（计算机应用技术专业论文）基于计算机视觉的按需供气空调节能研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 基于计算机视觉的按需供气空调节能研究 摘要 近年来，随着我国经济和城市建设的高速发展，建筑能耗在社会总能耗中的比重逐年 上升，许多城市不同程度地出现了电力紧张等能源问题，而空调系统作为建筑的能耗大户， 其能耗问题日益突出。所以，针对能源供应日趋紧张和人们对室内空气的品质要求提高等 问题，如何在保持空调区域舒适度的前提下，最大限度地降低空调能耗是当前迫切需要解 决的问题。 而本文研究的基于计算机视觉的按需供气空调节能控制，是一种基于“供求关系的 空调节能控制方案，对空调的节能控制具有十分重要的理论意义和应用价值。通过引入全 方位视觉传感器作为检测手段，获得实际的“需 ，其中“需 代表室内实际人数，并根 据实际的“需 进行实时的节能控制，从而尝试解决现有空调节能控制方式存在的不舒适， 不迅速，不节能等问题。 本文首先分析了目前空调的节能潜力，探讨如何在舒适和节能方面进行按需供气，提 出了在满足最大的舒适度和健康的情况下如何挖掘空调的节能潜力的检测和控制方法；然 后，根据两种不同的空调节能对象，提出了不同的节能控制方案；其中中央空调的节能控 制根据实际检测的“需 的结果直接调整气源容量以及调节新鲜空气阀的大小；普通大功 率空调的按“需”控制方案通过引入占空比控制技术来实现空调的按“需 控制，而占空 比控制技术是一种能在不影响人的舒适性情况下能最大限度发挥现有空调节能潜力的技 术。而针对不同的空调的节能对象虽存在不同的节能控制方案，但按“需”供气的空调节 能的核心问题都是如何实现室内人数的统计，因此本研究将从图像获取和图像处理手段着 重介绍如何实现“需 的检测。 而针对实现“需”的检测方案中，本文首先建立固定背景的背景模型和自适应高斯混 合背景模型，对视频序列进行前景目标的提取，以实现静态与动态的运动目标检测。然后， 设计了基于全方位视觉传感器特征的人体矩形模型建立的方案，对人体目标进行面积属性 与形状属性的判断，以及结合投影分析与人脸肤色检测算法统计出室内人数；同时根据室 内的人数给出实时的占空比控制曲线。最后，本文开发了基于j a v a 语言的空调节能控制 i 浙江工业大学硕士学位论文 实验系统，并详细介绍各个模块的实现步骤，并在不同的环境进行测试。实验证明该系统 计算量小，实时性强，具有较好的鲁棒性。 控制 关键词：按需供气，空调节能，全方位视觉传感器，人数统计，矩形模型，占空比 浙江工业大学硕士学位论文 r es e a r c ho nd e m a n da d a p t i v ea i rs u p p l y o fa i rc o n d i t i o n i n ge n e r g ys a v l n g b a s eo nco m p u t e rv i s i o n a b s t r a c t i nr e s e n ty e a r s ，、) l ，i t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dc i v i lc o n s t r u c t i o ni nc h i n a , t h ee n e r g yc o n s u m p t i o ni nt h eb u i l d i n g sb e c o m e sg r e a t e ra n dg r e a t e ri nt h et o t a lc o n s u m p t i o n t h ep r o b l e mo fe l e c t r i c i t y s u p p l ye m e b e n c ye x i s t s i nm a n yc i t i e si nc h i n a t h ea i r c o n d i t i o n i n gs y s t e mi s t h em a i nc o n s u m e ro fe l e c t r i cp o w e ra n di t se n e r g yc o n s u m p t i o n p r o b l e m i sb e c o m i n gi n c r e a s i n g l yc o n s p i c u o u s t h e r e f o r e ，i nt h ev i e wo ft h eg r o w i n gt e n s i o ni n e n e r g ys u p p l ya n dt h ep e o p l e sh i 曲r e q m r e m e n to ft h ei n d o o re n v i r o n m e n ta n di n d o o ra i r q u a l i t y , h o wt om a i n t a i nt h ea i rc o n d i t i o n i n gr e g i o n a lc o m f o r t s ，w h i c ha l s ou n d e r t h ep r e m i s eo f m i l l i m i z i l l gt h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fa i rc o n d i t i o n i n g ，i st h ec u r r e n tp r o b l e mt h a tn e e d st o r e s o l v eu r g e n t l y t h ep a p e rs t u d i e st h ec o n t r o lo fa i rc o n d i t i o n i n ge n e r g ys a v i n gb a s e do nt h ea e r i a ln e e d , w h i c hi sac o n t r o lm e t h o do fa i rc o n d i t i o n i n ge n e r g ys a v i n gt h a tb a s e do nt h er e l a t i o n s h i po ft h e “s u p p l ya n dd e m a n d ”，w h i c ha d d sf a i r l yi m p o r t a n tv a l u e sb o t ht h e o r e t i c a l l ya n dp r a c t i c a l l yt o t h i sf i e l d t h ep a p e rh e r e o nm a k e sa ni n t r o d u c t i o no fo m n id i r e c t i o n a lv i s i o ns e n s o r ( o d v s ) a s d e t e c t i o nt e c h n i q u e ，a n du s e st h eo d v st od e t e c tt h ei n d o o r n e e d ，w h i c hr e p r e s e n t st h e a c t u a lh u mo fi n d o o rp e o p l e a n da c c o r d i n gt ot h ea c t u a l n e e d ，t h ep a p e ri m p l e m e n t st h e r e a l - t i m e d u t yc y c l ec o n t r o l ，w h i c h t r i e st os o l v et h ec u r r e n tc o n t r o l p r o b l e m so f u n c o m f o r t a b l e n e s s ，s l o wr e s p o n d i n gs p e e da n de n e r g yi n e f f i c i e n c y t h ep a p e rf i r s t l ya n a l y s i st h ea i rc o n d i t i o n i n ge n e r g ys a v i n gp o t e n t i a la tp r e s e n ta n d e x p l o r e sh o w t os u p p l yo nd e m a n di nt h ea s p e c t so fc o m f o r t a b l e n e s sa n de n e r g ys a v i n g ，a n d p u t sf o r w a r dt h ed e t e c ta n dc o n t r o lm e t h o d so fe x c a v a t i n gt h ep o t e n t i a lo fa i rc o n d i t i o n i n g e n e r g ys a v i n gf r o mt w ov i e w so fs a t i s f y i n gm a x i m a lc o m f o r t a b l e n e s sa n dh e a l t h ys i t u a t i o n t h e n ，b a s e do nt h et w od i f f e r e n ta i rc o n d i t i o n i n ge n e r g yo b j e c t s ，t h ep a p e rp r e s e n t st h ed i f f e r e n t e n e r g ys a v i n gc o n t r o lm e t h o d s ；c e n t r a la i rc o n d i t i o n i n ge n e r g ys a v i n gc o n t r o lm e t h o dd i r e c t l y ；i i 浙江工业大学硕士学位论文 a d j u s t sg a ss o u r c ec a p a c i t ya n dr e g u l a t e st h es i z eo ff r e s ha i rv a l v eb a s e do nt h ea c t u a ld e t e c t i o n o ft h e ”n e e d ；o r d i n a r yh i g hp o w e ra i rc o n d i t i o n i n gu s e st h ed u t yc y c l ec o n t r o lt e c h n o l o g yt o a c h i e v et h e “n e e d ”a d a p t i v ec o n t r 0 1 t h ed u t yc o n t r o lw i t h o u ta f f e c t i n gt h ec o m f o r t a b l e n e s so f i n d o o rp e o p l ei sat e c h n o l o g yt h a tt h em a x i m u mu s eo ft h ea i rc o n d i t i o n i n ge n e r g ys a v i n g p o t e n t i a l a l t h o u g hd i f f e r e n ta i rc o n d i t i o n i n ge n e r g ys a v i n go b j e c th a sd i f f e r e n tc o n t r o lm e t h o d , t h ec o r ep r o b l e mo ft h ea i rc o n d i t i o n i n ge n e r g ys a v i n gi sh o wt oa c q u i r et h en u m b e ro fi n d o o r p e o p l e ，s of r o mt h em e t h o d so fi m a g ea c q u i s i t i o na n di m a g ep r o c e s s i n g ，t h ep a p e rf o c u s e s0 1 1t o i n t r o d u c eh o wt od e t e c tt h e ”n e e d ” a g a i n s tt h em e a n so fd e t e c tt h e ”n e e d ”，t h ep a p e re s t a b l i s h e st h ef i x e db a c k g r o u n dm o d e l a n dt h ea d a p t i v eg a u s s i a nm i x t t t r ed i s t r i b u t i o nb a c k g r o u n dm o d e lt oa c h i e v et h es t a t i ca n dt h e d y n a m i cm o v e m e n tt a r g e td e t e c t i o n t h e n , i td e s i g n st h eh u m a nb o d yr e c t a n g u l a rm o d e lt h a t b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eo d v s ，a n dj u d g e st h eh u m a na r e aa n ds h a p ea t t r i b u t e s ， w h i c ha l s oc o m b i n e s 、析t l lt h ep r o j e c t i o na n a l y s i sa n dt h es k i nc o l o rd e t e c t i o na l g o r i t h mt o a c q u i r et h en u m b e ro fi n d o o rp e o p l e a tt h es a m et i m e ，t h er e a l - t i m ed u t yc y c l ec o n t r o lc u r v ei s g i v e ni na c c o r d a n c e 、析t l lt h en u m b e ro fp e o p l e f i n a l l y , t h ep a p e rd e v e l o p sat e s t i n ge n e r g y s a v i i 玛c o n t r o lo ft h ea i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mb a s e do nt h ej a v al a n g u a g ea n di n t r o d u c e st h e s t e p so fm o d u l e si nd e t a i la n dt e s t si nd i f f e r e n te n v i r o n m e n t e x p e r i m e n t ss h o wt h es y s t e mh a s t h es m a l la m o u n to fc a l c u l a t i o n , t h es t r o n gr e a l t i m ep e r f o r m a n c ea n dt h ef a i r l yg o o d r o b u s t n e s s k e yw o r d s ：o nd e m a n da d a p t i v ea i rs u p p l y ，a i rc o n d i t i o n i n ge n e r g ys a v i n g ，o m n i d i r e c t i o n a lv i s i o ns e n s o r ( o d v s ) ，p e o p l ec o u n t i n g , r e c t a n g u l a rm o d e l ，d u t yc y c l ec o n t r o l 浙江工业大学硕士学位论文 图例 图1 1人数统计框架图6 图1 2 论文组织结构1 2 图2 1 基于室内人员数的中央空调控制系统框图1 4 图2 2 占空比控制空调节能控制器1 5 图2 3 系统总体设计。1 6 图2 - 4 全方位视觉传感器1 7 图2 5 全方位图像1 7 图2 6o d v s 结构18 图2 7 折反射镜面设计1 8 图2 8 嵌入式系统与o d v s 结合的视频服务器结构1 9 图2 - 9 系统软件总体结构2 0 图2 1 0 前景目标提取处理流程2 1 图3 1高斯滤波效果图2 5 图3 2 全方位图转换到全景展开图2 6 图3 3 全景展开实际效果图2 6 图3 _ 4 前景目标检测流程图。2 7 图3 5 固定背景流程图2 9 图3 - 6 混合高斯模型算法流程3 l 图3 7阴影消除对比图3 2 图3 8 二值提取对比图。3 5 图3 - 9 人体对象识别流程图。3 6 图3 1 0 矩形模型建立示意图3 7 图3 1l 矩形标定示意图3 8 图3 1 2 全方位检测效果图。3 9 图3 1 3 全方位展开检测效果图4 0 图3 1 4 垂直投影示意图。4 l 图3 15 波峰统计流程图。4 2 图3 1 6 人体检测效果图4 3 图4 1占空比为5 0 的方波示意图4 7 图4 2 中断占空比控制曲线图。4 8 图4 3 基于占空比控制的平均错开削峰法示意图5 0 图5 1系统界面示意图5 5 图6 1 人数统计实验视频。5 8 图6 - 2占空比控制曲线图6 l 图6 3占空比方波控制图。6 2 图6 4 平均错开削峰示意图；6 3 浙江工业大学硕士学位论文 表例 表1 1 空调的节能潜力2 表1 2 新风量控制方法4 表4 1f a n g e r 空气质量分类4 5 表4 2 空调功率与房间人数匹配图4 8 表5 1系统的软硬件条件5 1 表5 2 系统菜单5 5 表5 3 功能实现表。5 6 表每1 人体检测实验结果5 9 表6 2占空比控制结果6 2 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者虢鸯爱吼舻岁月罗j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保测 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 季更 i 易吁 日期：乃略年f 月弓1 日 日期夕铲厂月芗日 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景 在建筑节能中，“节约能源、保护环境和获取趋于自然条件的健康舒适的环境 是永 恒的主题。在西方发达国家，建筑能耗占社会总能耗的3 0 - 4 0 ，而在建筑能耗中，空调 能耗又占建筑总能耗的4 0 6 0 【。据统计资料显示1 2 ，我国当前的建筑能耗在总能耗中 的比例是2 8 5 左右，据建设部测算，2 0 2 0 年 - - 2 0 3 0 年左右，我国建筑能耗将占总能耗的 3 0 4 0 。在中国建筑节能年度发展研究报告2 0 0 7 ) 中称，我国大型公共建筑单位建 筑面积的耗电量为7 0 - - - 3 0 0 k w h ( m 2 年) ，为住宅的5 - 1 5 倍，是建筑能源消耗的高密 度领域。而随着世界能源的日趋紧张，如何能实现建筑节能是迫切需要解决的问题。在现 代建筑中，空调是建筑中主要的耗电大户，而造成公共建筑能耗巨大的主要原因之一是空 调夏季的低温运行和冬季的高温运行。 随着我国经济的迅速增长，在我国许多城市还都出现了“电荒的情况。在夏季用电 高峰时期，都出现了由于用电紧张，供电部门被迫实旋强制性错峰用电的现象，从而影响 了居民的正常生活和企业的生产经营。在2 0 0 4 年1 月5 月，有2 4 个省、区域电网出现 不同程度的拉闸限电情况；2 0 0 5 年，“电荒”现象的情况在我国进一步严重，仅上半年全 国拉闸限电的省、市、自治区就已经超过1 0 个，主要是浙江、江苏、内蒙、天津等地。 而在2 0 0 8 年1 月，我国部分地区出现罕见的低温、雨雪冰冻极端天气。在2 0 0 8 年的2 月 3 日的中国政府网上公布的通知指出1 3 】，1 9 个省( 区、市) 拉闸限电，给受灾地区生产生活 秩序带来严重影响。为了解决电力不足的问题，我们不仅需要依靠对电力的投入增加与限 制使用，而且如何合理有效地使用有限的电能才是当前更有效的措施。在造成我国当前电 力供应紧张的原因之中，建筑能耗的迅速增加是一个不可忽视的重要因素。随着空调系统 在我国城市里越来越广泛的应用，公共建筑中特别是其中空调系统的电力需求增长速度尤 其迅速，所以如何实现空调的“节能、环保和舒适 是摆在我们眼前的新问题。 在现代公共建筑中，在设计空调时，通常考虑系统的满负荷情况，而空调在实际运行 中，只有1 的时间在满负荷情况下运行，9 5 以上时间则处在部分负荷状态，因此，出现 了“大马拉小车 的现象，造成了大量能源的浪费。其中表1 1 表示了空调的期望节能潜 力。从表1 一l 中可看出，在公共建筑中，空调平均节能潜力在2 0 - 3 0 左右，因而建筑 浙江工业大学硕士学位论文 节能中的空调节能具有极大的节能潜力。 表1 - 1空调的节能潜力【4 1 场所节能潜力( ) 教室 2 0 5 0 大的办公室( 4 0 的室内人员) 2 0 3 0 大的办公室( 9 0 的室内人员) 3 5 宾馆休息室、阅览室、公共礼堂 2 0 6 0 室内活动场所、室内博物馆 4 0 7 0 戏院、电影院、会议室、集会室 2 0 6 0 根据表1 1 中的场所，可将我国现有的公共建筑中使用的空调系统分为两种：1 ) 中央 空调；2 ) 大功率的普通空调( 3 匹5 匹) 。而中央空调的应用环境包括：宾馆、医院、电影 院等环境；而大功率空调的应用环境包括：教室，小型的会议室，办公室等环境。目前， 全国公共建筑面积大约为4 5 亿平方米左右，其中采用中央空调的面积约为5 亿到6 亿平 方米嘲，而其余约为3 0 亿平方米左右的建筑面积都采用了大功率的普通空调，所以大功率 的普通空调节能是空调节能的重中之重。 目前空调系统，普遍采用的是温度控制，中央空调通过设定室内回风温度或送风温度， 信号采集系统中温度传感器检测实际回风温度或送风温度，与设定温度进行比较，当检测 温度与设定温度有差别时，控制单元进行计算，并输出信号给执行系统，从而调节送入室 内空气风量和送风温度，直到室内温度接近设定温度为止。而普通大功率空调，当室内机 进风温度达到设定温度时压缩机停止运转，当室内机进风温度的偏离大于设定温度范围时 压缩机开机，否则压缩机关机。而这种温度控制方式存在一个很大的弱点，由于室内体积 惯性和温度调节器响应固有延迟，当温度负荷发生变化后反映到回风温度或进风温度时， 控制器检测到该负荷的变化到动作以前存在着一个相当长的滞后时间，因而出现了空调的 控制对使用者来说不直接、不迅速、不舒适、不节能等问题。 在现代建筑中，空调的主要作用是在室内有人的情况下，保持室内环境舒适，而随着 室内的负荷变化，比如室内人员数的变化，对室内的加热或制冷都不是连续的。一天2 4 d x 时中，只有一部分时间是在进行空气调节；而在无人或者人稀少的情况下，如果按照温度 控制，则仍然对室内环境设定的温度进行制冷或者加热，造成了能源的浪费。而且由于四 季的变化，空调负荷的不均衡特性，极大地力n , n y 电网负荷的峰谷差，因此，空调系统的 错峰用电运行已成为缓解当前电力供应不足问题的有效解决方法之一。而目前，根据室内 浙江工业大学硕士学位论文 的人数变化，实现按需供气节能的设计思路也并没有得到广泛的研究与应用，其主要的原 因在于：1 ) 通过何种手段检测出实际的“需 ；2 ) 检测出的“需”如何实现控制。 综上所述，目前空调的节能至少存在两个问题：1 ) 普遍采用温度设定控制方式，存在 一定的控制滞后性，控制器检测到负荷的变化到执行以前存在着一个相当长的滞后时间： 2 ) 存在着两个耗能方面的问题：一个方面是： 总是在设定的温度范围内运行；另一方面是： 不管室内是否有人没人、人数的多少，空调 空调用电的季节性、时段性和爆发性使得空 调的使用时间比较集中，造成对电网的压力过大，这些现象在城市办公楼等地区表现尤为 突出。所以，空调节能是我国社会发展的必然趋势和要求，如何能将“节能、舒适、健康 思想”贯穿于空调系统设计与运行的始终成为众多专家与学者思考的问题。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 基于计算机视觉的按需供气空调节能控制技术 2 0 世纪8 0 年代以来，空调节能控制技术使空调的节能进入了一个新的发展阶段【6 j 。 其主要表现在：信息化的新风控制策略的发展，比如根据人数和人员的密度分布的新风 量的控制等；而随着控制技术的飞速发展，也带动了其他相关技术的发展，包括：智能 型传感器与执行器的发展以及自动控制技术与通信技术的结合发展等。 现代智能建筑空调系统的设计，把“提高人的舒适性”摆在第一位，在9 0 年代， s o a t p 等人共发表了三篇论文【7 - 9 1 ，在其论文中提出了在智能建筑的环境中，将多个摄 像装置安装在室内顶部的角落，检测整个空调房间的空间信息，获得室内人数，以便按 需供气，实现节能的方案，而此方案的提出将计算机观测技术应用到了空调节能中。目 前，由于采用温度控制方式，室内人数的多少要反映到温度控制指标上一般需要数十分 钟，存在着很大的控制滞后性，然而通过计算机视觉可以立即估计出停留在空调室内人 员的数目，在几秒内的可以辨识出任何突然变化，一旦检测到这些变化就及时通过控制 空调的主要耗能部件，实现按“需 供气。 而根据室内负荷，获取人数控制空调的节能方式的主要代表是变风量空调系统 ( v a r i a b l ea i rv o l u m es y s t e m ) 。晋欣桥等人【1 0 l 通过分析变风量空调系统局部控制，利用其送 风量末端阀门的开度作为各区相对负荷的指示信号，提出送风静压优化控制的方案，同时 还提出了基于室内人数检测的新风实时优化控制方案。在新风量的有效控制方面，为保 证室内空气质量，针对不同的系统形式各国学者提出了多种新风量的控制方法，如表卜2 所示。 浙江工业大学硕士学位论文 表1 2 新风量控制方法【1 方法 原理特点 可以有效控制人为产生的污 控制回风( 或室内空气) 中c 0 2 体积 染物，对非人为产生的污染物 c 0 2 浓度检测法 分数不大于1 0 0 0 xl 矿 难以有效控制，适合于人员密 度较大的场合( 如餐厅) 在保证室内空气质量的前提 根据直接测得的实际人数决定实际所下尽量节能，但增加了监测人 人数直接控制法 需的新风量数的设备，投资较大，且不适 于人员密度较小的场合 最大、最小送风量两根据风机的全速和最低速设定最大、最 不能保证整个变化范围内都 精确，尤其在具有压力波动 点控制法小风阀开度 时，但成本较低 在新风口、回风口和混风口设置温度传 此法的测量非常简单，但当混 能量平衡法感器来确定送风中新风的百分比，新风 风温度传感器的精度不高或 回风温度与新风温度接近时， 量由公式计算得出 误差较大 测量送风机和回风机的流量，并控制回 两种风量测量的累积误差较 风量，以使二者之间保持一个固定的差 回风机跟踪检测法大，特别是当送风回风量比 值。该差值即为送风机通过新风阀吸入 较小的时候 的新风量 在新风引入口设置一个检测点，对新风 本法是否可行取决于风量测 检测新风量法流量进行测量，通过该测量值来调节新量技术，多数风量传感器精度 风阀开度不够 从表1 2 可看出，目前研究得到的解决v a v 系统新风量问题的办法其中有一种就是 人员数直接控制法。这种方法是指直接测得每个层面的实际人员数，然后根据人员数来 决定当前实际所需要的新风量。这种方法的优点是能够实现新风量的动态调节，在保证 室内空气品质的前提下尽量节能。在新风量的有效测量方面，有许多学者指出，采用新 风量直接控制测量的方法在实际运行的过程中，无法保证系统新风量测量的准确性【1 2 1 。 所以这种控制方法没有得到广泛的应用，它的不足之处主要包括两个方面：1 ) 一方面需 要加设一套变风量空调系统的控制测量人员数的设备，投资较高；2 ) 另一方面，当室内 人员数较低时会造成对建筑部分的污染物稀释不足，引起控制质量的问题。 1 2 2 基于占空比控制的空调节能控制技术 基于占空比( p w m ) 控制的空调节能控制技术的核心节能技术为占空比技术。占空比 ( p u l s ew i d t l lm o d u l a t i o n ) 控制技术，是脉冲宽度调制的缩写，它是一种按一定规律改变 脉冲列的脉冲宽度，以调节输出量值和波形的一种调制方式。p w m 技术是伴随自关断 一4 一 浙江工业大学硕士学位论文 器件的发展而发展起来的，目前己趋于成熟。p w m 技术在冶金、交通、机械、电子、 石化、制药、造纸、空调等工业领域得到广泛的应用，产生了巨大的经济效益。 在9 0 年代，k i m ，h o n g s u n g 等人【1 3 】就提出对太阳能空调使用占空比( p w m ) 转换 控制技术削减夏季的用电高峰，实现节能。在国内，戴梅等人1 1 4 l 提出使用p a m 技术与 p w m 技术而调节压缩机转速，从而改变制冷剂的流量，其中p w m 技术主要用以调节电 磁阀的开启闭合的时间和开启程度来调节制冷剂流量，从而调节容量的输出，以实现节 能。钮立新等人【l5 】对变频空调的节能控制方式进行了讨论，指出了使用占空比( p w m ) 的正弦的脉冲调制( s p w m ) ，可提高了电机的效率，节省电能。 占空比技术在空调领域中，主要作用是通过改变占空比来改变平均电压从而调节压 缩机转速，实现交频控制。而最近的研究发现，长时间使用变频控制空调是可以节能的， 但是如在夏天最热的时候由于室外温差大，房间的负荷大，而变频控制的空调也会在高 频区域运转，所以此时会增加能耗，而这与目前我国用电高峰时电力短缺，需要移峰填 谷( 错开削峰) 弥补电力差的需求是矛盾的，所以利用占空比( p w m ) 技术实现的变 频控制是否能节电与使用的方式有很大的关系，如果不是长时间的开着变频控制的空 调，节电的意义不是很大，所以看待当前的空调变频技术需要一分为二。而且，目前变 频空调在我国也没有得到很广泛的应用，在公共建筑中，通常选用定频的大功率普通空 调，而如果要采用安装变频空调实现节能，则需要耗费大量的资金才实现节能改造；而 如果能利用占空比技术改造原有的大功率空调，则能用最少的资金实现最大程度的节 能。 在空调节能中，提高空调能效的关键在于提高空调压缩机、电机、风机、换热器等 核心零部件的工作效率。其中，压缩机是空调能源消费的最重要部件，它占据了空调耗 电量的8 0 左右，所以利用占空比对空调的室外机的控制，不仅能实现节能，而且如果 利用占空比控制的起始时间，实现能将电网上运行的所有空调错开工作，就能减轻空调 使用时段性和爆发性对电网造成的负担，保证电网的安全。 1 2 3 基于计算机视觉的人数统计 对于基于计算机视觉的按需控制的空调节能控制研究，研究的核心内容是如何检测 “需，即如何统计出室内人数。目前的基于计算机视觉的人数统计在国外商业上已投入 使用，如a l t a i s 系统是一个跟踪人员运动和人员流动的程序，视频摄像机垂直安装在连 续记录人员流动的检测现场，该摄像机连接到分析视频数据的单元，每小时系统构造一幅 浙江工业大学硕士学位论文 具有平均密度和速度的人员流动的图像；s e n t e c 是一个人员计数系统，系统采用标准的 闭路电视，摄像机计算不同地方行人的数量；而美国a c i c 公司的人数统计产品m v p e o p l e c o u n t i n g1 1 6 ，其主要是对建筑物的出入口进行人数统计，设置三条辅助直线，根据人先通 过哪条线来确定人的进出并计数，对于m v p e o p l e c o u n t i n g 设备的精确性需要依靠摄像头的 安装位置，最好的位置是将传感器安装在行人进出的垂直方向上。这三个系统都能较好地 检测人数，但是都有一定的缺点，前两个人数统计系统，在人流密集的场所容易出错。原 因是存在着人体重叠情况，同时要检测比较大范围内的人员的情况需要多个摄像机同时工 作，因此存在着各摄像机的视频数据的融合问题，实现快速的实时运算非常困难，而a c i c 的公司的产品，主要的缺点是对亍：m v p e o p l e c o u n t i n g 设备的精确性需要依靠摄像头的安装 位置，最好的位置是将传感器安装在行人进出的垂直方向上，所以安装的位置相对固定， 一般在建筑的进出口。 基于计算机视觉的人数统计作为一种新的智能人数统计方式，其主要融合了图像处 理、模式识别以及人工智能等多个领域的技术。一个典型的智能化人数统计主要包括由 图像采集、图像处理以及控制操作等方面组成，如图1 1 所示【1 7 】。人数统计系统首先利 用安装的摄像设备获取实时的物体运动信息，然后借助图像处理技术，对摄像机采集的 场景的信息进行自动的分析，并快速、可靠、实时地对各种场所的人流进行统计，最后 系统可以根据人数的统计结果，及时做出相应的控制操作。而针对基于计算机视觉的按 需供气的空调节能系统设计的控制操作单元则是解决如何根据实际的“需 ，实现节能 的占空比控制。下面根据图1 1 的智能化人数统计的设计框图，分别对图像采集与图像 处理的技术进行一一介绍。 二亘至三三二) _ 亘至至# 控制操作单元 图1 1 人数统计框架图 ( 1 ) 图像采集 目前，传统的视觉分析系统的图像采集方式大都采用单目视觉，即用一台固定的摄像 机采集环境图像进行分析，由于单个摄像机的观察范围有限，人体很容易移出这个范围， 这时检测就失效了。双目、多目视觉系统利用了两个或多个安放在不同位置的摄像机，可 浙江工业大学硕士学位论文 以扩大系统的视觉范围。当人体走出其中一个摄像机的监控范围时，另一个摄像机可以继 续对此人的监控。这样可以达到视觉信息互补，扩大观察范围的目的；同时还可利用立体 视觉的原理恢复人体的三位信息。但是，这种系统仍然不能得到整个环境的情况：另外， 由于每幅图像都是在其所对应的摄像机坐标系下，怎样处理在不同的摄像机坐标系下图像 特征的配准至今仍是一个难题。而全方位视觉传感器( o d v s ) 是近年发展起来的为实时获 取场景的全景图像而提供的一种全新的解决方案。目前，关于全方位视觉，世界范围内的 研究者开展了广泛的研究，在视觉应用上主要包括三个方面：1 ) 移动机器人的人机交互和 导航【1 8 2 1 】：2 ) 三维场景重建2 2 之5 1 ；3 ) 智能监控系统 2 6 - 3 0 。 全方位视觉传感器( o d v s ) 最早在1 9 7 0 年由美国人d r e e s 发明，当时主要应用于全 景电视视觉系统，并且申请了美国专利【3 1 1 。1 9 9 0 年，在日本大阪大学留学的j i a n g y u z h e n g 博士发明了世界上第一个3 6 0 度取景的数字图像视觉系统，从而推动了o d v s 的真正的 发展。o d v s 的不仅拥有3 6 0 度的视野，能够将一个半球中的信息压缩成一幅图像，使得 一幅图像中的信息量更大；而且在监视场景中的安放位置更加自由，不用瞄准目标，检测 和跟踪监视范围内的运动物体时算法更加简单。特别在全景实时处理的情况下，是一种快 速、可靠的视觉信息采集途径，并且在扩大了监控视角范围、减少摄像头的数量的同时又 能实现即时监控事件的全过程，不会给人以被监视的感觉。所以，全方位视觉传感器在大 范围环境的应用中表现出了很大的优势，也将逐渐取代传统的c c d 摄像机。但就目前全 方位视觉传感器应用中，这种获取图像的新手段并没有应用在空调节能系统中。而本文则 借助o d v s ，为空调节能控制提出了一种新的解决方式。 针对单个线性摄像头的单目视觉或者多个摄像头的多目视觉的检测人数统计的图像 获取方式中，全方位视觉获取方式主要存在以下的优势：1 ) 信息量大。全方位视觉传感器 视野广，能把一个半球视野中的信息压缩成一幅图像。而这原来需要4 5 个摄像机同时拍 摄才能达到同样的效果；2 ) 安装方便。在获取全景图像时，利用全方位视觉传感器安装位 置自由，可以替代原来多个摄像头，从而大大减少了投资所需要的成本。3 ) 观察方便。在 监控的过程中，全方位视觉传感器不用瞄准目标就能监视其行为。此外，通过全方位的展 开软件，还可以生成全景的视频，即在一幅场景上即可以观察3 6 0 度的环幕场景，改变了 以往需多个场景同时观看才能获得的总体信息的情况，减少了监控人员的总体工作量。 ( 2 ) 图像处理 针对智能视频中的人数统计中，图像处理主要是对图像视频序列进行运动目标检测， 与运动目标识别等处理工作。而运动目标的检测与目标识别都是计算机视觉研究的主要内 浙江工业大学硕士学位论文 容，在智能监控系统、机器人导航等都有广泛的应用；而现有的人数统计的实现方案也结 合运动检测与运动目标识别等技术实现，下面将分别一一介绍相关的内容。 运动目标检测 运动目标检测目的是在视频图像序列中将前景运动区域从背景中提取出来。运动目标 检测是运动目标分类的基础。运动物体检测主要包括背景减除法、帧间差法与光流法等。 在此三种检测方法，背景减除法是目前运动目标检测的主要方法，帧差法会造成运动物体 透明现象，引起运动物体的误分类；光流场法由于计算复杂，很难满足实时检测需要。而 背景减除法的运动检测能够得到较完全的特征数据，但背景模型的建立和背景图像的更新 是该方法的难点。在背景减除法中，r i d d e r 3 2 】利用卡