照明控制技術的進展

方 景，邴赫亮，肖 輝

(同濟大學電子與信息工程學院，上海 201804)

1 概述

1787年瓦特發明離心式調速器——蒸汽機的速度調節，被認為是自動控制技術走向大規模應用的一個標志性事件，研究控制理論成為社會一大需要。自此控制理論的發展主要經歷了三個階段。第一階段為以反饋理論為基礎的經典控制理論階段，只能解決單輸入-單輸出的線性定常系統問題；第二階段為現代控制理論階段，主要解決多輸入——多輸出系統問題，不僅針對線性定常系統而且對非線性時變系統也提出了很好的解決方案；第三階段則為智能控制階段，結合人工智能技術以及智能算法，對復雜系統進行控制，智能控制是當今國內外的一個十分活躍和具有挑戰性的領域，代表著現今科學和技術發展的最新方向之一。1879年愛迪生發明白熾燈，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，需要光環境帶來更加豐富的體驗與藝術享受，更加注重節能環保與健康。進入二十一世紀后，網絡化、信息化成為時代的主流，結合控制學科的發展，為人們的這些追求提供了實現的手段[1]。

2 照明控制的研究和應用

控制理論與技術的研究及應用的不斷進步，促進了照明控制的發展和應用。與控制理論的三個發展階段相適應，照明控制也經歷了三個階段：以手動為主要控制方式的傳統照明控制、以數字控制技術為基礎的自動照明控制以及以計算機技術、通信技術、自動控制技術為基礎的智能照明控制，如今已經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 照明控制與節能

隨著全球能源危機的爆發，綠色照明、低碳照明勢在必行，甚至提出實現零能耗。照明控制在照明節能中起著至關重要的作用，是實現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光控制。調光控制經歷了可變電阻調光、調壓器調光、可控硅調光和脈寬調制技術(PWM)調光，調光控制可節省大量的電能[2]。

近年來，在室外道路照明中，采用照明控制技術，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，達到節能效果。隨著LED光源技術的發展、效率的提高以及價格的降低，更加易于控制、驅動和調光，為照明節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，按不同時段調光，節約能源；在辦公等空間智能感知有人與否、實現按人使用燈的行為定時等自動調光，滿足不同人的照明需求，營造舒適、節能的光環境。

室內照明控制不僅針對單一系統，還實現了集成其他多個系統，協同節能的最優控制。同濟大學自2010年開始，連續三年參加美國能源部發起的“國際太陽能十項全能競賽”，旨在打造“零能耗”建筑。首先，室內的燈具可連續調光，并與遮陽系統進行聯動，可自由選擇由天然采光補充照度或由人工照明增加室內照度。其次，根據不同情境的需要，照明系統設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，照明控制系統與其他控制系統(空調、熱水、通風等)高度整合，集成于同一個大的控制系統，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，從而實現全局監控詳細的能耗分布，實時測量和統計各用電回路能耗情況，實現零能耗。

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

2.2 照明控制與健康

社會的發展進步使人們越來越關注照明與人體健康之間的關系，人們不僅僅要求有燈就行，更需要自然、安全、舒適、健康的光環境。研究表明：人類在進化過程中形成了許多適應光照的機制，照明對人的生理和心理影響顯著[3]。光主要通過神經系統影響人們的生理功能，如生物節律、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節作用，照度和色溫又有交互作用[4]，研究者模擬教室的研究發現中高色溫條件下，被試的學習能力提高，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，光療已經成為應對季節性情感障礙(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系。人們利用照明控制，通過調節人工光源的輸出光通量和色溫，對人的生理和心理進行調解，提供最健康的照明環境。

自然光具有光強高、方向性好及顯色性好等諸多優點，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動控制策略將更符合“以人為本”的設計理念。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；根據晝光投射到窗上的垂直照度分布，預測室內自然光照度分布，控制電動窗簾的敞開度和室內人工照明的照度水平，以形成健康、節能、舒適的照明空間。

要合理控制窗簾的敞開度和室內人工照明的照度，必須科學地預測室內自然光的照度分布。由于自然光本身的多變性和辦公空間的多變性給適時預測室內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合控制系統。

圖2 人工照明與天然采光聯合控制系統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框圖Fig.3 Smart blinds control system based on two-dimensional fuzzy control algorithm

研究者以同濟大學嘉定校區圖書館為例，為了達到遮陽百葉的葉片角度對采光、通風以及視線遮擋等方面的綜合性最優的結果，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，如圖3所示。設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的一個輸入參數，通過二維模糊控制算法的智能遮陽控制系統來控制百葉角度調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，節約相應的能耗，實現圖書館照明的人性化與智能化。

2.3 照明控制與管理

城市照明監控系統是照明控制技術應用的最廣泛也最為成功的范例。隨著城市建設的開展，城市跨度增大，照明控制器數量劇增，因此對城市照明設備的控制管理顯得尤其重要。傳統的照明控制通常采用定時器或光控器，讓不同區域以預定狀態亮滅，但是無法實現實時控制，不便于遠程監控和管理，這樣經常會造成出現故障無法及時維修。隨著通訊技術和計算機技術的發展，利用計算機借助一定的通信方式，例如GPRS、3G技術等，可以對全市各個區域、路段、景觀照明箱式變電站、配電柜、控制柜等，從測控系統集中實現智能數據采集和監控，即監督控制和數據采集系統。通過城市監控系統，可以結合不同地區的氣候、日出日落、季節等自然因素，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，實現有效節能。除此之外，有效的實時監控可以及時發現安全故障，及時更換維護設備，使損失以及不便降到最低，是城市管理部門實施科學管理必不可少的技術支持和有效的途徑。

3 照明控制技術的最新進展

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、生活質量和保障、交通安全、業余活動和生活享受，重要的是滿足人的生理日夜節奏。隨著智能控制技術的迅猛發展，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，而應該將照明控制理解為能對照明環境產生影響的各個環節。目前室內采用新型LED光源和燈具的智能動態照明系統，可根據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節，輸出照度可控，其色溫亦可調，實現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”，營造舒適的光環境。

3.2 智能化照明

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

圖4 智能照明控制系統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展應用的一個新的發展方向，是綠色照明在智慧城市中最佳的實踐。其通過應用先進、高效、可靠的電力線載波通信技術和無線GPRS/CDMA通信技術等，實現對路燈的遠程集中控制與管理，具有根據車流量自動調節亮度、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，能夠大幅節省電力資源，提升公共照明管理水平，節省維護成本。[7]

4 總結與展望

本文著重介紹了照明控制與技術的最新研究成果、應用領域以及發展趨勢。眾所周知，照明控制的終極目標是科學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，得出合理的結果。隨著大數據云計算與服務技術的進一步成熟，對人用燈行為進行數據采集和分析成為可能，這必將為照明控制帶來更優化的控制與決策方案。另一方面，隨著人們對照明節能和視覺舒適之間平衡點的深入研究，既滿足節能又符合健康的人性化照明，集網絡化、個性化和智能化于一體的照明控制技術將應用得更為廣泛。同時，現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合，并將圖像處理、電力載波等技術更大程度的引入照明控制中，獲取更準確的控制效果，真正實現智慧照明。

[1] 張鈺唯,葉煒,許煜.照明控制技術的發展及應用現狀[J].照明工程學報,2010,21(2).

[2] 邴赫亮,肖輝.照明控制及發展綜述[J].照明工程學報(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]. 照明工程學報,2013,24(S1):27-30.

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

[6] 楊春宇,梁樹英,張青文.光照對季節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用實踐[J].照明工程學報,2013，24(4)：44-47.