英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
在实际的办公环境中建设智能照明系统以提高所需的照度分布
Fumiya Kaku1, Mitsunori Miki2, Tomoyuki Hiroyasu3, Masato Yoshimi2,
Shingo Tanaka1, Takeshi Nishida1, Naoto Kida1, Masatoshi Akita1,
Junichi Tanisawa4, and Tatsuo Nishimoto4
1 Graduate School of Engineering, Doshisha Univ.
2 Department of Science and Engineering, Doshisha Univ.
3 Department of Life and Medical Sciences, Doshisha Univ.
4 Mitsubishi Estate Co., Ltd.
1-3 TataraMiyakodaniKyotanabe-shi, Kyoto, 610-0321, Japan
{fkaku@mikilab,mmiki@mail,tomo@is,myoshimi@mikilab,stanaka@mikilab
tnishida@mikilab,nkida@mikilab,makita@mikilab}.doshisha.ac.jp,
{junichitanisawa,tatsuonishimoto}@mec.co.jp
摘要：一个智能照明系统在实际构造的办公环境中以最小电力提供所需的照度分布。建造的区域是在位于东京大手町的三菱房地产有限公司办公室总部大楼的规划区域，面积大约为240平方米，安装了26个照明灯具和22个照度传感器。1个灯具由中性荧光灯和日光灯组成，而且每个设备的色温可以改变。这些设备是被电脑所连接，被优化算法操控着。伴随着这个系统，每个上班族可以成功地拥有个人的照度。
关键词：照明控制;优化;系统建设;照度;办公环境
1.介绍
随着近年来电子控制技术和信息处理技术的发展，智能化融入了各种设备和系统中，括电器和手机，系统能够根据用户或者环境，自动的控制其运动和管理，这样使人们的负担大大减少。这个智能系统有能力通过思考和理解来采取适当地行为，而且通过使用传感器获取相关信息来作出相应的判断，等等。有了这个智能系统，为了应对周围的环境而产生自动的行为是可行的，用户的满意度相应的提高了，并且能够灵活地应对各种环境变化。[1]
为了应对不同用户对照度的需求，智能照明系统也不断地提高，其功耗也有所降低。一个案例就是自我控制系统。[2]有了这个自我控制系统，依靠灯具的亮度是被控制的，反射光的影响以及白天太阳光由灯具的照度传感器所测量。有了这个系统，在测量区域的书桌表面上可以把亮度维持在一个恒定的水平，不让亮度超过预期的设计，以实现能量的存储。然而，这种控制系统是通过段，通过固定的照度传感器，而且灯光只能按照段单元来进行控制。因此，在一个可自由支配的地方，想要提供一个可自由支配的照度是不容易的。
另一方面，从改善照明环境的角度来说，博伊斯等相关研究表明，为每个人提供最适合执行工作的照度是有效的。[3]在任务和环境照明的条件下，为每个人提供最适合执行工作的照度是很容易实现的。然而，在日本，天花板照明设备提供的甚至地板上的亮度在办公楼很常见，而且并不是很容易接受任务和环境照明的。因此，照明控制系统为了给每一个上班族提供最适合工作的亮度，就必须要使用天花板照明灯具。
基于上述观点，作者提出了智能照明系统。这个智能照明系统由配备了微处理器的的照明灯具、照度传感器和一个连接网络的能量计组成。通过基于优化算法决定了亮度，用户所需要的亮度需要提供一个可自由支配的地方来控制灯光。在实验室进行了对这个系统的验证实验，证明了在有15个灯具的环境下，在不同的地方是可以提供所需要的照度的。然而，在实际的办公室里，有更多灯光和需要照度的地方。出于这个原因，有必要进行大规模的关于智能照明系统的实际应用的验证实验。因此，这个智能照明系统建立在东京的实际的办公室里，来验证提供所需照度的可能性。
2.智能照明系统在实际办公环境的建设
2.1 系统和环境建设的目的
正如上文所提到的，有必要在一个实际的办公室进行大规模的关于智能照明系统的实际应用的验证实验。因此，这个智能照明系统建设在一个实际的办公室里。这个智能照明系统被称为“系统”。
建造的地方是位于三菱房地产有限公司旗下的大手町（千代田城，东京）建筑的规划办公区域。在这个规划的办公区域，22个办公室人员工作在16m*15m的楼层内。每个办公室人员被提供了一个固定的座位，一个照度传感器安装在每个员工桌子的表面。作为光源，安装了26个由三菱电机制造有限公司生产的中性荧光灯（色温：5000K）和一个日光灯（色温：3000K）组成的灯具。规划办公室的照明布局和照度布局显示在图1上。
在上面所描述的环境下，环境控制灯光仅仅是通过用户所需来设置色温和照度。
图1：建设的环境
2.2 构建系统的概述
基于每个照度传感器的照度和功耗，这个系统在优化算法下，为每个上班族以最小的功耗提供所需的照度（目标照度）。通过改变每个灯具中中性荧光灯和灯泡照度的比值来单独的改变色温，这是系统能够做到的。然而，色温是不能控制的。
目标照度是由每一个上班族所拥有的照度传感器所建立的。这意味着每一个灯具都是被控制的，以便照度传感器周围的亮度能够达到目标照度。每一个照明灯具是由中性荧光灯和灯泡荧光灯所组成，而且通过控制发光强度的总和来达到目标照度。中性荧光灯和灯泡荧光灯照度的总和被称为照明强度，灯具照度的比值为无偿的照度。
2.3 构建系统的构成
系统的硬件组成部分包括1台控制电脑，26个照明设备（中性荧光灯和灯泡荧光灯），3个调光器（10个通道安装在每个调光器上），22个照度传感器和两台A/D转换器。图2是上述设备的连接示意图。
图2：系统的硬件组成
在日本，用脉冲宽度调制的方法来控制荧光灯的发光强度是很常见的。因此，每一个照明灯具和调光器相连接，来控制每一个灯具的发光强度。基于脉冲宽度调制的方法，调光器改变脉冲波的占空比为256，将其发送给每个灯具。当发送了一个高占空比的脉冲波时，亮度会变得更强；当发送了一个低占空比的脉冲波时，亮度会变得更弱。
因此，可以通过一台和调光器相连的电脑来控制每一个灯具的亮度的强度。因为一个调光器能够独立的为每一个通道改变一个占空比，所以可以独立的控制每一个灯具的亮度强度 。
正如前面所述，每个照度传感器的照度信息和功耗对于控制智能照明系统来说是必要的。每个照度传感器与控制电脑相连接以便获取关于照度的信息。然而，照度传感器上关于照度的信息是通过模拟信号输出的，先通过A/D转化器转化为数字信号，然后传输给控制电脑。
另一方面，一种能通过网络来获取关于功率的实时信息的设备是不存在的。因此，由于它和电能之间的关系是成比例的，所以，这类信息是可以基于每个光强度的总和来进行假设。因为每个灯的发光强度是由电脑控制的，这样相比于使用电表而言，能更有效的操作这个系统。然而，也指出通过为所有的按照假定校准曲线的荧光灯和灯泡增加电能，这样电能可以被更准确的估计。然而，为了达到最小化功耗的目的，准确的电能并不总是优化的。
2.4 构建系统的控制
控制方法
在系统中，改善照明控制的模拟退火算法（自适应领域算法使用回归系数：ANA/RC）用来控制每个灯具的发光照度。[5]
SA算法用来通过随机生成接近当前解决方案的后续解决方案获取最优解，根据目标函数值的变化和温度参数得到解决方案，来进行重复过度处理。然而，由于SA使用温度参数和冷却方法，对于一个总是需要应对环境改变的系统而言，使用SA是不容易的。然后，ANA/RC就被提出了。通过使用一个变量区间的方法而不是使用提到的温度参数的方法，ANA/RC获得了一个最优的解决方案。
通过使灯具设计的照度强度变化和利用当前照度和目标照度之间的差异以及功耗作为目标函数，使用ANA/RC以最小的功耗来提供目标照度是可行的。此外，通过回归分析，学习每个照度传感器上灯具的影响，以及据此结果改变照度，可以迅速的改变最优的发光强度。这个算法能有效的解决目标函数和单峰函数接近以及实时变化的问题。
每个灯具依据上述处理后所获得的发光强度按照已经建立的色温分布在中性荧光灯和灯泡荧光灯照度的比值。这个照度的比率是色温的初步实验计算而来。这个实验是通过在一个恒定的水平改变中性荧光灯和灯泡荧光灯的发光强度。图3所显示的照度比例是中性荧光灯的照度和照明灯具照度的比例。在图3中，照度的比例没有绘制出从3000K到3300K和4600K到5000K的图像。这是因为每个荧光灯的调光范围是有限的，基于上述色温的照度比率是不能实现的。
基于上述的处理，根据已经建立的色温就可以达到目标照度。
图3：色温的变化
利用回归分析理解其影响
理解每个灯具对于每个照度传感器的影响是很重要的，以便缩短达到目标照度的搜寻时间，因为通过理解每个照度传感器的影响，每个灯具都能够通过相邻的照度传感器来照度的强度。因此，利用ANA/RC，回归分析被用来理解每个灯具对于每个照度传感器的影响。因此，该影响可以被量化为回归系数。
控制流
流在ANA/RC的处理如下：
- 建立初始参数包括初始照度强度。
- 以初始的照度强度点亮每个灯。
- 从每个照度传感器上获取照度信息。
- 根据每个灯的照度强度估计功耗。
- 计算在当前照度下的目标函数值。
- 基于回归系数确定在适当地范围下生成的发光照度。
- 在（6）的范围内随机生成下一个发光照度并且使灯具以这个照度点亮。
- 从每个照度传感器上获取照度信息。
- 根据每个灯的照度强度估计功耗。
- 计算在接下来的发光照度下目标函数的值。
- 基于灯具照度强度的变化以及照度传感器上照度的变化进行回归分析。
- 如果目标函数值正确的话，就接受下一个照度强度；否则，返回到先前的照度强度。
- 返回第（3）步。
通过上述（3）到（12）的第一步搜索（约2秒）和重复处理，每个灯具对于照度传感器的影响就能够理解，在必要照明下获得目标照度。
接下来，让我们讨论一下目标函数。这个系统的目的在于获得目标照度的同时能耗最小。因此，这些都是制定的目标函数。目标函数显示在下面的方程中。
正如方程中显示的，目标函数f是由功耗P和约束gj组成。当前照度和目标照度的区别被用来约束gj，并且如果目标照度无法实现的话就会有一个惩罚。因此，当目标照度和当前照度更进一步时，目标函数的值会大大的增加。如果回归系数的值小于阈值，Rj=0被相乘。因此，如果照度传感器的回归系数较低达不到目标照度，目标函数的值不会增加。因此，对象优化成功的仅限于照明提供强大影响力的照度传感器。此外，为了约束gj，重量w的值也要相乘，通过设置重量w的值，是否可以优先考虑收敛到最小功耗下的目标照度。
现在，让我们讨论下接下来照度强度产生的范围。在ANA/RC下，同一个范围不是用于所有的灯，但是根据情况，多个范围下可以正确的适用。具体来说，有高的回归系数的传感器的照明，没有达到目标照度的照明区域是当前照度的-1%到12%。（亮的区域）。相反，有低的回归系数的所有传感器的照明区域是当前照度的-10%到1%（调光区域）。如果，目标照度对于传感器能实现高的回归系数，就是当前亮度的-2%到2%。（中性区域）。根据实际情况，通过正确使用三种区域，就可以迅速的达到目标照度，灵活的应对环境的变化。
3.构建系统的验证操作
和用户所需的目标照度相比，这个系统能够提供的照度与其相差多大被验证。在这个验证实验中，抽取了22个上班族中的3个，包括1个建立了非常高目标照度的（员工A），1个建立了非常低目标照度的（员工B），和1个经常改变目标照度的(员工C)。日常目标照度的变化和当前的照度被检查。
图4（a）显示了建立目标照度为550[lx]员工的目标照度和当前照度的转变。
图4（b）显示了建立目标照度为300[lx]员工的目标照度和当前照度的转变。
图4（c）显示了经常改变目标照度的员工的目标照度和当前照度的转变。
纵轴表示照度[lx]，横轴表示时间。
图4：目标照度和当前照度的变化
有一个时间，当图上目标照度设置为0[lx]时，显示员工不在位子上。从0:00到7：30，从12:00到13:00，从22:30到24:00，不论目标照度为多少，显示的当前照度都是接近于0[lx]的。这是因为工作不是在这些时段内进行，所以所有的灯都被关掉了。在7:30到9:00，白天的照度通过窗口测量。
从图4（a）中的员工可以看出，在9:00时，目标照度设置为550[lx]。这证明了除了午休灯光被关闭的这段时间，照度成功的接近目标照度。
从图4（b）可以看出，在员工在其位子上的这段时间，目标照度设置为300[lx]。当他在18:30回到他的办公桌时，目标照度从0[lx]增加到了300[lx]。与此同时，当前照度达到了接近700[lx]。这是因为之前被关闭的灯光也在此被照明了。然而，由于系统控制的结果，照度聚集到目标照度。这证明了除了上述时间段外，照度成功的接近了目标照度。另一方面，当员工不在他的位子上的时候，目标照度设置为0[lx]，
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[29324]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
