導(dǎo)致維護(hù)成本降低。同時(shí)LED燈具可以適應(yīng)客戶的特定要求，也可以作為常規(guī)燈具生產(chǎn)。

除了光源本身，照明質(zhì)量還取決于幾個(gè)因素，例如安裝高度、照明設(shè)備的間距、照明角度和表面特性。照明控制可以幫助減少能源消耗，防止能源浪費(fèi)并增加視覺舒適度?？刂普彰鞯囊环N流行方法是通過運(yùn)動(dòng)或傳感器來檢測(cè)運(yùn)動(dòng)，因此能夠觀察空間是否被占用。根據(jù)該信號(hào)，系統(tǒng)通過打開/關(guān)閉燈或降低/增加照明強(qiáng)度來調(diào)整照度級(jí)別。類似地，日光傳感器用于提供其他人造光（如果需要）以達(dá)到用戶要求的照明水平。傳感器控制的光可降低能耗，并在不限制安全性或功能的情況下，根據(jù)用戶的需要單獨(dú)調(diào)整光的條件。對(duì)此類系統(tǒng)進(jìn)行仿真或觀察其在實(shí)際應(yīng)用中的性能的研究表明，基于占用的照明控制可能會(huì)節(jié)省17%到60%的能源，而據(jù)報(bào)道，日光傳感器可以節(jié)省超過10%的能源。與傳統(tǒng)照明相比，能耗降低了40%。同時(shí)使用兩種類型的控制系統(tǒng)，可以平均節(jié)省13%至73%。影響節(jié)能的其他因素包括窗戶的尺寸和方向、可用的日照時(shí)間以及使用的模式等。據(jù)報(bào)道，迄今為止，在辦公樓里節(jié)省的能量最高。

由于互聯(lián)網(wǎng)的能力，將智能照明系統(tǒng)集成到現(xiàn)有的建筑物管理技術(shù)中成為可能，因此可以對(duì)其進(jìn)行集中監(jiān)控和控制。這有助于通過傳感器檢測(cè)由于污染或老化而導(dǎo)致的LED瞬時(shí)功率下降。該數(shù)據(jù)可用于更準(zhǔn)確地定義維護(hù)間隔，這也有助于減少因中斷而導(dǎo)致的計(jì)劃外維護(hù)操作。另外，持續(xù)監(jiān)控照明系統(tǒng)的智能維護(hù)工具可以用來識(shí)別錯(cuò)誤的來源以及其他基礎(chǔ)設(shè)施可能帶來的后果。

除了上述效果之外，由于可見光通信（VLC）技術(shù)，智能照明系統(tǒng)還支持無線網(wǎng)絡(luò)訪問。VLC使用光電二極管檢測(cè)信號(hào)的發(fā)射器（例如LED），傳播通道和接收器（例如智能手機(jī)或平板電腦）。按照調(diào)制方案，LED會(huì)快速打開或關(guān)閉，以使用強(qiáng)度調(diào)制來傳輸數(shù)據(jù)。由于發(fā)送器和接收器之間的通信只能在視線內(nèi)進(jìn)行，因此需要相應(yīng)地布置LED。該技術(shù)提供了高度的數(shù)據(jù)保護(hù)，因?yàn)橹挥幸暰€內(nèi)的接收器才能接收信號(hào)。VLC還可以在無線信號(hào)受到干擾的地方使用，并且與類似的無線技術(shù)相比，VLC不會(huì)發(fā)出輻射?；诖思夹g(shù)的直接應(yīng)用是基于VLC的室內(nèi)定位系統(tǒng)（IPS）。室內(nèi)定位或定位旨在確定對(duì)象或個(gè)人的空間位置。不過準(zhǔn)確的定位是有一定難度的，現(xiàn)有的全球定位系統(tǒng)（GPS）不適用于許多室內(nèi)應(yīng)用。因此，已經(jīng)有開發(fā)出了使用諸如Wi-Fi的射頻（RF）系統(tǒng)對(duì)對(duì)象進(jìn)行定位的技術(shù)解決方案。與基于GPS或其他基于RF的系統(tǒng)相比，基于VLC的IPS使用建筑物的照明基礎(chǔ)設(shè)施可以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的定位。

下面我們就智能照明在住宅、辦公室以及街道的應(yīng)用展開討論。

3 辦公室、住宅建筑和街道中的智能照明系統(tǒng)

迄今為止，智能照明系統(tǒng)在辦公中的應(yīng)用吸引了大量關(guān)注。那么，在辦公室中提供最佳的照明條件是一個(gè)復(fù)雜的問題。在辦公室中，光量的簡(jiǎn)單增加并不一定會(huì)提高計(jì)算機(jī)顯示器的可視性，而通常會(huì)提高（紙質(zhì)）文檔的可讀性。自動(dòng)控制系統(tǒng)可以根據(jù)日光和占用率提供可調(diào)節(jié)的光線，以滿足不同的用戶需求。在辦公室中，基于傳感器的照明是控制光以達(dá)到適當(dāng)照明水平并節(jié)省能源的重要工具。此外，這種照明可以提高員工的注意力、創(chuàng)造力和績(jī)效。因此，照明控制會(huì)影響整個(gè)房間或僅影響單個(gè)工作場(chǎng)所。并且將色溫適當(dāng)?shù)恼{(diào)整可顯著提高員工的生產(chǎn)率。例如，冷卻后的白光和色溫的顯著增加，可以為休息后員工的注意力和集中精神提供了條件。

住宅環(huán)境中的智能照明系統(tǒng)可通過同時(shí)考慮照明控制和可再生能源的產(chǎn)生（例如來自太陽能系統(tǒng)或熱泵的方式）來幫助節(jié)省能源。能源管理系統(tǒng)可以控制能流以平衡能源供需。在智能家居環(huán)境中，智能照明系統(tǒng)由于其提供的各種功能可以為用戶的日常生活提供支持。智能家居技術(shù)使多個(gè)設(shè)備（例如智能手機(jī)）可以無線訪問家庭網(wǎng)絡(luò)，并且它們可以使其中一些設(shè)備彼此通信。當(dāng)前市場(chǎng)上可用的大多數(shù)智能家居技術(shù)都在RF頻譜中運(yùn)行。缺點(diǎn)是在用戶數(shù)量眾多和系統(tǒng)安全性較差。那么，VLC系統(tǒng)可以作為家庭網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸和無線訪問的替代方案。鑒于光線無法穿透墻壁，這種形式的數(shù)據(jù)通信可以防范未經(jīng)授權(quán)的外部訪問。此外，與傳統(tǒng)的基于RF的技術(shù)相比，VLC還提供了更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。

除了室內(nèi)應(yīng)用之外，以街道照明為重點(diǎn)的室外照明也是使用智能照明系統(tǒng)的領(lǐng)域。在這里，照明條件取決于許多因素，例如照明設(shè)備的類型、光斑的安裝高度、最佳照明設(shè)備間距或路面特性。智能照明系統(tǒng)可以借助傳感器和數(shù)據(jù)測(cè)量來調(diào)節(jié)光線，從而提供更好的照明條件，并且它們可以改善整體視覺性能和舒適度，還可以節(jié)省能源。在這種情況下，僅在檢測(cè)到用戶的情況下打開路燈，同時(shí)將亮度調(diào)整到給定條件，才能對(duì)運(yùn)動(dòng)和占用進(jìn)行檢測(cè)。除了減少能源消耗外，這樣減少了光污染，可以為生態(tài)可持續(xù)性做出重要貢獻(xiàn)。

4 工業(yè)環(huán)境中智能照明的潛力及相應(yīng)優(yōu)勢(shì)

不過令人驚訝的是，迄今為止，工業(yè)上使用智能照明系統(tǒng)的潛力尚未引起很多關(guān)注。智能照明解決方案在解決與行業(yè)相關(guān)的問題方面的潛力難以一一列舉，由于其同質(zhì)性更高，因此對(duì)于辦公室或住宅建筑物而言，這要容易得多。在工業(yè)中，最佳照明條件取決于具體活動(dòng)。例如，生產(chǎn)區(qū)域，質(zhì)量控制和訂單挑選有時(shí)需要很高的照度水平才能進(jìn)行視覺工作，在許多情況下，這些水平遠(yuǎn)高于規(guī)定的最小值。例如，對(duì)于涉及小物件的工作，除了常規(guī)的房間照明外，還可以使用特殊的工作場(chǎng)所照明。特殊的工作場(chǎng)所照明為視覺工作的定義區(qū)域提供了額外的照明。工作場(chǎng)所照明對(duì)于質(zhì)量控制尤其重要，常規(guī)的房間照明通常不足的地方，工作站有時(shí)被諸如大型機(jī)器或工件之類的物體遮蔽的地方。必須根據(jù)要檢查的產(chǎn)品量身定制照明，并考慮其表面結(jié)構(gòu)、顏色、反射、尺寸以及檢查過程的持續(xù)時(shí)間。對(duì)于光滑或透明物體的檢查，漫射、均勻且無陰影的光線可提供良好的工作條件，其中從多個(gè)角度定向照明可更容易檢測(cè)由于陰影效應(yīng)而導(dǎo)致的表面結(jié)構(gòu)的劃痕和裂縫。LED的適應(yīng)性使其可以根據(jù)使用情況滿足應(yīng)用要求。

除了便于處理小物體之外，良好的視覺條件還有助于防止車間發(fā)生事故。有數(shù)據(jù)表明，正常房間或特殊工作場(chǎng)所的照明在生產(chǎn)區(qū)域提供充足的光線，可以提高工作準(zhǔn)確性和產(chǎn)品質(zhì)量。從我們所討論的應(yīng)用看，照明器需要具有防潮、防塵、防振和溫度變化的功能，并且可能必須滿足最高的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，尤其是在食品工業(yè)中。

通常，工程經(jīng)理的一個(gè)目標(biāo)是通過考慮特定的操作要求和人力資源方面來重新設(shè)計(jì)工作區(qū)域，以提高生產(chǎn)率、質(zhì)量和安全性。他們降低生產(chǎn)和物流設(shè)施能耗的最簡(jiǎn)單方法是用LED改造現(xiàn)有的照明系統(tǒng)，這也是使用智能照明控制系統(tǒng)的良好起點(diǎn)。智能照明系統(tǒng)使公司能夠提供根據(jù)工人需求調(diào)整的光強(qiáng)度。根據(jù)生產(chǎn)和物流設(shè)施中可用的日光量或根據(jù)工作人員的在場(chǎng)情況，可以調(diào)整人造光以提供所需的照明水平。另外，可以設(shè)置照明區(qū)域和輪廓以滿足每個(gè)工人的個(gè)性化需求，這可以輕松地適應(yīng)布局更改，而無需更改照明組件。LED可以產(chǎn)生不同的照明水平和色溫，以促進(jìn)工人的健康，并改善操作性能。通過進(jìn)一步考慮人員需求，可以通過使照明適應(yīng)工人的日常節(jié)奏來減少輪班工作的負(fù)面影響。

以基于簡(jiǎn)單的開關(guān)來控制倉庫中的傳統(tǒng)照明系統(tǒng)為例，在倉庫運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通常會(huì)完全打開燈，這就導(dǎo)致區(qū)域照明，即使倉庫工人當(dāng)前未使用這些區(qū)域，也會(huì)導(dǎo)致不必要的能源成本。在倉庫中，可以在每個(gè)過道中使用傳感器來檢測(cè)工人的存在并相應(yīng)地調(diào)節(jié)照明。根據(jù)外部因素和工人的行為，可以調(diào)節(jié)照明水平以提供所需的光。

通過使用VLC可實(shí)現(xiàn)設(shè)施節(jié)能、穩(wěn)定和快速的數(shù)據(jù)傳輸?；诂F(xiàn)有的LED照明，VLC可以集成到照明系統(tǒng)中，并用于Wi-Fi受到干擾的地方，例如，建筑物或使用中的設(shè)備。VLC的潛在用途表現(xiàn)在揀貨倉庫中，手持設(shè)備可以通過VLC技術(shù)在預(yù)定區(qū)域中接收數(shù)據(jù)。這就能保證只有被授權(quán)接收相關(guān)信息的員工才能訪問該信息，因?yàn)橹挥幸暰€中配備有必要工具或訪問代碼的接收器才能接收數(shù)據(jù)。結(jié)果，VLC提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)安全性并確保了高水平的數(shù)據(jù)保護(hù)。

VLC還可以支持室內(nèi)定位應(yīng)用，例如，跟蹤訂單揀選人員和倉儲(chǔ)設(shè)備的位置。該信息可用于指導(dǎo)工人穿越倉庫，以最短的距離到達(dá)所要求的物品，或者在其他訂單到達(dá)倉庫時(shí)實(shí)時(shí)更新行程。結(jié)合照明控制，位置數(shù)據(jù)可用于僅照亮工人所在的那些過道。例如，在倉儲(chǔ)環(huán)境中使用智能照明系統(tǒng)將直接降低能耗，也可能有助于降低運(yùn)營(yíng)成本。最后，根據(jù)收集到的位置數(shù)據(jù)創(chuàng)建倉庫熱力圖，還可以幫助分析過道的使用情況。

智能照明系統(tǒng)具還有多方面的優(yōu)勢(shì)，其重要性可能會(huì)根據(jù)應(yīng)用程序的特性而有所不同。例如，在辦公室、生產(chǎn)車間和倉庫中，這些系統(tǒng)可以發(fā)揮其全部特點(diǎn)，例如在車削和銑削過程中以高精度工作。除了室內(nèi)應(yīng)用之外，智能戶外照明系統(tǒng)還可以用于導(dǎo)航、事故預(yù)防和減少犯罪。不過在其他地區(qū)，例如交貨和裝載地點(diǎn)，通常以人員大量出入和頻繁的庫存調(diào)動(dòng)為特征，智能照明的好處可能會(huì)降低（因?yàn)樵谶@些區(qū)域中不需要個(gè)別的，特定于工人的照明區(qū)域）。

5 總結(jié)

本文介紹了智能照明系統(tǒng)及其在工業(yè)環(huán)境中的潛力，并參考了一些領(lǐng)域（如智能家居和辦公室）的一些見解。我們注意到，盡管改善照明條件應(yīng)該是工程管理人員的重要目標(biāo)，但迄今為止，在工業(yè)環(huán)境中使用智能照明系統(tǒng)尚未引起太多關(guān)注，因?yàn)檫@可以提高生產(chǎn)率，提高質(zhì)量并減少事故發(fā)生。智能照明系統(tǒng)通過降低能源需求和提高工人的福利來進(jìn)一步提高可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，從而改善照明質(zhì)量，它們還支持照明以外的應(yīng)用。本文表明，將智能照明系統(tǒng)應(yīng)用于工程管理，尤其是在質(zhì)量控制、維護(hù)、手動(dòng)生產(chǎn)或手動(dòng)訂單揀選中，具有很大的潛力。盡管具有優(yōu)勢(shì)，但智能照明系統(tǒng)尚未在行業(yè)中廣泛使用。這可能是因?yàn)樯鐣?huì)尚未完全意識(shí)到智能照明系統(tǒng)可能提供的好處。因此，我們需要逐案評(píng)估此類系統(tǒng)的好處，使其能早日廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中。