（电路与系统专业论文）图书馆的智能照明设计及其控制方法研究.pdf

摘要 随着现代建筑和照明技术的发展，传统的照明设计方法 已经不能解决实际场景对照明效果的不同需求，简单的控制 方式更不便于管理和维护。以节约能源为目的，与现代通信 技术、计算机技术、控制技术等相结合的智能照明技术，满 足了“绿色照明 的设计要求，具有较大的发展空问。本文 以图书馆的照明为设计模板，在说明了基本的照明技术、照 度标准和设计方法基础上，分别从智能照明的设计方法和智 能照明的控制方法两方面加以研究。 首先，通过分析影响照度的各因素之间的相互关系，建 立了神经元网络，提出了基于神经网络技术的智能照明设计 方法，m a t l a b 仿真的结果表明了该方法不仅满足了节能的设 计要求，而且减少了大量繁琐的工程计算工作。 其次，从节能的角度出发，利用l o n w o rks 现场总线的控 制技术，实现了分散控制、集中管理的智能照明控制方法。 与传统的照明控制方式针对能源消耗量进行对比，结果证明 这种控制方法能够更有效的节约能源。 关键词：智能照明、神经网络、l o n w o r ks 总线 t i 蠢 品 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ea r c h i t e c t u r a l1i g h t i n g te ch no1o gies ，t r a ditio n a lde sig np ro ce d u resbe cometo o s tif ftomee tthedif f e re n tn e e ds a ndm a kethe m a n a g e m e n t a n dm a i n t e n a n c ei n c o n v e n ie n c e h o w e v e r ， i n t e l1 e c t u a l1i g h t i n g t e c h n 0 1 0 9 y ， w h i c h i n t e g r a t e s m a n yn ewt e c h n o l o g i e ss u c ha sc o m m u n i c a t i o n ， c o m p u t e r a n da u to m a ticco n t r ol ，a cco r dswit h t hede ma n dso f “ g re en1ig h ting ” ，a nd ita 1s oh a sv e r yg rea t p o te n t ia litie sind o mes ticm a r k e ts inthist he sis ，the e l e m e n t a r yk n o w l e d g eise x p l a i n e d ， a n d t h e n t h ed e e p in v e s tig a tio na n d s t u d yarem a dea sf 0 11o ws f irstly ，ita n a ly ze sthere1a tio ns hipa mo n gthe in f1ue nc ef a ctorso nt hei11u min a tio n ， a n dgiveth e m e t h o do f t h e i n t e l1e c t u a l1i g h t i n g d e s i g n sb a s e do n t h en e u r a ln e t w o r k s i m u l a ti o na n d e x p e r i m e n t a l r e s ultsco n fir mth a tt hism et h o dr e d u cetheco n s u m p t io n o fe ne r g ya n dr a is et h ec o m p u t a tio ns p e e d s e c o n d l y ， t h er e s e a r c ho fc o n t r 0 1li n gm e t h o d s 珂a k e s de ce n t ra lize dco n t r ol a n dce n t r a lize dman a g e m e n t p o s sible ， usin g lo n w o r ks te ch niq ue t hee n e rg y c o n s e r v a ti o n ism o r ee f f e c ti v et h a nt r a d i ti o n a l d e s i g n k e yw o r d s ：in t e11e ctu al1ig h tin gte ch n o1o g y ，n eural n e t w o r k ，l o n w o r k s 蜘1 图书馆的智能照明设计及其控制方法研究 第一章图书馆智能照明的 现状及发展 1 1 图书馆智能照明的意义 经济的快速增长使得人们对能源的需求也日益提升，由于长时期人 们对煤、石油、天然气等天然资源的开采，使得能源储备非常有限， 能源短缺的问题逐步突显出来，同时也导致了环境和生态平衡的破坏， 严重威胁着人类的生存，如何节能和保护环境成为世界范围普遍关注 的社会问题n3 。在此背景之下，人们对照明的要求不仅仅是停留在能够 “看见的层次上，而是对照明技术提出了更高的要求：希望利用有 限的资源保证照明强度的需要，并能够获得良好的照明效果，实现“绿 色照明 。在各种自然科学和工程技术的不断发展过程中，促使照明 技术也得以飞速成长。围绕“绿色照明”的主题，各类节能高效的电 光源陆续出现并广泛使用：激光、光纤、发光二极管以及各种玻璃和 p c 透光材料也被应用到照明技术中；同时，在传统的照明设计理念中 还充分利用了现代计算机、通信等技术，实现了更为节能、安全、灵 活和舒适的智能化照明控制技术，将城市的每个角落在夜色中装扮的 光彩熠熠。 1 1 1 绿色照明的含义 与照明技术有关的物理学、建筑学、能源科学、艺术美学、电子学、 机械工程、材料科学等各种自然科学和工程技术的进步，以及信息时 代对照明行业的冲击，对传统的照明方式带来了强有力的挑战，人们 同等学力硕士学位论文 越来越注重建筑物内外环境、气氛和造型艺术的体现，以期望达到美 化城市形象、渲染高雅艺术气氛、提高照明品质的目的。然而时隔不 久由此引发的一些问题却不得不让人们对此重新审视一番：首先，对 电力能源的需求迅速提升的同时却不能提高用电效率，造成了严重的 资源浪费。其次，由于缺乏科学的照明建设规划和技术规范、片面追 求“越亮越好”，过多使用电光源而产生的眩光、闪烁光、红外线、 紫外线等有害光线以及电磁辐射、光源散发出来的热量等诸多因素， 造成了严重的环境污染和过多的能源消耗。根据上海市照明协会的调 查，上海夜空的亮度是澳大利亚首都堪培拉的1 0 0 倍，即使在晴朗的 夜空，中心城区的居民也无法用肉眼看到北极星，甚至对天文观测也 造成干扰乜1 。因此，推行绿色照明计划，节约能源、保护环境、保证照 明质量成为当今国际上照明技术发展的趋势。 1 9 9 2 年由美国政府环境保护署提出了“绿色照明工程”( g r e e n l i g h t i n ge n g i n e e r i n g ) 计划b 3 ，具体内容为“采用高效少污染的光 源提高照明质量、劳动生产率和能源有效利用，节约能源、减少照明 费用、减少火力发电工程、减少有害物质的溢出和排放，达到保护人 类生存环境的目的 h 1 。1 9 9 5 年我国开始组织制订绿色照明工程计划， 并在上海、广东、北京等地区试点实施。 1 1 2 优质高效的电光源节能光源 光源的节能主要取决于它的发光效率，选择优质高效的光源，即选 择光通量的值较高的光源，产生的节能效果也越显著。但是实际上， 还应当根据实际的照明场景需求，综合考虑光源的光色、色温、寿命 以及单位比价等因素。一些常用的电光源如白炽灯，它的结构简单、 成本低、使用方便，通常用于日常生活、工矿企业的普通照明场所以 图书馆的智能照明设计及其控制方法研究 及应急照明当中。此外，市场上普遍推出的直管荧光灯、直流荧光灯、 紧凑型荧光灯等各种荧光灯，不仅节能效果比白炽灯更好，而且显色 指数也显著提高，再配合电子镇流器和三基色荧光粉，不仅可以提高 视觉效果，而且无频闪、无电磁辐射，有利于人的健康，近年来生产 量增长很快得到了广泛的应用。高强气体放电灯主要有高压钠灯、金 属卤化物灯、微波硫灯、无极灯等，这种灯发光效率很高、寿命长、 节能效果好，其显色性能还可以适合各类场所的不同要求嵋1 。近年出 现的各类发光二极管( l e d ) ，将电能转化为光能的转化率高达2 0 , - - - - , 3 0 ，寿命长达1 0 万小时，可以发出明亮的恒定光，具有良好的抗振 动性，是具有很好发展前景的光源旧，7 。上海东方明珠球体将日本设计 的一种光纤端发光体改造为5 7 6 个l e d 发光点，总功率降低了1 0 0 多 千瓦，发光效果更好而且也更节约电能。表1 - 1 中列出了几种典型光 源的特性陋1 。 表1 - 1 几种典型光源特性 发光效率显色指数 平均寿命( 小 光源种类色温( k ) ( t , w ) ( r a )时) 白炽灯泡 1 51 0 02 8 0 01 0 0 0 石英卤素灯 1 51 0 03 0 0 0 2 0 0 0 - 3 0 0 0 s l 灯5 08 5 2 7 0 0 5 0 0 0 8 0 0 0 高压汞灯 5 0 4 5 3 3 0 0 4 3 0 0 6 0 0 0 普通日光灯 7 07 0 全系列 8 0 0 0 金属卤化物灯 7 5 - 9 56 5 - 9 2 3 0 0 0 4 5 0 0 5 6 0 06 0 0 0 2 0 0 0 0 三基色目光灯 9 68 0 - 9 8 全系列 1 0 0 0 0 高压钠灯 1 2 0 2 3 6 0 9 0 19 5 0 2 2 0 0 2 5 0 0 2 4 0 0 0 低压钠灯 2 0 0 4 41 7 0 02 8 0 0 0 q i 灯7 08 5 3 0 0 0 4 0 0 0 8 0 0 0 0 如果采用混光照明的方法阳1 ，即选用两种或两种以上不同性能的光 同等学力硕士学位论文 源，并配合选用高效节能的不同灯具，不仅可以提升节能效果，消除 灯光出射角度产生的而且不同功能、不同造型的灯具也达到了灵活多 变、美观艺术的照明效果。 1 1 3 照明理念的变化 在传统的照明设计中，主要是注重照明的亮度、均匀度、显色性指 数及是否会造成眩光等因素，对照明的控制也主要是通过继电器的开 关控制实现了开灯、关灯状态的切换，照明的亮度一经设置就不能自 行调节，各照明控制单元分散在不同的区域，造成管理和维护投入量 较大n0 1 1 1 。随着人们生活水平的提高，旧的照明设计理念已经不能适 应新的需要：不仅要求照明设计的参数应当达标，而且还提出了怎样 才能在明亮、舒适并且具有艺术效果的环境中工作和生活的要求。智 能照明技术以其优越的性能得到广泛的关注。具体特性表现如下，1 2 1 ： ( 1 )智能照明系统可以有效的抑制电网的浪涌电压，避免了过电 压和欠电压对光源的损害。采用软启动和软关断技术，避免了冲击电 流对光源的损害，延长了光源的使用寿命，节省了大量耗资以及更换 电光源而产生的巨大工作量。 ( 2 )智能照明系统对照明的控制是以模块式的自动控制为主，手 动控制为辅，借助红外遥感装置、手动操作控制面板等各种不同的控 制元件，根据需要，按照不同时间、不同用途以及不同的照明效果预 先设置不同的照明场景，用户可以通过场景切换实现灵活、方便的照 明控制，各类参数的设置和变换非常方便，可以获得多种的照明效果。 同时，还可以设置必需的应急照明控制方案，满足处于事故状态时的 照明需要。 ( 3 )通过应用调光模块和照度检测器等元件，智能照明系统可以 图书馆的智能照明设计及其控制方法研究 针对不同的区域进行照度的动态调节，使得该区域内的照度始终保持 在设定的范围之内，不会因为日照等外因的变化而变化，也不会因为 电光源的使用时间过长而降低照明强度，从而提高了照度的均匀性。 同时，这种控制方式所采用的电气元件也解决了频闪效应，不会使人 产生不舒适、头昏脑胀、眼睛疲劳的感觉。此外，智能照明控制系统 中对荧光灯等光源进行调光控制，采用有源滤波技术的可调光电子镇 流器，降低了谐波的含量，提高了功率因数，降低了低压无功损耗3 j 。 ( 4 )智能照明系统充分利用了室外的自然光，对光照度进行精确 设置和合理管理，只有必需时才把灯点亮或点到要求的亮度，利用最 少的能源保证了要求的照度水平，减少了由于人员不在却仍将灯全部 点亮而造成的能源浪费，节电效果十分明显，一般可节约3 0 以上，使 照明管理和设备维护变得更加简单，经济投入减少b 1 。 1 2 图书馆智能照明的国内外发展现状 在进行生产，工作和学习的各类场所中，人们从外界获得的信息中 约有8 0 是通过视觉实现的，无论白天还是夜晚，人们对光环境的需求 与其所从事的活动有密切关系。因此，舒适的光环境对人们至关重要。 图书馆更是许多人尤其是学生获取各类信息的主要场所，其光环境的 优劣程度应当引起足够的重视。结合快速发展的各类自然科学和工程 技术，不断容纳新技术，更新旧式的各种照明产品和单一呆板的照明 控制手段，创造优良的光环境，为提高人们的工作效率，保障人的视 力健康，振奋人的精神产生积极的影响n 4 | 。 同等学力硕士学位论文 1 2 1 国外智能照明的现状 照明行业是8 0 年代首先由美国兴起并得以迅速发展嵋1 。9 0 年代后 期，由于现代计算机技术、自动控制技术、现代通信技术、现代信息 处理技术在世界范围内的广泛应用，进入了信息时代并对各行各业都 带来了巨大的影响，照明行业也随之发生了巨大的革新，提出了照明 智能化的要求n 引。 进入2 1 世纪后，大量的新产品、新设备、新技术的出现，使智能 照明技术向着系统一体化集成的方向发展。例如：各种智能化断路器 将微电子技术、传感技术、控制技术、电力电子技术等新技术结合起 来，实现了功能多样化、结构模块化，使断路器从基本保护功能发展 到智能化的保护功能，工作更可靠，性能更安全。在微电子技术飞速 发展的带动下，许多半导体公司推出了专用功率开关器件和控制集成 电路的系列产品，促进了电子镇流器的各类产品向高性能高可靠性方 向发展。另一方面，网络技术的渗透使不同控制方式的系统之间相互 结合，实现了资源共享、远程监视、设定、控制及对系统异常信息进 行一体化管理。控制技术的发展使许多控制功能从由较高层的控制室 移至现场的低层设备，使信号的采集和处理更加快捷便利，而且工程 技术人员还开发了一些控制管理软件，用户只要通过界面上各个控制 键，就可以实现对各种照明设备的监视和控制，操作更加简单、直观。 各类智能照明产品的生产和技术实现也随着行业标准及规范的制定和 逐步的完善进入成熟、实用、可靠阶段n 5 j 。 继美国、德国、英国、日本、新加坡之后，其他各国的智能照明产 业也陆续开始发展，并且不断趋于成熟。先后涌现出许多国际知名企 业：国际知名的半导体制造商法国p e r f e c t 公司开发出灯光控制专用 图书馆的智能照明设计及其控制方法研究 的、结合无线射频功能的芯片。p h i l i p s n 6 17 j 、o s r a m n8 j 、g e 公司推出 了双端球形h e d 是目前世界上最先进的大功率l e d 灯，奇胜公司的c - b u s 系统、a b b 公司的i - b u s 系统以及邦奇公司的d y n a l i t e 、l u t r o n 公司的 g r a f i k 系列智能照明控制系统均已广泛应用到照明控制系统中。此外 路创、w i e l a n d 、美国的奥莱斯、英国索思、德国欧斯朗、n a t i o n a l 、 b p i 等企业都创建了诸多知名品牌，推动了智能照明行业的普及和发 展。 1 2 2 国内智能照明的现状 一 、 9 0 年代智能照明进入中国市场，然而由于市场的消费意识，市场环 境、产品价格、推广力度等各方面的原因，传统的照明理念与国外存 在较大差别，厂家的产品制造技术以及产品经销商的经营模式和技术 水平有限，一些主要的设备和技术都从国外引进，很难推动形成较大 的消费市场，致使中国的智能照明行业没有稳定、广阔的渠道n9 j 。进 入2 1 世纪后，随着国内经济的发展，技术的成熟，诸如i b m 、m i c r o s o f t 、 s a m s u n g 、p a n a s o n i c 、s i e m e n s 等一大批跨国企业的加入，加速了行业 的发展及渠道商的形成。 一批国内的智能照明产品商利用各自的优势逐步在市场上站稳了 脚，得到了渠道商和最终用户的广泛认可。索博、瑞朗、九州易居是 较早进军智能照明行业的企业，在产品研发、市场拓展、技术培训与 服务方面投入较大，尤其索博是国际型智能家居产品生产企业，拥有 亚洲最大的产品研发中心和生产基地，以高端智能安防系统和智能微 型控制模块在国际上处于绝对的领先地位。天津瑞朗在2 0 0 2 年就开始 启动了智能照明技术培训，用户对这些品牌的认知度较高。上海奇胜 公司推出了智能化系统，通过对c - b u s 智能控制系统、安防控制系统、 同等学力硕士学位论文 无线网络技术等的结合，实现了灯光控制、家电控制( 电动窗帘、空 调、a v 设备等) 、综合安防控制的各种控制功能产品，在较短的时间 内就树立起了品牌形象。同样是源自电工品牌的真善美也善于销售终 端，其智能照明产品甚至可以在超级市场、建材市场和五金店购买到， 该品牌在华南地区有较高的知名度。清华同方是十大品牌中唯一一家 侧重智能照明控制系统集成服务的企业，其智能开关控制系统，通过 遥控器就可以控制所有房间内的灯光效果，完全实现了灯光智能控制 功能，产品的安装、调试和操作都非常简单，不需要专业人员的指导， 普通家庭可以自己安装。安居宝作为一家主要生产楼宇对讲产品的企 业也晋升十大品牌，说明传统安防企业也开始产品转型和服务升级， 安居宝成为这一阵市场转型大潮中的佼佼者。惠州雷士致力于新型绿 色照明产品的开发和和谐光环境的营造，积极参加全国的城市亮化工 程及绿色照明工程，带动了行业向绿色照明方向发展。百分百在东莞 设立运营总部，专业从事照明、电器、电工产品的研发、设计、生产， 先后研发生产的红外线、无线数码智能遥控开关，推动了遥控开关的 普及化。北京莱特将计算机技术引入调光控制系统，自主开发了分布 式l t - n e t 智能环境照明控制系统，被广泛地应用到各种灯光照明场所。 达实、易天元、普力特都是以技术见长的企业，拥有智能家居领域的 技术专利和注册商标，在华南和华东地区有不少智能小区的应用案例。 国内智能照明厂家和实力强大的高科技i t 厂商的介入，提供了科 学的专业照明设计、优质可靠的专业照明设备、全面完善的专业照明 服务，为照明行业带来了新的力量，促进了智能照明技术的快速发展。 图书馆的智能照明设计及其控制方法研究 1 3 章节安排 论文主要由四个章节构成：第一章主要分析了国内外照明技术的发 展，通过与传统照明设计的比较，从节约能源的角度说明了智能照明 技术的优越性。第二章介绍了有关照明设计中需要用到的基本技术术 语，并给出了图书馆不同场所的照度标准。第三章分析了影响照明效 果的几种主要因素，利用b p 神经网络的控制理论，建立网络模型，通 过网络训练和计算机仿真得到了图书馆照明设计的简捷方法，减少了 工程计算的繁琐工作。第四章主要是从节能的角度考虑，结合现场总 线技术，设计了图书馆智能照明控制系统，并且通过与传统照明方式 的比较，证明其节能效果。 一 同等学力硕士学位论文 第二章图书馆照明设计及控制 的基本方法 2 1 图书馆照明设计的基础 照度是衡量被照物体所获得光能大小的技术指标；选用不同种类的 光源节能效果各不相同，而且能够获得不同的色彩环境：灯具的尺寸 规格不仅影响环境的照明气氛，与光源配合能够提高效率、节约电能。 因此，了解照明的主要技术指标，为不同的照明区域选择合适的参数， 不仅是保证良好的照明条件、提高工作效率、保护人们的视力健康的 前提，而且为营造舒适、安全的图书馆照明环境提供了科学的理论基 础。这一章节中主要介绍一些照明技术的基本原理和技术指标乜引，以 及照度的计算方法、灯具的安装位置及高度的确定等内容晗。 2 1 1 基本概念 ( 1 ) 光及光辐射乜2 l ： 光的本质是电磁波，是物资能量的一种形态。在电磁波的辐射谱中， 光谱的大致范围包括红外线( 波长3 4 0 7 8 0 门肌) 、可见光( 波长7 8 0 3 8 0 力朋) 和紫外线( 波长3 8 0 1 0 玎肌) 三部分。其中可见光谱又分为：红 ( 波长7 8 0 6 4 0 力胁) ；橙( 波长6 4 0 6 0 0 ，2 胁) ；黄( 波长6 0 0 5 7 0 刀聊) ； 绿( 波长5 7 0 4 9 0 门朋) ；青( 波长4 9 0 4 5 0 船m ) ；蓝( 波长4 5 0 4 3 0 ，? 朋) ；紫( 波长4 3 0 3 8 0 力朋) 。当电磁波辐射到人的眼睛里，被 视觉神经所感知并转化为光线，即能被肉眼看见的那部份光谱，这类 射线的波长范围在3 6 0 到8 3 0 门埘之间，在整个电磁波谱中占非常微小 图书馆的智能照明设计及其控制方法研究 的一部分，而且人眼对各种波长的可见光，也具有不同的敏感性。 ( 2 ) 光通量： 光通量是在单位时间内，光源向周围空间辐射的能够被人的眼睛所 接收的可见光能量之和，单位为：流明( 1 u m e n ，砌) ，用表示。一般情 况下，不同类型的光源在选择相同的功率时，所产生的光通量却有可 能不同。例如：一只4 0 形的普通白炽灯的光通量为3 5 0 4 7 0 砌，而一 只4 0 的普通直管形荧光灯的光通量为2 8 0 0 砌左右，为白炽灯的6 8 倍。 一 。一-_ 一 。1 1 4。 ( 3 )光强度： 一般光源会向不同方向以不同的强度放射出光通量( 如图2 一l 所 示) ，在特定方向上所发出的可见光的辐射强度称为光强度。单位： 坎德拉( c a n d e l a ，耐) ，用符号，表示。 图2 1 光强厦不惹图 对于各个方向均匀辐射光通量的电光源，光强度也相同，光通量与 光强度的关系如式2 一l 所示： 光强廖= 光通亮( 砌) 立体角q ( 2 一1 ) 式中，立体角q = 等； 4 表示空间立体角所对应的球面积； r 为球半径。 一戮一搿一一炎v 一一一纂警隆 图书馆的智能照明设计及其控制方法研究 通量：被物体吸收的部分称为吸收光通量；其余部分的光束则透过物 体，称为透射光通量。反射系数( 或反射率) 表征了物体对光照的反射 性能，而不同材料的物体其反射系数也不相同随3 ( 表2 1 所示) 。因此， 可以得出式2 3 ： 亮j 觌= 照度e ( 及) 反射率( 2 3 ) 表2 1 不同材料反射率比较 材料名称反射率材料名称反射率 白色石膏板 7 5 白色铀面砖 8 0 白色大理石 6 2 混泥土 2 0 红砖 3 3 浅蓝色砖 4 2 绿色砖 2 5 暗灰色砖 1 5 可以用图2 3 表示光源的亮度、光通量、照度和反射率之间的关系。 ： 糇瓣 s 甄艨ji。- ：? - j 家蕊 - 图2 3 关系简图 ( 6 ) 发光效率： 发光效率代表了光源将所消耗的电能转化为光的效率。单位：流 明每瓦( 驯) ，用符号7 7 表示。可以用公式2 4 计算发光效率。 发光效率7 7 ( 砌) = 光通量( 砌) 消耗电功率( ) ( 2 4 ) ( 7 ) 色温及相关色温： 光源发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射出的颜色相同时， 1r 弋黝 啦 蛰 嘴 ，文 辫 一 、=，删 、 一 同等学力硕士学位论文 黑体的温度称为该光源的色温。如果光源发出的光的颜色与黑体热辐 射的温度相近时则称为相关色温。单位都用绝对温度( k ) 。 黑体辐射理论是建立在热辐射基础上的，所以白炽灯这类的热辐射 光源的光谱功率分布与黑体在可见光区的光谱功率分布比较接近，都 是连续光谱，用色温的概念完全可以描述这类光源的颜色特性。然而， 由于气体放电光源一般具有非连续光谱，与黑体辐射的连续光谱不能 完全吻合，所以采用相关色温来近似描述其颜色特性心3 | 。如图2 4 显示 了不同波长的光谱分布情况。 渤剃5 d d 弱 a 、 e | e n g t h 图2 4 光谱分布图 色温或相关色温在3 3 0 0 k 以下的光源，颜色呈现出暖色调，给人 一种温暖的感觉；色温超过5 3 0 0k 时，颜色为冷色调，给人一种清冷 的感觉：色温在3 3 0 0 k 5 3 0 0k 时，呈现出中间色汜4 ，2 引。因此，如果要 鲜明地强调一些特定的色彩，可以利用不同色温的光源来加强显色效 果。采用低色温得光源照射，能使物体的红色更加鲜艳；采用中等色 温光源照射，使被照物的蓝色具有清凉感；采用高色温光源照射，使 物体有冷的感觉。通常气温较高的地区，人们多采用色温高于4 0 0 0 k 的 光源，而气温较低的地区则多用4 0 0 0 k 以下的光源。 ( 8 )显色指数： 物体在太阳光和白炽灯的照射下，会显示出它的真实颜色，但当 望兰堕箜塑堑璺塑堡生垄茎笙型銮鎏竺堑 物体在非连续光谱的气体放电灯的照射下，颜色就会有不同程度的失 真。我们把光源对物体真实颜色的呈现程度称为光源的显色性口刮。 为了对光源的显色性进行定量的评价，引入了显色指数的概念， 用砌表示。以标准光源为基准，将其显色指数定为1 0 0 ，其余光源的 显色指数均低于1 0 0 。显色指数砌的值越大，光源的显色性越好。表 2 2 列出了不同显色指数的显色性能及一般应用参考心1 | 。 表2 2 显色指数及性能参考 显色指数性能比较一般应用参考 9 0 1 0 0 优良需要色彩精确对比的场所 8 0 8 9 良需要色彩正确判断的场所 6 0 7 9 普通需要中等显色性的场所 4 0 5 9一般对显色性的要求较低，色差较小的场所 2 0 3 9 较差对显色性无具体要求的场所 然而，即使光色相同，不同种类的光源也可能因为发出的光线的 光谱组成不同，而表现出很大的显色性差异。当光源的光谱中很少或 缺乏物体在基准光源下所辐射的主波时，会使颜色产生明显的色差， 色差程度越大，光源对颜色的显色性越差。因此，光谱组成较广的光 源较有可能提供不错的显色品质。 ( 9 ) 灯具效率： 灯具效率是指在灯具所发出的光通量的值与灯具内安装的光源发 出的光通量的比值。是用于评估灯具的能源效率的重要指标。 ( 1 0 )光源的平均寿命及经济寿命： 光源的平均寿命是指点燃一批光源后，当其中有5 0 的灯损坏不亮 时所点燃的时间。经济寿命是指光源因损坏或发出的光通量衰减到一 定比例时的时间。单位：小时( 办) 。 同等学囊饮壶 雾萋，鬟菰张养r 蓁基菊；嘲羹劐刨； 到最蓁删韶季瑾嗍茎酵囊涿瞄；衬子强? 薹羹磊矮对薹。鋈强孳 涛皤篓蓼g 襄叠锱；戮籍墼蓠算簇群霪签蓄烈蓁滥伶馏陈铺瀹 獭型氧彰新孵蒇州慨彰；巨蓁拶k 燃型鬻i 萋謇璧l 溉绘辇享羹难蝮碱雾 一雾；雾蓁羹诵趟冼蒋羹蓁西鞘醮鬻滏澹茎孽；倒翁氍夫人蓁冀葡羹 鲫丘鲴萃擅喀崤蛰鍪渊郛薨露戮蔷蓄鳖矍籀醒垂；蓁羹菰弹雾雾薹蓄茎 雌娄登咎萼强耄2 l 二塑租霎露雾薹| 萋嚣羹算蔫；篓型蓄鲣篙毹基薹薪鱼铗 辱荪型冀擞囊塑零孺堡希酬娶霸燮蓄露薛新雾结湍羹兆薹! 蓁。蚕。萋包鲐嗣砸堪型 怎型蓄并瀚粕产留褊r 蠹| 趟翅童雾稿；蘩悲臻芡妻霜；辔餮尹囊 莱表示謇攀錾。蓊掣鬃薹霪蒌霎耋蠹飘烈裂孽妊剖掣。曩蓠瀹罐萋孥 澎；菇躺蓁妻露蒿豁蓟萋孚薹i ； 雾羹黉咎鳖争毓 揣篓鬻端管阜占型菰警望鑫鋈蒂；直羹甄酲蒂撼莉；神盼羹爨有 羡攀囊襄撑攘匪。焉展镉式蒸；壶毯蒸疆；雾恍诵i 亘莉! 呈霎蓁霎鸶冀董琴罄l 鍪藕；嚣裂拄藓篓羹匝翻歉倒；她缝裂丛一蓁些牲；黔掣锫嚣臻筠矧 泞 x 图书馆的智能照明设计及其控制方法研究 形，则由于直射光通量越多，因此利用系数也越高。 ( 4 )与墙壁、顶棚及地板的颜色和清洁情况有关。颜色越浅，表 面越洁净，反射的光通量越多，因而利用系数也越高。 可以从相应的灯具利用系数表中查出利用系数的取值。 由于灯具在使用期间，光源本身的光效要逐渐降低，灯具也要陈旧 脏污，被照场所的墙壁和顶棚也有污损的可能，从而使工作面上的光 通量有所减少乜7 f ，所以在计算工作面上的实际平均照度时，应计入一 个小于l 的“减光系数 。因此工作面上实际的平均照度如公式2 6 所示： e 。= 等斧 ( 2 6 ) 式中：表示利用系数： 以表示照度补偿系数。其倒数称为减光系数( 也称维护系数) ； 疗表示灯的盏数； 7 7 表示灯具效率； f 表示每盏灯发出的光通量： - 4 表示受照房间面积。 如果已知工作面上的平均照度标准，并己初步确定灯具类型、功 率时，则可确定灯具的光源数。 2 单位容量法 单位容量法时在做方案设计或初步设计阶段，需要估算照明用电 量时采用的方法。可以在允许计算的误差下，达到简化计算程序的目 的。单位容量计算是以达到设计照度时1 肼2 面积需要安装的电功率或 光通量来表示。其计算如式2 7 所示： 图书馆的智能照明设计及其控制方法研究 图书馆一般阅览室、少年儿童阅览室的照度水平应该设置在 1 5 0 灰( 低) 2 0 0 抚( 中) 3 0 02 j c ( 高) ；如果是属于老年读者阅览 室，其照度标准应该适当提高到2 0 0 氏( 低) 3 0 0 氏( 中) 5 0 0 氏( 高) 。 如表2 3 所示。 表2 3 阅览室照度标准 房间名称参考平面及其高度 照度标准值( 氏) 一般阅览室、少年儿童阅览室o 7 5 m 水平面 l5 0 2 0 0 3 0 0 老年读者阅读室 o 7 5 m 水平面 2 0 0 3 0 0 5 0 0 2 2 2 书库的照度要求 图书馆书库的照度应设置为1 5 0 氏( 低) 2 0 0 氏( 中) 3 0 0 灰( 高) ， 距地面o 2 5 m 处书架上的垂直照度应设置为3 0 氏( 低) 5 0 氏( 中) 7 5 髓( 高) 为宜。见表2 4 所示。 表2 4 书库照度标准 房间名称参考平面及其高度照度标准值( 氏) 书库地面 1 5 0 2 0 0 3 0 0 书库o 2 5 m 水平面 3 0 5 0 7 5 2 2 3 其他地方照度要求 图书馆休息室、陈列室、视听室及一些公共场所的照度标准见表2 5 所示。 图书囊噬瞰嚯僦噤明竣计圆撙嬲炜功抛粪 | | | 薹型薷篓；澍蓁鋈蓁雾羹雾叁霎雾簿醐鹾霎拇囊u 翻整雾谷吲辇理 骊i 烈霹蓁i l ；矧拱氢囊藿藏m 型霎纛羹些匣冀；墅菇羹磊咚塞否叹 耍隧斟勘燮熏罐耋雾薹疆鼾荆斟蓣港羹萤嚣笋i 萜宁砟量薹一至季妻薹蓁 馥键噔型| i | | 翥掣警幞；靴辨靛雕掣新钙严羹蒜下j 一燧壤理埔疆墓薹鲷 萋| 韭雾蓁装毫醅匠善类匝具； 黧嚣羲缀 蚤霪薹 ；耋；i 薹蓁j 蓁雾警器蔫裂；l 圣i 赣零馆j 重薹蒂皆籀裂鋈雏醺阵j 妻壤酗 巴霎强蓬j 乳跫一落裂雀要骗戮鍪善喜峰茑：羹薹疆磁翱酬；绣话环 噶循蘑泪蓁赫糟塞蓊旒臻茉摹季斋崔陌j 蓁学釜磁渤雾蓍型蓄耍蚕 蠢零；攀薹一展与萋乎羹薹冀筒霞鲡纂羹阿器量i j 缝雾到| 霎l 骂螫尘苹一圭蓦雾蓥蛇臻 x 同等学力硕士学位论文 表2 6 灯具安装高度要求 l 室空间比配光种类 选用灯具的最大允许距高比7 办 1 3 宽配光 1 5 2 5 3 6 中配光 0 8 1 i5 6 1 0 窄配光 o 5 1 0 室空间比尺积= 5 办乜+ 形) 亿) ，其中，表示房间长度，为宽度。 2 3 4 负荷的计算 照明负荷的计算方法有需要系数法、单位面积功率法、二项式法等， 其中需要系数法是计算负荷的主要方法眨。 ( 1 ) 需要系数法： 可以根据查照明手册，得到不同照明场所的负荷需要系数，计算各 类负荷。用电设备组的负荷计算如公式2 8 所示： p 声2k 。p 。 ( 2 8 ) qj s = 一j s 蟾9 s 沪蹶 。 卜南 其中有功计算负荷；绯无功计算负荷；s p 视在计 算负荷；1 卢计算电流；只用电设备的总容量；k 。需要系 数，图书馆照明的需要系数为0 6 o 7 ：留缈用电设备功率因数的 正切值；用电设备额定电压。 配电干线的负荷计算见公式2 9 ： 图书囊燃峨馕越嵫嘲瑙迸罐琪灞例西霪姥 冀钮冀i 萋i i i 一囊 蓁。蓁 ：i 薹一i ；雾；一摹； f 耋一羹霎i 霎! 萝一蚕宇 錾篓蓄薹型型拿銮雾羹筵墓莳；鹃囊叁鱼铡叁蓁霎萋擎赢拳 岛龠辫器融墨熏葫蒯躺奢篆量；雾j i 誊三j 冀薹瓣舶羹l iu 桁夔 雾戮鞋秘擎裂羔l 缮i ；呜；芩一霪萎! 啄可蓁冀! 量：薹；i i 耋掌- 二。j | | j 善蓥! 。羹 冀蓄蠼；耋一爹i i 有嘎蓁薹l ；摹鲤霪蓁薹善巷e 墼冀孽雾髫羹季蓁篷夔羹 需；蓁陲臻蓉萋i 薹一薹萋l 蒿箨名萌筌i 醵l 羹i g l ! 雾誉蹦剖篓熏臣 l 蓁妻婆雾雾i 萋三i 癀囊；羹霎嘣濯娄薹耄籀篓| | 剜型雾霞剥削鏊；羹菰霾篓 霞崤堡- - 羹雾明一薹薹i 兰蟊冀蓁蓁茎茎e 一罩主萋萋茎疃i 羹萋； 翊墅掣矗些鬟耄l 萋! 丽纂警蒜粪联薹； 薹! 羹l 蠹鍪蠹| | | 芝! 要| | | 摹一羹i ；萎茎霎耋l l 薹薹藿i 罄熏燮雾萋变蟹般肇i 溷蒌翼j 真，及光源錾； 薹i 萋i 受翼霎i 窭l 茎l 摹一薹i ；ii 薹奏耋蠢i ；掌一爹囊i 薹辜i 至一囊耋i 鬻凄i | 萋一萋萋l 项；翅r ； 霎；萎；i l 薹薹i 芹一；i ! 薹一喜雩i 砰毡喜i 饕；霪濉羹粪雾羹朔冀；i 薹蓁萄灞蓁薹薹雕爹；雾参喜i 萋；稀甄薹萋 熏j 薹l 蓁一；! x 同等学力硕士学位论文 点亮7 个小时需要7 0 0 1 0 3 ( 尼形) 7 ( 办) = 4 9 ( 七砌) 点亮9 个小时需要7 0 0 l o 一3 ( 七) 9 ( j l ，) = 6 3 ( 七砌) 全年大约消耗电量为： 至少4 9 ( 尼鼢) 3 6 5 ( 天) = 1 7 8 8 5 ( 尼砌) ， 至多6 3 ( 七3 6 5 ( 天) = 2 2 9 9 5 ( 七 2 5 结论 本章节介绍了照度、光通量、显色性等一些照明技术的基本概念， 以及图书馆的照明设计中涉及到的主要内容：不同种类光源的性能对 比：图书馆的照度标准及照度计算方法；灯具的不同种类及灯具安装 位置的确定、灯具安装高度的确定；照明负荷的计算方法等。根据设 计要求实现了图书馆阅览室的照明设计。 图书馆的智能照明设计及其控制方法研究 第三章图书馆智能照明设计方法 3 1 引言 随着信息技术、控制技术以及发光新材料技术的发展，节约能源 是今后照明设计的主要方向。传统的照明设计虽然简单，但是不符合 节能设计的要求。本章试图通过采用现代的信息检测技术和控制技术 来实现照明设计的智能化，改进传统的照明设计方法。以节约能源为 目的，寻找灯具型号、灯具的安装位置、灯具的功率和照度之间的内 在关系，试图建立它们之间关系的数学模型，为智能照明设计提供参 考。 本章先介绍了灯具安装位置、型号、灯具功率和照度之间的关系， 抽象出照明设计的数学模型，然后给出了基于神经网络控制的智能照 明设计方法及仿真结果。 3 2 影响照度的几个因素 照度就是指单位面积上接受的光通量阳3 ，用e 表示为： e ：生 s ( 3 1 ) 式中，s 为被照面积，为s 面上接受的总光通量。照度的最显著的 特性就是线性叠加，如果房间里有n 个光源，他们在桌面上的彳点产生 的照度分别为巨，易，一，瓯，那么，彳点的总照度为：e = e ， ，= l 同等学力硕士学位论文 3 2 1 灯具的安装高度对照度的影响 如图3 一l 所示的是照度与灯具的安装高度之间的关系。d 表示灯具， 办表示灯具与被照面的高度，厂表示灯具与被照面上b 点之间的距离， 与办之间的夹角为秒。 ：k ) 毒 矽厂 a l ! 型鲨 - _ _ _ ，_ - _ _ - - - _ - - _ _ _ _ _ - _ _ _ - - ，- - - _ _ _ _ - - ，_ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ - - _ - j ：_ _ - - ，_ _ _ 一 岔 图3 1 照度与灯具的安装高度之间的关系 如果光源在伽方向上发光强度为，一，则在b 点的水平照度为： e s= 或者为： ，日c o s 乡 ，2 e 。= 半 ( 3 2 ) ( 3 3 ) 可见，被照面某点的照度与灯具的安装高度、灯具在该点方向上的 光强以及与垂直方向的夹角都有关系。在实际设计过程中，灯具的高 度设置既不能因为垂度过大产生眩光，又不能因垂度过小而降低照度， 或者为了达到要求的照度而浪费电能。因此，合适的灯具安装高度是 智能照明设计中要考虑的一个重要的因素。 3 2 2 灯具的型号和功率对照度的影响 照明设计中，常采用利用系数法来计算参考面的照度，其计算公 式为眩1 1 ： 图书馆的智能照明设计及其控制方法研究 e 。= 爰 ( 3 - 4 ) 在实际设计过程中，不同型号的灯具在不同的环境条件下( 清洁、 一般或严重污染等) ，照度补偿系数不同，直接对照度的计算产生影 响。一般来说，同一个型号的灯具在清洁环境条件下比在污染条件下 小一些。对于不同型号的灯具，由于灯具效率不同，对照度的影响也 不同，即使是同一个型号的灯具，由于灯具功率的不同，对照度产生 的影响也不尽相同眩。显然，灯具功率越大，所产生的光通量就越大， 工作平面的照度就越强。但是，消耗的能源就越多。实际设计过程中， 选用灯具效率高的灯具，在保证光通量满足要求的情况下，尽量少消 耗功率，以便节约能源。 为方便起见，照明设计中经常采用单位容积法。该方法具体步骤为： 先根据不同的照明形式、不同的计算高度、。不同的房间面积和不同的 照度要求，利用系数法计算出单位面积的安装功率，列成表格，供设 计时查询。 3 3 智能照明设计的数学模型 由上述可知，传统的照明设计需要进行大量的查表、计算等工作， 而且基本没有考虑节能设计。随着当今社会发展节能的需要，基于节 能的照明设计势在必行。将现代信息控制技术应用于节能照明设计中， 具有较好的应用前景。 既然工作面的照度与灯具的型号、安装位置、灯具所处的环境、 灯具的功率以及灯具的效率有关。可以认为工作面的照度与上述参数 同等学力硕士学位论文 之间呈现如3 5 的函数关系： 乞v = 厂( 办，7 7 ，秒，p ，彳) ( 3 5 ) 式中，k 为工作面上的平均照度； 厅为灯具的安装高度；，7 为灯具效率； 为利用系数，表示室内灯具投射到工作面上的光通量( 包括直 射部分和经墙、顶棚等反射的反射部分) 与光源发出的总光通量的比 值； 9 为工作面上的某点到灯具之间的连线与垂直方向的夹角； p 为灯具的功率： 4 为房间的面积； 为照度补偿系数。 分析以上参数可知，某些参数之间是相互联系的。例如：灯具的 安装高度、灯具的功率与利用系数之问联系紧密。灯具的安装高度低、 灯具的功率大，利用系数就越高。为此，将上述参数进行分类：办和9 是确定灯具的安装位置的：p 和7 7 取决于灯具本身的特性，一旦确定了 灯具的型号，其功率和灯具效率就确定下来了；、和彳三个参数都 是与灯具所处的环境有关。 对于照明设计来说，合适的照度以及照度的均匀性是照明设计中 考虑的主要因素，将设计方法转移到工作面上来看，如图3 2 所示为 一矩形受照区域，在x 方向和少方向上划分等距离长度的线段，形成面 积相同的小块。针对图中的4 点来说，其照度设为e ( x ，y ) ，那么，可以 通过改变x 和少的值，得到的e ( x ，y ) 就可以表示整个矩形区域中不同小 气9 图书馆的智能照明设计及其控制方法研究 块的照度呦1 。 y 0 月 e ( 工，j，) 图3 2 工作平面上照度计算 由于x 和y 可以用于表示灯具位置，灯具的功率和效率参数采用p 表示，与环境有关的参数采用p 表示。为此，根据3 5 式函数中各种参 数的分类，可以将基于工作面上照度的数学模型定义为： e ( x ，少) = 尼p p ( 工，y ) ( 3 6 ) 也就是说，当灯具类型确定后，可以认为参数p 一定，不同坐标 点( x ，y ) 所处的环境因素p 不同，则该坐标点的照度反五力也会有 相应的变化，它们之间的变化关系与系数尼有关。如果能够确定该系数 的形式或者照度与环境因素之间的约束规律，就可以获得不同工作点 的照度值。或者，保持不同坐标点的照度e ( x ，j ，) 不变，当如力变化时， 可以通过上述关系，求出灯具的安装间隔( 血，y ) ，保证整个工作 范围内的照度值均衡不变。 同等学力硕士学位论文 3 4 基于神经网络控制的智能照明设计方法 3 4 1 神经网络理论基础 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，简称为a n n ) b 0 j ，是 在模拟人脑神经组织的基础上发展起来的全新的计算系统，它是由大 量计算单元通过丰富连接构成的复杂网络，是一种分布式处理结构的 非线性动力学系统。人工神经网络是由大量简单处理单元( 称之为神 经元或节点) 广泛地相互连接而组成的一个并行处理系统。虽然每个 神经元的结构和功能十分简单，但大量神经元构成的网络系统对知识 的存储方式是分布式的，这种分布式并行处理的特性，使神经网络具 有很强的自组织和自学习能力以及很高的容错力。 1 人工神经网络的构成 人工神经网络由神经元、网络拓朴、训练算法三个基本要素构成。 神