分布式照明系统的个性化调光方法

郭 旭， 董 丽， 陈 立 崟， 高 英 明

( 大连工业大学 光子学研究所, 辽宁 大连 116034 )

分布式照明系统的个性化调光方法

郭 旭， 董 丽， 陈 立 崟， 高 英 明

( 大连工业大学 光子学研究所, 辽宁 大连 116034 )

针对采用统一灯具的开放办公室，讨论了通过协作调光方式实现个性化照明的方法。首先介绍了照度的叠加理论。依据最优化方法的线性规划理论，以调光系数之和最小为目标函数，建立了协作调光照明的数学模型。采用DIALux软件为某个实际的照明场所建立仿真模型，获得数学模型中约束方程的系数矩阵后，通过Matlab求解各盏灯的调光系数。个性化照明方法能够使室内照度与首选照度需求一致的同时节省电力，符合以人为本及绿色照明理念。

照明；协作调光；数学模型；调光系数；仿真建模

0 引 言

科学地进行办公照明有利于提高员工的工作效率、创造力与舒适性[1-2]。Tomishima等[3-5]提出了一种分布式智能照明系统，该系统由不同色温的荧光灯和传感器构成，并在相应目标处设置传感器，依据人员对照度的需要对传感器的数值进行控制。调查表明，员工希望能够主动改变办公光环境，并相信这种改变与健康状况、照明舒适度和绩效指标等因素相关。首选照度是给人感觉最舒适的照度，员工在首选照度下的情绪等级、环境满意度和照明满意度更高。首选照度因人而异，即使同一人在不同时刻，首选照度也发生改变，并且依据人员的个性化需求改变办公环境的照度和色温分布会极大地提高工作效率，但首选照度存在较大的差异[6]。Veitch等[7]对47对相匹配的实验对象在开放式办公室里模拟进行了各种办公活动并完成问卷，结果显示首选照度最小为83 lx，最大达到725 lx。

目前，传统的办公照明普遍将室内照度固定在较高的数值上，而这种单一照度的照明方式忽略了人员自身对首选照度的差异化特征，同时也未能依据工作性质和内容的差别对室内照度进行合理的个性化控制[8-10]。本研究基于线性规划理论给出一种个性化的办公照明模型，该模型以能耗最小为目标函数，依据员工不同的首选照度，确定各灯的调光系数，各灯通过协作方式进行办公照明，使员工分别获得首选照度，进行个性化的办公照明。

1 照度叠加理论

在光强已知的情况下，室内的点照度可以通过照度距离平方反比定律求得[11-12]，即

(1)

式中：E为目标位置首选照度，I为光强，R为灯具距目标位置的距离。

令Q(Xn,Yn)表示目标位置，室内的m盏灯具分别表示为L1,L2,…,Lm。根据照度叠加原理，它们在Q点生成的照度EQ=E1+E2+…+Em。灯具距工作面的距离为h，灯具L1在目标点生成的照度可由下面的过程得到。

假设灯具照射方向垂直向下，Q点在xoy平面上，灯具Li的投影位置为A，灯具Li在Q点产生的照度如图1所示，依据公式(1)求得灯具Li在Q点处的照度。

图1 灯具L1在Q点处的照度

从图1得知，灯具Li以θi角入射Q点。设∠ALiQ=θi，R=LiQ=a，QA=b，AB=d，BQ=c，则灯具Li在点Q处的水平照度为

(2)

在灯具的配光曲线中可以查到以θi入射的光强Iθi。由此可以类推获得室内多盏灯具对位置Q产生的水平照度

(3)

2 协作调光照明数学模型

实现协作调光需要将灯具阵列组网，根据员工不同的首选照度需求，通过优化方法计算灯具阵列中各灯的调光系数，由网络通信将调光系数分别发送给相关灯具，通过叠加各灯对指定点产生的照度来满足员工的首选照度需求。

根据照度叠加理论，工作面某点的照度等于各灯在该点产生照度的总和。若办公室分布有m盏可调光的灯，工作面上目标点的照度合成原理，如图1所示。

图2 灯具陈列对目标点的照度叠加

欲使调光后的灯具照度在叠加后满足员工的首选照度需求，则需要满足

(4)

式中：Ki为i灯的调光系数，0≤Ki≤1；Li(xj,yj) 为i灯在点(xj,yj)产生的最大照度；S(xj,yj) 表示员工期望达到的首选照度。

根据最优化方法的线性规划理论，以各灯调光系数之和最小为目标函数，该目标函数是满足个性化首选照度需求需要的最小电力输出。在此调光系数下进行照明符合人员的差异性照明需求，同时兼顾节能减排的环保理念。依据公式(4)，根据目标位置的期望首选照度值，建立协作调光照明的数学模型，以获得最优的调光系数为目标，可以得到如下关于调光系数的数学模型。

3 协作调光模型的计算

3.1 建模确定调光系数

运用DIALux光学设计软件进行办公场所的照明模拟，照明模拟的空间模型如图3所示。

图3 办公室的DIALux空间模型

在该办公室模型中，共有6盏可以进行调光的灯具，2个待调光位置Q1和Q2。由于处于目标位置的人员需要的首选照度存在差异，需要通过调节室内所有灯具的光输出使目标位置的照度达到首选照度，这就涉及多灯协作的调光照明。求解各灯具的调光系数Ki是实现协作调光照明的关键，而照度分量Li(xj,yj)和期望的首选照度S(xj,yj)是两个最主要的影响因素。由于首选照度S(xj,yj)具有随机性，所以通过Matlab生产随机数的方式获得。

用DIALux软件仿真求照度分量时，应注意各灯具的开闭状态，具体方法如下：单一开启一盏灯具，即该灯具的调光系数为1，并保持其他灯具处于关闭状态，即调光系数为0。通过DIALux软件计算出目标位置的照度，即为该灯具的照度分量。以此类推，可以获得各灯具的照度分量，见表1。协作调光就是调节各灯具在目标位置的照度分量，即按各灯具调光系数的比例调节照度分量Li(xj,yj)后进行累加[13-15]。

表1 灯具在目标点生成的照度分量

通过仿真建模和实际调光的方式实现目标位置的首选照度分布。当Ki=1时，Q1和Q2的照度分别为264和262 lx。为了实现个性化首选照度分布，核心部分就确定各灯具的调光系数。

采用最优化方法的线性规划理论，使用Matlab软件求解各灯具的调光系数。依据表1中各灯具的照度分量，可以得到关于L的系数矩阵

根据单纯形法得K=[0,1,1,0.5,0.9,0]，即灯具L1～L6的调光系数分别为0、1、1、0.544、0.864、0，可获得目标位置所要求的首选照度。

3.2 建模与验证

将获得的调光系数发送给灯具，对相应灯具的发光强度进行调节，并借助DIALux软件进行室内照度的协作调光照明[16-17]。最终获得协作调光效果如图4所示，目标位置的照度分别为148和196 lx。

图4 个性化照度分布效果

4 结 论

为能够采用统一灯具进行个性办公照明，建立了个性调光照明模型，模型以最小能耗为约束条件。采用照明计算软件DIALux建立了办公室模型，结合Matlab进行仿真研究。结果说明该模型能够以最小的能耗为员工提供首选照度。

今后的研究工作应进行具有针对性的实际操作，包括最优化方法的选择、合理规划灯具阵列，以及借助于网络通信将调光系数发送给相应灯具，逐步完善协作调光的照明方式，更好地实现对室内照明的个性化分布控制。

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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,董丽,陈立崟,高英明.分布式照明系统的个性化调光方法[J].大连工业大学学报,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.

辽宁省普通高等教育本科重点支持专业建设项目(2012108)；辽宁省普通高等教育本科教学改革立项项目(UPR2014139)；大连市科技计划项目(2015A111GX017).

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

TP183

A

1674-1404(2017)06-0455-04