具有雙向?qū)W習(xí)能力的智慧閱讀燈功能設(shè)計(jì)

衛(wèi)邦強(qiáng)，董玉漢，鄒念育，王智森

(大連工業(yè)大學(xué)，信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116034)

具有雙向?qū)W習(xí)能力的智慧閱讀燈功能設(shè)計(jì)

衛(wèi)邦強(qiáng)，董玉漢，鄒念育，王智森

(大連工業(yè)大學(xué)，信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116034)

為了閱讀燈能夠?qū)崿F(xiàn)對使用者身體健康的保障和作業(yè)效率的提升，通過對光生物效應(yīng)的研究，提出雙向?qū)W習(xí)模型并進(jìn)行智慧閱讀燈的功能設(shè)計(jì)。使用CLA和C/P評價(jià)模型對一天中的自然光作用于人體的光生物效應(yīng)進(jìn)行量化分析，并得出CS值和C/P值的動(dòng)態(tài)比例范圍，通過建立雙向?qū)W習(xí)模型，進(jìn)行智慧閱讀燈功能設(shè)計(jì)，保障在閱讀燈下作業(yè)的使用者的健康并提高作業(yè)效率。為健康高效的閱讀燈智慧照明研究提供理論依據(jù)。

光生物效應(yīng)；雙向?qū)W習(xí)模型；智慧閱讀燈；功能設(shè)計(jì)；健康高效

引言

閱讀燈作為相對獨(dú)立空間下的照明載體，除了具備照明功能外，還將成為人與自然在信息空間中的深度交互終端。閱讀燈的功能逐漸體現(xiàn)出人性化、個(gè)性化和智能化的特點(diǎn)，即智慧化。智慧閱讀燈的作用主要是對使用者的身心健康保障和作業(yè)效率的提升。

光對于人體的影響可分為視覺效應(yīng)和非視覺效應(yīng)，其中光信號作用于本征視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(ipRGCs)參與人體激素分泌、生理特征變化等過程，并將這一過程稱為光生物效應(yīng)[1-2]。

光生物效應(yīng)不直接受控于作業(yè)環(huán)境中的照度，而是由進(jìn)入人眼的光線控制[3]，與光環(huán)境中的光照強(qiáng)度、色溫、光譜功率分布、空間分布、接受光照時(shí)刻和持續(xù)光照時(shí)間具有直接關(guān)系[4]；人體血液中的褪黑素和皮質(zhì)醇濃度是不同照明環(huán)境下生理狀態(tài)的重要指標(biāo)[5]；照度為500 lx、色溫為4 500 K的LED照明環(huán)境[6]是相對最佳的學(xué)習(xí)和辦公環(huán)境。

本文首先選擇CLA和C/P[7-9]兩種評價(jià)模型對自然光作用于人體的光生物效應(yīng)影響進(jìn)行量化分析，并以此為基礎(chǔ)提出雙向?qū)W習(xí)模型，根據(jù)雙向?qū)W習(xí)模型進(jìn)行智慧學(xué)習(xí)燈的功能設(shè)計(jì)。

1 實(shí)驗(yàn)測試及分析

人類自演化以來，長期適應(yīng)自然所形成的晝夜節(jié)律與人體的健康息息相關(guān)。“日出而作，日落而息”的社會(huì)活動(dòng)和相關(guān)行為的時(shí)間規(guī)律是人類健康生活、高效作業(yè)的前提和保障，為綠色照明研究提供了本質(zhì)性的參考。自然光是晝夜節(jié)律最穩(wěn)定的激勵(lì)因素，本文選擇對自然光進(jìn)行測量并使用評價(jià)模型量化自然光作用于人體的光生物效應(yīng)的影響。

1.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本文選擇對本地夏天某日，室內(nèi)無人工照明條件下，日出、日落期間每整點(diǎn)時(shí)刻的自然光光譜功率分布(Spectral Power Distribution, SPD)數(shù)據(jù)和照度進(jìn)行測量。實(shí)驗(yàn)環(huán)境數(shù)據(jù)如表1所示。

由于測量時(shí)天氣晴朗多云，故色溫值整體較高，除日出時(shí)刻外，其余時(shí)刻均在5 000 K以上。此外，還測量了晚上8點(diǎn)時(shí)無室內(nèi)人工照明狀態(tài)條件下的光譜數(shù)據(jù)和照度值。

表1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境數(shù)據(jù)

1.2實(shí)驗(yàn)分析原理

圖1 三種光譜靈敏度曲線Fig.1 Three spectral sensitivity curves

本文選擇CLA評價(jià)模型和C/P評價(jià)模型，以此量化分析自然光的作用于人眼的光生物效應(yīng)。

1.2.1 CLA(晝夜刺激)評價(jià)模型

CLA評價(jià)模型由Rea團(tuán)隊(duì)在2005年提出，本文采用的是經(jīng)過其改進(jìn)之后的評價(jià)模型，如式(1)～式(3)所示。該模型基于人眼視網(wǎng)膜的神經(jīng)解剖學(xué)和神經(jīng)生物學(xué)，旨在量化光源在角膜處的光譜輻射分布，即人眼對于光源的靈敏度。

式中k=0.261 6；ab-y=0.620 1；arod=3.234 7；Pλ為光源光譜輻射功率分布；Mcλ為視黑素靈敏度曲線；Sλ為基于S-錐體細(xì)胞的靈敏度曲線；mpλ為黃斑區(qū)色彩透過率。

1.2.2C/P評價(jià)模型

C/P評價(jià)模型是通過參考光通量的計(jì)算方法，以計(jì)算光生物效應(yīng)的等效光通，利用C/P值來評價(jià)光源的光生物效應(yīng)的強(qiáng)弱，如式(4)、式(5)所示。

式中，Φc為等效的光生物效應(yīng)通量；Kc為非視覺光通下的最大光譜光效函數(shù)，Kc=3 616。

1.2.3 分析方法

從上述兩種光源光生物效應(yīng)量化分析模型中可以看出，測得光源的Pλ(SPD)即可得出所需的CS值和C/P值。

1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)前文所述的評價(jià)模型對自然光數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后結(jié)果如圖2所示。

圖2 CLA和C/P模型的相對值變化曲線Fig.2 The variation curves of relative valus between CLA and C/P

從計(jì)算結(jié)果以及圖2看出，CS值和C/P值曲線相似，在日出后呈現(xiàn)上升趨勢；在18點(diǎn)后開始呈現(xiàn)下降趨勢；在7點(diǎn)至17點(diǎn)區(qū)間內(nèi)，CS值處于穩(wěn)定狀態(tài)，極值差距小于0.048，C/P值在除上午8點(diǎn)和9點(diǎn)外，也處于穩(wěn)定狀態(tài)，極值差距小于0.68，8點(diǎn)和9點(diǎn)時(shí)的C/P值有一定程度的上升。該實(shí)驗(yàn)所采用的方法可為人工照明條件下模擬日間自然光提供參考，也將作為本文中智能調(diào)光功能的基礎(chǔ)進(jìn)行智慧閱讀燈的功能設(shè)計(jì)。

2 雙向?qū)W習(xí)模型

根據(jù)前面的理論和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，提出以閱讀燈為主體的雙向?qū)W習(xí)模型，建立人與自然和諧的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 雙向?qū)W習(xí)模型Fig.3 Bidirectional learning pattern

從光的角度考慮，物理空間的差異性主要體現(xiàn)在地理和氣候的區(qū)域特征(異地)與光照、天氣、時(shí)間、季節(jié)的易變性(同地)；而個(gè)體的差異性主要體現(xiàn)在年齡和性別的不同，以及血液中褪黑素濃度、心率、瞳孔大小、體溫等具體的生理特征差異。

雙向?qū)W習(xí)模型的核心價(jià)值是為物理空間的差異性和生命個(gè)體的差異化特征，以光為主體建立一座信息化橋梁。光作為一種儲(chǔ)媒，成為連接人與自然的媒介，使得閱讀燈終端能夠成為人與自然在物理空間和信息空間中的深度交互的節(jié)點(diǎn)。閱讀燈終端作為信息空間的交互點(diǎn)，結(jié)合前文理論和實(shí)驗(yàn)分析結(jié)論，以光的輻射通量與SPD為變量、照度和色溫為主要輸出，進(jìn)行智慧學(xué)習(xí)燈功能設(shè)計(jì)。

3 智慧閱讀燈的設(shè)計(jì)

智慧閱讀燈的功能業(yè)務(wù)層主要包括：人體生理狀態(tài)檢測、環(huán)境狀態(tài)檢測、智能調(diào)光和其他需求，智慧閱讀燈-功能結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 智慧閱讀燈-功能結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Intelligent table lamp-function structure diagram

3.1功能業(yè)務(wù)層

1)人體狀態(tài)檢測功能。該功能的主要作用是通過外部設(shè)備采集人體心率及呼吸數(shù)據(jù)，與人機(jī)交互功能下的信息顯示裝置聯(lián)合，可實(shí)現(xiàn)使用者對身體狀態(tài)便攜式感知和作為主動(dòng)調(diào)整作業(yè)狀態(tài)的信號，是實(shí)現(xiàn)閱讀燈個(gè)性化的基礎(chǔ)。

2)環(huán)境狀態(tài)檢測功能。該功能是實(shí)現(xiàn)閱讀燈人性化的重要組成部分。主要檢測光環(huán)境(照度、SPD)數(shù)據(jù)，空氣循環(huán)流通數(shù)據(jù)和溫濕度數(shù)據(jù)。其中光環(huán)境數(shù)據(jù)作為照明調(diào)節(jié)的依據(jù)和參考；空氣循環(huán)流通和溫濕度檢測主要是作為使用者對外部環(huán)境的狀態(tài)識(shí)別。該功能和人體狀態(tài)檢測功能組成最基本的信息輸入，是實(shí)現(xiàn)智能化的基礎(chǔ)。

3)智能調(diào)光功能。該功能是閱讀燈智能化的重要體現(xiàn)。智能調(diào)光功能滿足系統(tǒng)照明自調(diào)節(jié)和人為主觀自調(diào)節(jié)。

4)其他功能。閱讀燈作為人與自然在物理空間和信息空間的深度交互節(jié)點(diǎn)，具有對于信息空間的信息交流能力。該部分的功能主要滿足人為主觀下的需求，例如對相關(guān)歷史數(shù)據(jù)(如心率、體溫)的讀取或者在互聯(lián)網(wǎng)端搜索相關(guān)信息。

3.2數(shù)據(jù)信息層

智慧閱讀燈功能的數(shù)據(jù)流關(guān)系圖如圖5所示。

圖5 智慧閱讀燈-功能關(guān)系圖Fig.5 Intelligent table lamp-function relationship diagram

數(shù)據(jù)流分為三個(gè)模塊：數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)輸出。其中，數(shù)據(jù)輸入由人體生理狀態(tài)檢測裝置、環(huán)境狀態(tài)檢測裝置以及其他需求信息輸入裝置共同構(gòu)成；數(shù)據(jù)處理由MPU(微處理器單元)執(zhí)行，其主要功能是完成智慧系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整理計(jì)算和任務(wù)執(zhí)行決策；數(shù)據(jù)輸出由智能調(diào)光裝置和視聽裝置組成。

3.3網(wǎng)絡(luò)層

電子邏輯信息空間(以互聯(lián)網(wǎng)為代表)作為人類的“公共外腦”[10]，很大程度上減輕了人腦對于碎片信息的存儲(chǔ)記憶。

由功能業(yè)務(wù)層產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可選擇性的存儲(chǔ)至網(wǎng)絡(luò)層或者反向選擇下載部分?jǐn)?shù)據(jù)。互聯(lián)網(wǎng)端的存儲(chǔ)服務(wù)和遠(yuǎn)程通信功能可提高智慧閱讀燈的運(yùn)行效率，便于完善以及更好的為使用者提供便利。

4 總結(jié)

本文從照明的光生物效應(yīng)出發(fā)，通過測量一天中自然光的SPD和照度等數(shù)據(jù)，使用CLA和C/P評價(jià)模型對不同時(shí)段的自然光作用于人體的光生物效應(yīng)進(jìn)行量化分析，得出了動(dòng)態(tài)比例范圍，可以此作為人工照明模擬自然光的參考指標(biāo)。

根據(jù)以上這些內(nèi)容提出了雙向?qū)W習(xí)模型，以閱讀燈為主體，光儲(chǔ)媒的兩端連接起人和自然環(huán)境，并以此模型進(jìn)行了智慧閱讀燈功能設(shè)計(jì)，使閱讀燈可成為人與自然在信息空間的深度交互終端。本論文的研究內(nèi)容可為閱讀燈的智慧照明研究提供了理論研究思路和依據(jù)。

[1] BERSON D M, DUNN F A, TAKAO M. Phototransduction by Retinal Ganglion Cells That Set the Circadian Clock[J]. Science, 2002, 295(5557):1070.

[2] 周曉明, 徐嘉彬, 邵志棟. 光生物節(jié)律因子計(jì)算模型的研究[J]. 光子學(xué)報(bào), 2015, 44(2):217001.

[3] BOMMEL W J M V. Non-visual biological effect of lighting and the practical meaning for lighting for work[J]. Applied Ergonomics, 2006, 37(4):461-466.

[4] PECHACEK C S, ANDERSEN M, LOCKLEY S W. Preliminary Method for Prospective Analysis of the Circadian Efficacy of (Day) Light with Applications to Healthcare Architecture[J]. Leukos,2013, 5(1):1-26.

[5] 崔哲, 郝洛西, 林怡. 晝夜節(jié)律生理機(jī)制最新國際研究動(dòng)態(tài)[J]. 照明工程學(xué)報(bào), 2014,25(3):4-12.

[6] 牛萍娟, 方晶璐, 田會(huì)娟,等. 基于光生物效應(yīng)的LED辦公照明環(huán)境研究[J]. 照明工程學(xué)報(bào), 2014,25(4):23-28.

[7] REA M S, FIGUEIRO M G, BIERMAN A, et al. Modeling the spectral sensitivity of the human circadian system[J]. Lighting Research & Technology, 2012, 44(4):386-396.

[8] 居家奇, 陳大華, 林燕丹. 照明的非視覺生物效應(yīng)及其實(shí)踐意義[J]. 照明工程學(xué)報(bào), 2009, 20(1):25-28.

[9] BELLIA L, SERACENI M. A proposal for a simplified model to evaluate the circadian effects of light sources[J]. Lighting Research & Technology, 2013, 46(5):493-505.

[10] 張龍, 劉俐, 杜薇薇,等. 基于觀測者視角的信息外構(gòu)[J]. 情報(bào)學(xué)報(bào), 2016, 35(8):817-825.

FunctionDesignforIntelligentLearningLampwithBidirectionalLearningAbility

WEI Bangqiang, DONG Yuhan, ZOU Nianyu, WANG Zhisen
(SchoolofInformationScienceandEngineering,DalianPolytechnicUniversity,Dalian116034,China)

In accordance with analysis and research of the photobiological effects, this paper submits a bidirectional learning pattern and intelligent table lamp, which aims to protect the user’s health and improve the user’s working efficacy. It quantitatively analyzed the photobiological effects by natural light through CLAandC/Pevaluation modules and calculated the CS andC/Pvalues in the proportion of dynamic range. The bidirectional learning pattern was constructed which was the precondition to design the function of the intelligent system of a table lamp to achieve the core target. Above all, this paper provides the theoretical reference for researching of table lamp on intelligent lighting which aims to achieve health and efficiency.

photobiological effects; bidirectional learning pattern; intelligent table lamp; function design; health and efficiency

TM923.44

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.05.014