建筑內人員在室情況測量方法綜述

趙 斌 王貴強

沈陽建筑大學市政與環境工程學院（110168）

0 引言

目前我國經濟高速發展，在全世界處于領先的地位。而在這一過程中我國的能源消耗量也在逐年增加。 石化燃料的頻繁使用產生了大量的溫室氣體，在我國即將在2060 年實現碳中和的大背景下，降低能耗刻不容緩。在同一建筑物內不同房間中的人員在室規律并不完全相同，建筑內的空調系統若能與人員的在室規律相對應，將會大幅節約系統的能耗。 在室人數和時長是指在一段時間內，房間內人員總人數及停留的時長，在室狀態指房間內是否有人存在。 暖通空調系統在進行運行控制時，在室人數及時長影響了室內所需的冷熱負荷量，在室狀態則決定了系統的運行時長。 Yang[1]等人將在室人數信息和建筑內空調系統控制進行結合，改良后的方案可以節約近兩成的能耗。 因此，建立精確的在室人數信息可降低建筑能耗，對解決能源問題有重要的意義。

目前國內外研究者對人員在室情況進行了深入地研究，已有多種測量方法應用于實際的生產生活中。 這些方法的測量方式和應用場合各有不同，根據測量參數是否與室內人員相關，可將這些測量方式分為直接測量法和間接測量法。文章將基于這兩種分類，對現有的測量方法進行歸納分析，比較各種方式的優缺點，從而在后續研究遇到相應具體情況時可以進行合理的選擇。

1 直接參數測量法

直接參數測量法是利用與人員在室行為直接相關的參數進行測量。 主要包括圖像測量法，接觸測量法，紅外線測量法，Wi-Fi 信號測量法和超聲波測量法。

1.1 圖像測量法

圖像測量法的基本原理是利用建筑用戶的圖像信息來檢測室內的人員狀況，通常情況下使用攝像機或3D 深度探測器測得圖像信息后，對獲得的圖像進行處理得到在室人數、 人員位置及人員的活動軌跡等數據。 Petersen[2]等人利用房間入口處天花板上攝像機所記錄的紅外深度幀圖像， 對圖像進行多種技術處理， 檢測并記錄房間內在室人員的進出次數，從而計算出房間人數，試驗結果表明，這種方法檢測室內在室人數的誤測率低于1%。 Benezeth[3]等人在試驗房間的入口附近放置一臺攝像機來獲得室內的圖像信息，并在常見光環境中更新背景以實現變化檢測，對移動的物體進行跟蹤，最終根據得到的用戶圖像特征對圖像中物體進行識別。 圖像測量法最大的優點在于其檢測精確度高， 使用攝像機對室內人數及人員在室狀態等進行檢測可以獲得相對準確的數據，但是這種方法也存在一些問題，比方說對在室人員隱私的侵犯，因需儲存大量的圖像而對設備的要求較高，以及處理相關的圖像信息耗費時間較長等。

1.2 接觸測量法

接觸測量法是利用壓力傳感器檢測人員作用于室內物體的壓力變化情況，從而得出室內人數及人員活動狀態。 Labodan[4]等人通過在會議室的每個座位放置壓力傳感器，檢測座位的壓力變化來得出室內人數。 接觸測量法的優點是可以精確獲得接觸傳感器在室人員所在位置及活動軌跡，缺點是無法測得未與傳感器接觸的人員，故而無法得出確切的室內人數。

1.3 紅外線測量法

紅外線測量法是利用被動式紅外線傳感器（PIR），對附近的紅外熱輻射能量進行感知，從而判斷人員的活動情況。 Wahl[5]等人通過對PIR 傳感器的定位對整個辦公樓進行監測， 識別出室內人員的進出情況， 進而得出室內人數。 這種方法最大的優點是可以精準得知室內有人與否的情況， 而且PIR傳感器的成本較低， 測量方便。 其缺點在于計算誤差較大。 由于PIR 傳感器主要是通過輻射熱能進行感知，當人員距離傳感器較遠或傳感器被其他物體遮擋時便無法準確得出結果，容易做出錯誤的判斷。

1.4 Wi-Fi 信號測量法

Wi-Fi 信號測量法是利用室內人員連接Wi-Fi的情況得出人員數量，Wang[6]等人通過WiFi 信號強度建立事件觸發器與Wi-Fi 探針檢測信號，對某大型會議室的人員在室數量進行檢測，與傳統方式相比檢測精準度明顯提高。 這種方法的優點在于可以利用現有的設備進行測算，不需要添加其他試驗器材。 缺點在于存在一人擁有多臺移動設備以及設備低電量關機的情況，故而存在遺漏的情況，無法精確反映室內的人數。

1.5 超聲波測量法

超聲波測量法是通過超聲波傳感器感知區域內超聲波密度變化，從而獲得室內人員的位置和在室狀態。 該方法基于多普勒效應，人員靠近傳感器時頻率增加，遠離時則頻率減小。 Tarzia[7]等人利用超聲波傳感器，通過傳感器主動發射超聲波并接收反射回的超聲波判斷超聲信號密度變化，得到人員在室狀態及在室位置。 這種方法的優點是超聲波不受障礙物阻擋，可以相對準確獲得室內人員的信息情況， 缺點在于超聲波容易受到其他聲波的干擾，將室內其他設備產生的聲波錯誤的識別為人員，進而導致測量結果存在較大誤差。

2 間接參數測量法

間接參數測量法是利用與室內人員間接相關的參數進行測量。 主要包括室內環境參數測量法和建筑能耗測量法。

2.1 室內環境參數測量法

這種方法是通過測量室內環境參數變化來關聯室內人員情況，通常使用溫濕度傳感器及二氧化碳傳感器，測得室內溫度、濕度、二氧化碳濃度進行計算，從而得出室內人員數量。Chen[8]等人通過試驗房間的溫度、濕度、二氧化碳濃度等數據的實時變化，計算出辦公室在室人數范圍和在室狀態。 Candanedo[9]等人在房間各點放置溫濕度傳感器及二氧化碳傳感器，根據各個點位測得的溫度、濕度、二氧化碳濃度數據，使用線性判別分析、決策樹、隨機森林三種算法分別測算室內人員的在室狀態。 這種方法最大的優點是不與人員直接接觸，從而保障了用戶的隱私不受侵犯。 其缺點在于環境參數的采集具有一定的延遲，無法及時準確地反映室內實時的人員情況，而且二氧化碳的濃度易受門窗開啟等因素影響，難以得出準確的結果。

2.2 建筑能耗測量法

這種方法是通過用戶的電表測量室內電器的使用功率從而得出室內的人員情況。Kleiminger[10]等人對整幢居民樓的電表使用情況進行調查，利用所獲數據計算出樓內人員的在室情況。 這種方法的優點在于可以直接利用已有的設備進行測量，無須增加其他的測量設備，可以有效地節約成本。 且測量過程不接觸人員，不涉及用戶的隱私。 缺點在于無法對不使用電的用戶進行統計，測量所得結果的準確度較低。

3 結語

文章通過對不同的人員在室測量方法進行分析，將各種測量方法的優缺點進行了比較。 目前來看，建筑人員在室情況的測量方法、測量設備等方面的發展已經相對比較成熟，但怎樣根據各種測量方式的優點與實際應用相結合卻很少提及。 人員在室檢測方法和空調系統控制結合的方向上依然具有很大的發展空間，比如紅外線測量法可以確定室內人員是否存在，當室內沒有人時空調系統就可以停止運行，從而達到節能的目的。 而多種測量方式結合應用可以有效地降低測量誤差，比如紅外線測量和室內環境參數測量法結合使用，利用兩者各自的優點，既保證了即時性又實現了穩定性，這也是一個非常值得研究的方向。