照明控制技術(shù)的進展

方 景，邴赫亮，肖 輝

(同濟大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 201804)

1 概述

1787年瓦特發(fā)明離心式調(diào)速器——蒸汽機的速度調(diào)節(jié)，被認為是自動控制技術(shù)走向大規(guī)模應(yīng)用的一個標志性事件，研究控制理論成為社會一大需要。自此控制理論的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個階段。第一階段為以反饋理論為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論階段，只能解決單輸入-單輸出的線性定常系統(tǒng)問題；第二階段為現(xiàn)代控制理論階段，主要解決多輸入——多輸出系統(tǒng)問題，不僅針對線性定常系統(tǒng)而且對非線性時變系統(tǒng)也提出了很好的解決方案；第三階段則為智能控制階段，結(jié)合人工智能技術(shù)以及智能算法，對復(fù)雜系統(tǒng)進行控制，智能控制是當今國內(nèi)外的一個十分活躍和具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域，代表著現(xiàn)今科學(xué)和技術(shù)發(fā)展的最新方向之一。1879年愛迪生發(fā)明白熾燈，照亮世界，人們的照明方式被改變，照明的要求也不再局限于滿足視覺上的明暗效果這樣的剛性需求，需要光環(huán)境帶來更加豐富的體驗與藝術(shù)享受，更加注重節(jié)能環(huán)保與健康。進入二十一世紀后，網(wǎng)絡(luò)化、信息化成為時代的主流，結(jié)合控制學(xué)科的發(fā)展，為人們的這些追求提供了實現(xiàn)的手段[1]。

2 照明控制的研究和應(yīng)用

控制理論與技術(shù)的研究及應(yīng)用的不斷進步，促進了照明控制的發(fā)展和應(yīng)用。與控制理論的三個發(fā)展階段相適應(yīng)，照明控制也經(jīng)歷了三個階段：以手動為主要控制方式的傳統(tǒng)照明控制、以數(shù)字控制技術(shù)為基礎(chǔ)的自動照明控制以及以計算機技術(shù)、通信技術(shù)、自動控制技術(shù)為基礎(chǔ)的智能照明控制，如今已經(jīng)進入到智能照明控制時代。隨著智慧城市的興起，智慧照明成為了智慧城市不可分割的一部分，而智慧照明的核心就是智能照明控制。

2.1 照明控制與節(jié)能

隨著全球能源危機的爆發(fā)，綠色照明、低碳照明勢在必行，甚至提出實現(xiàn)零能耗。照明控制在照明節(jié)能中起著至關(guān)重要的作用，是實現(xiàn)綠色照明必不可少的手段。照明控制的對象是燈，照明燈具的控制就是調(diào)光控制。調(diào)光控制經(jīng)歷了可變電阻調(diào)光、調(diào)壓器調(diào)光、可控硅調(diào)光和脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)調(diào)光，調(diào)光控制可節(jié)省大量的電能[2]。

近年來，在室外道路照明中，采用照明控制技術(shù)，當人車流量大時，路燈滿功率運營，夜深人靜、人車流量低時，半功率運營，即實施雙功率路燈照明，達到節(jié)能效果。隨著LED光源技術(shù)的發(fā)展、效率的提高以及價格的降低，更加易于控制、驅(qū)動和調(diào)光，為照明節(jié)能提供了極大的可能。如北京、深圳和上海等地的地下大空間、隧道、地鐵站已新建或改造完成，直接使用LED進行照明，采用智能控制系統(tǒng)，按不同時段調(diào)光，節(jié)約能源；在辦公等空間智能感知有人與否、實現(xiàn)按人使用燈的行為定時等自動調(diào)光，滿足不同人的照明需求，營造舒適、節(jié)能的光環(huán)境。

室內(nèi)照明控制不僅針對單一系統(tǒng)，還實現(xiàn)了集成其他多個系統(tǒng)，協(xié)同節(jié)能的最優(yōu)控制。同濟大學(xué)自2010年開始，連續(xù)三年參加美國能源部發(fā)起的“國際太陽能十項全能競賽”，旨在打造“零能耗”建筑。首先，室內(nèi)的燈具可連續(xù)調(diào)光，并與遮陽系統(tǒng)進行聯(lián)動，可自由選擇由天然采光補充照度或由人工照明增加室內(nèi)照度。其次，根據(jù)不同情境的需要，照明系統(tǒng)設(shè)置了不同的場景模式(如：會客模式、觀影模式、晚餐模式、派對模式)，可以完成一鍵切換，以滿足人們的需要。最后，照明控制系統(tǒng)與其他控制系統(tǒng)(空調(diào)、熱水、通風(fēng)等)高度整合，集成于同一個大的控制系統(tǒng)，如圖1所示，具有界面友好、操作便捷的人機接口和智能化、人性化的控制策略，可利用本地界面，也可通過手機以及遠程計算機訪問，從而實現(xiàn)全局監(jiān)控詳細的能耗分布，實時測量和統(tǒng)計各用電回路能耗情況，實現(xiàn)零能耗。

圖1 智能集成系統(tǒng)Fig.1 Smart integrated system

2.2 照明控制與健康

社會的發(fā)展進步使人們越來越關(guān)注照明與人體健康之間的關(guān)系，人們不僅僅要求有燈就行，更需要自然、安全、舒適、健康的光環(huán)境。研究表明：人類在進化過程中形成了許多適應(yīng)光照的機制，照明對人的生理和心理影響顯著[3]。光主要通過神經(jīng)系統(tǒng)影響人們的生理功能，如生物節(jié)律、免疫力等，照明強度與情緒之間是倒U型曲線，被試認為過暗或者過亮的照明都會損害情緒體驗；照明對情緒的影響還受到色溫等一些因素的調(diào)節(jié)作用，照度和色溫又有交互作用[4]，研究者模擬教室的研究發(fā)現(xiàn)中高色溫條件下，被試的學(xué)習(xí)能力提高，但是高色溫容易引起疲勞和緊張，所以教室宜采用中等色溫(4000K)的人工照明[5]；同時，光療已經(jīng)成為應(yīng)對季節(jié)性情感障礙(SAD)的成熟方案[6]。種種研究表明，照明與人們的健康有著不可分割的聯(lián)系。人們利用照明控制，通過調(diào)節(jié)人工光源的輸出光通量和色溫，對人的生理和心理進行調(diào)解，提供最健康的照明環(huán)境。

自然光具有光強高、方向性好及顯色性好等諸多優(yōu)點，但可控性不強，而人工照明具有較強的可控性。因此，采用天然光和人工光的聯(lián)動控制策略將更符合“以人為本”的設(shè)計理念。通過控制晝光投射到使用空間量的多少，配合適量人工照明加以補充；根據(jù)晝光投射到窗上的垂直照度分布，預(yù)測室內(nèi)自然光照度分布，控制電動窗簾的敞開度和室內(nèi)人工照明的照度水平，以形成健康、節(jié)能、舒適的照明空間。

要合理控制窗簾的敞開度和室內(nèi)人工照明的照度，必須科學(xué)地預(yù)測室內(nèi)自然光的照度分布。由于自然光本身的多變性和辦公空間的多變性給適時預(yù)測室內(nèi)自然光的照度分布提出了難題，而智能控制研究的興起，為我們解決這個難題提供了先進的手段。圖2即為人工照明和天然采光聯(lián)合控制系統(tǒng)。

圖2 人工照明與天然采光聯(lián)合控制系統(tǒng)Fig.2 Control system combining lighting with daylighting

圖3 二維模糊控制算法的智能遮陽控制系統(tǒng)框圖Fig.3 Smart blinds control system based on two-dimensional fuzzy control algorithm

研究者以同濟大學(xué)嘉定校區(qū)圖書館為例，為了達到遮陽百葉的葉片角度對采光、通風(fēng)以及視線遮擋等方面的綜合性最優(yōu)的結(jié)果，研究者提出一種基于二維模糊控制算法的智能遮陽控制系統(tǒng)，如圖3所示。設(shè)置亮度傳感器檢測當前天空亮度，作為控制遮陽百葉葉片角度系統(tǒng)的一個輸入?yún)?shù)，通過二維模糊控制算法的智能遮陽控制系統(tǒng)來控制百葉角度調(diào)整天然光和控制人工照明。它既保證窗口處照度不高于人眼長時間閱讀所能接受的最高照度，又可以充分利用天然采光代替人工照明，節(jié)約相應(yīng)的能耗，實現(xiàn)圖書館照明的人性化與智能化。

2.3 照明控制與管理

城市照明監(jiān)控系統(tǒng)是照明控制技術(shù)應(yīng)用的最廣泛也最為成功的范例。隨著城市建設(shè)的開展，城市跨度增大，照明控制器數(shù)量劇增，因此對城市照明設(shè)備的控制管理顯得尤其重要。傳統(tǒng)的照明控制通常采用定時器或光控器，讓不同區(qū)域以預(yù)定狀態(tài)亮滅，但是無法實現(xiàn)實時控制，不便于遠程監(jiān)控和管理，這樣經(jīng)常會造成出現(xiàn)故障無法及時維修。隨著通訊技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，利用計算機借助一定的通信方式，例如GPRS、3G技術(shù)等，可以對全市各個區(qū)域、路段、景觀照明箱式變電站、配電柜、控制柜等，從測控系統(tǒng)集中實現(xiàn)智能數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，即監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過城市監(jiān)控系統(tǒng)，可以結(jié)合不同地區(qū)的氣候、日出日落、季節(jié)等自然因素，靈活有效地控制光源，制定不同的控制策略，在提供必要的安全照明的前提下，滿足人類對燈光照明的需求，實現(xiàn)有效節(jié)能。除此之外，有效的實時監(jiān)控可以及時發(fā)現(xiàn)安全故障，及時更換維護設(shè)備，使損失以及不便降到最低，是城市管理部門實施科學(xué)管理必不可少的技術(shù)支持和有效的途徑。

3 照明控制技術(shù)的最新進展

3.1 人性化和個性化照明

照明首先是視覺需要，同時涉及到身體健康、工作安全和效率、生活質(zhì)量和保障、交通安全、業(yè)余活動和生活享受，重要的是滿足人的生理日夜節(jié)奏。隨著智能控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，在滿足人們視覺、生理和心理需求的同時，在“以人為本”的健康照明方面也扮演著越來越重要的角色。如室內(nèi)照明控制不僅僅將被控對象限制為燈具或者窗簾、百葉等，而應(yīng)該將照明控制理解為能對照明環(huán)境產(chǎn)生影響的各個環(huán)節(jié)。目前室內(nèi)采用新型LED光源和燈具的智能動態(tài)照明系統(tǒng)，可根據(jù)需要用不同的照度和色溫照明。隨著天然采光的變化，其光源的光通量可調(diào)節(jié)，輸出照度可控，其色溫亦可調(diào)，實現(xiàn)了早晨提供富有藍光的冷白光照明，晚上采用暖白光照明，真正做到“按需控光”，營造舒適的光環(huán)境。

3.2 智能化照明

隨著控制學(xué)科的不斷的發(fā)展，20世紀70年代，控制理論的發(fā)展進入了高級階段——智能控制階段。智能控制已經(jīng)在各個方面得到了極大的應(yīng)用和發(fā)展。智能控制研究與應(yīng)用的不斷進步，促成了其在照明控制中的應(yīng)用和發(fā)展。隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，無線通信技術(shù)和云計算技術(shù)在智能照明控制系統(tǒng)中也得到了極大的發(fā)展，如圖4所示。

圖4 智能照明控制系統(tǒng)Fig.4 Smart lighting control system

智慧城市的興起，智慧照明成為了智能照明控制發(fā)展應(yīng)用的一個新的發(fā)展方向，是綠色照明在智慧城市中最佳的實踐。其通過應(yīng)用先進、高效、可靠的電力線載波通信技術(shù)和無線GPRS/CDMA通信技術(shù)等，實現(xiàn)對路燈的遠程集中控制與管理，具有根據(jù)車流量自動調(diào)節(jié)亮度、遠程照明控制、故障主動報警、燈具線纜防盜、遠程抄表等功能，能夠大幅節(jié)省電力資源，提升公共照明管理水平，節(jié)省維護成本。[7]

4 總結(jié)與展望

本文著重介紹了照明控制與技術(shù)的最新研究成果、應(yīng)用領(lǐng)域以及發(fā)展趨勢。眾所周知，照明控制的終極目標是科學(xué)地控制人的用燈行為，這需要針對“人的用燈行為”進行大量研究，得出合理的結(jié)果。隨著大數(shù)據(jù)云計算與服務(wù)技術(shù)的進一步成熟，對人用燈行為進行數(shù)據(jù)采集和分析成為可能，這必將為照明控制帶來更優(yōu)化的控制與決策方案。另一方面，隨著人們對照明節(jié)能和視覺舒適之間平衡點的深入研究，既滿足節(jié)能又符合健康的人性化照明，集網(wǎng)絡(luò)化、個性化和智能化于一體的照明控制技術(shù)將應(yīng)用得更為廣泛。同時，現(xiàn)代控制理論以及智能控制算法的研究成果與照明控制策略相結(jié)合，并將圖像處理、電力載波等技術(shù)更大程度的引入照明控制中，獲取更準確的控制效果，真正實現(xiàn)智慧照明。

[1] 張鈺唯,葉煒,許煜.照明控制技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].照明工程學(xué)報,2010,21(2).

[2] 邴赫亮,肖輝.照明控制及發(fā)展綜述[J].照明工程學(xué)報(中國照明工程二十年專刊),2012,23(S1):102-107.

[3] Kuller, R., et al. The impact of light and colour on psychological mood: a cross-cultural study of in door work environments[J].Ergonomics, 2006, 49(14):1496-1507.

[4] 張騰霄,韓布新. 照明與心理健康[J]. 照明工程學(xué)報,2013,24(S1):27-30.

[5] 黃海靜.大學(xué)教室照明中的光生物效應(yīng)研究[D].重慶:重慶大學(xué),2010.

[6] 楊春宇,梁樹英,張青文.光照對季節(jié)性情感障礙的治療研究[J].燈與照明,2012,36(2):1-4.

[7] 葉峰,張治華.智慧照明及其在蘇州市的應(yīng)用實踐[J].照明工程學(xué)報,2013，24(4)：44-47.