智能照明系統及其使用案例和工業應用潛力分析

姚傳山 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230031）

1 概述

在過去的幾十年中，二氧化碳排放量不斷增加，這被認為是造成溫室效應的關鍵因素。生產和物流設施由于其高能量需求而在這些排放中占很大份額。在此類設施中使用的大部分能源是通過供暖、制冷、空調和照明設備消耗的。較早的研究表明，照明在倉庫中的能耗占總能耗的65%，因此，降低照明的能耗可以極大地降低能源成本。面對降低環境影響的社會壓力，很多公司正在尋找使工廠綠色環保的新方法。那么，通過節省大量能源的現代照明系統就可以實現綠色運營。

除了照亮工作場所外，現代照明系統還可以通過各種方式促進工作生活并為人類工作提供支持，其潛力遠不止節能。但是，許多公司仍未完全意識到現代智能照明系統所帶來的好處。因而，本文概述了智能照明系統以及與這些系統相關的潛在好處。然后，我們提出一些用例，來突出說明智能照明如何降低能源成本并改善倉庫等工業環境中的操作流程。

2 智能照明系統的構成

隨著諸如發光二極管（LED）的新照明技術的發展，住宅、辦公室和街道照明的創新應用已經在市場上出現。由于其多功能性和低能耗性，現代照明系統通常依賴于LED。此外，LED具有各種控制選項，可用于使照明“智能”。

智能照明系統基于LED的電氣控制。它們使光源聯網，并使用傳感器將光強度調整為外部因素，例如日光或用戶的行為。智能照明系統是環保的，并且其可改善照明設備的功能安全性。

LED是大多數智能照明系統的核心。它們的主要優點是，與傳統的燈泡相比，它們需要的能量要少得多。例如，對于家庭或街道照明，LED的發光效率約為100 lm/W，而在工業應用中則高達200lm/W。它們的壽命從50,000到100,000多個小時不等。相比之下，白熾燈泡的功率約為15 lm/W，熒光燈的功率約為100lm/W，并且預期壽命比LED短得多。除了節省能源外，LED還提供了改進的光色和光譜適應性，以及與位移量無關的強大的魯棒性和穩定性。同時，LED在較低的環境溫度下效率更高，并且不會導致熱輻射，與傳統的光源相比，這共同導致維護成本降低。同時LED燈具可以適應客戶的特定要求，也可以作為常規燈具生產。

除了光源本身，照明質量還取決于幾個因素，例如安裝高度、照明設備的間距、照明角度和表面特性。照明控制可以幫助減少能源消耗，防止能源浪費并增加視覺舒適度。控制照明的一種流行方法是通過運動或傳感器來檢測運動，因此能夠觀察空間是否被占用。根據該信號，系統通過打開/關閉燈或降低/增加照明強度來調整照度級別。類似地，日光傳感器用于提供其他人造光（如果需要）以達到用戶要求的照明水平。傳感器控制的光可降低能耗，并在不限制安全性或功能的情況下，根據用戶的需要單獨調整光的條件。對此類系統進行仿真或觀察其在實際應用中的性能的研究表明，基于占用的照明控制可能會節省17%到60%的能源，而據報道，日光傳感器可以節省超過10%的能源。與傳統照明相比，能耗降低了40%。同時使用兩種類型的控制系統，可以平均節省13%至73%。影響節能的其他因素包括窗戶的尺寸和方向、可用的日照時間以及使用的模式等。據報道，迄今為止，在辦公樓里節省的能量最高。

由于互聯網的能力，將智能照明系統集成到現有的建筑物管理技術中成為可能，因此可以對其進行集中監控和控制。這有助于通過傳感器檢測由于污染或老化而導致的LED瞬時功率下降。該數據可用于更準確地定義維護間隔，這也有助于減少因中斷而導致的計劃外維護操作。另外，持續監控照明系統的智能維護工具可以用來識別錯誤的來源以及其他基礎設施可能帶來的后果。

除了上述效果之外，由于可見光通信（VLC）技術，智能照明系統還支持無線網絡訪問。VLC使用光電二極管檢測信號的發射器（例如LED），傳播通道和接收器（例如智能手機或平板電腦）。按照調制方案，LED會快速打開或關閉，以使用強度調制來傳輸數據。由于發送器和接收器之間的通信只能在視線內進行，因此需要相應地布置LED。該技術提供了高度的數據保護，因為只有視線內的接收器才能接收信號。VLC還可以在無線信號受到干擾的地方使用，并且與類似的無線技術相比，VLC不會發出輻射。基于此技術的直接應用是基于VLC的室內定位系統（IPS）。室內定位或定位旨在確定對象或個人的空間位置。不過準確的定位是有一定難度的，現有的全球定位系統（GPS）不適用于許多室內應用。因此，已經有開發出了使用諸如Wi-Fi的射頻（RF）系統對對象進行定位的技術解決方案。與基于GPS或其他基于RF的系統相比，基于VLC的IPS使用建筑物的照明基礎設施可以實現更準確的定位。

下面我們就智能照明在住宅、辦公室以及街道的應用展開討論。

3 辦公室、住宅建筑和街道中的智能照明系統

迄今為止，智能照明系統在辦公中的應用吸引了大量關注。那么，在辦公室中提供最佳的照明條件是一個復雜的問題。在辦公室中，光量的簡單增加并不一定會提高計算機顯示器的可視性，而通常會提高（紙質）文檔的可讀性。自動控制系統可以根據日光和占用率提供可調節的光線，以滿足不同的用戶需求。在辦公室中，基于傳感器的照明是控制光以達到適當照明水平并節省能源的重要工具。此外，這種照明可以提高員工的注意力、創造力和績效。因此，照明控制會影響整個房間或僅影響單個工作場所。并且將色溫適當的調整可顯著提高員工的生產率。例如，冷卻后的白光和色溫的顯著增加，可以為休息后員工的注意力和集中精神提供了條件。

住宅環境中的智能照明系統可通過同時考慮照明控制和可再生能源的產生（例如來自太陽能系統或熱泵的方式）來幫助節省能源。能源管理系統可以控制能流以平衡能源供需。在智能家居環境中，智能照明系統由于其提供的各種功能可以為用戶的日常生活提供支持。智能家居技術使多個設備（例如智能手機）可以無線訪問家庭網絡，并且它們可以使其中一些設備彼此通信。當前市場上可用的大多數智能家居技術都在RF頻譜中運行。缺點是在用戶數量眾多和系統安全性較差。那么，VLC系統可以作為家庭網絡的數據傳輸和無線訪問的替代方案。鑒于光線無法穿透墻壁，這種形式的數據通信可以防范未經授權的外部訪問。此外，與傳統的基于RF的技術相比，VLC還提供了更高的數據傳輸速率。

除了室內應用之外，以街道照明為重點的室外照明也是使用智能照明系統的領域。在這里，照明條件取決于許多因素，例如照明設備的類型、光斑的安裝高度、最佳照明設備間距或路面特性。智能照明系統可以借助傳感器和數據測量來調節光線，從而提供更好的照明條件，并且它們可以改善整體視覺性能和舒適度，還可以節省能源。在這種情況下，僅在檢測到用戶的情況下打開路燈，同時將亮度調整到給定條件，才能對運動和占用進行檢測。除了減少能源消耗外，這樣減少了光污染，可以為生態可持續性做出重要貢獻。

4 工業環境中智能照明的潛力及相應優勢

不過令人驚訝的是，迄今為止，工業上使用智能照明系統的潛力尚未引起很多關注。智能照明解決方案在解決與行業相關的問題方面的潛力難以一一列舉，由于其同質性更高，因此對于辦公室或住宅建筑物而言，這要容易得多。在工業中，最佳照明條件取決于具體活動。例如，生產區域，質量控制和訂單挑選有時需要很高的照度水平才能進行視覺工作，在許多情況下，這些水平遠高于規定的最小值。例如，對于涉及小物件的工作，除了常規的房間照明外，還可以使用特殊的工作場所照明。特殊的工作場所照明為視覺工作的定義區域提供了額外的照明。工作場所照明對于質量控制尤其重要，常規的房間照明通常不足的地方，工作站有時被諸如大型機器或工件之類的物體遮蔽的地方。必須根據要檢查的產品量身定制照明，并考慮其表面結構、顏色、反射、尺寸以及檢查過程的持續時間。對于光滑或透明物體的檢查，漫射、均勻且無陰影的光線可提供良好的工作條件，其中從多個角度定向照明可更容易檢測由于陰影效應而導致的表面結構的劃痕和裂縫。LED的適應性使其可以根據使用情況滿足應用要求。

除了便于處理小物體之外，良好的視覺條件還有助于防止車間發生事故。有數據表明，正常房間或特殊工作場所的照明在生產區域提供充足的光線，可以提高工作準確性和產品質量。從我們所討論的應用看，照明器需要具有防潮、防塵、防振和溫度變化的功能，并且可能必須滿足最高的衛生標準，尤其是在食品工業中。

通常，工程經理的一個目標是通過考慮特定的操作要求和人力資源方面來重新設計工作區域，以提高生產率、質量和安全性。他們降低生產和物流設施能耗的最簡單方法是用LED改造現有的照明系統，這也是使用智能照明控制系統的良好起點。智能照明系統使公司能夠提供根據工人需求調整的光強度。根據生產和物流設施中可用的日光量或根據工作人員的在場情況，可以調整人造光以提供所需的照明水平。另外，可以設置照明區域和輪廓以滿足每個工人的個性化需求，這可以輕松地適應布局更改，而無需更改照明組件。LED可以產生不同的照明水平和色溫，以促進工人的健康，并改善操作性能。通過進一步考慮人員需求，可以通過使照明適應工人的日常節奏來減少輪班工作的負面影響。

以基于簡單的開關來控制倉庫中的傳統照明系統為例，在倉庫運轉時，通常會完全打開燈，這就導致區域照明，即使倉庫工人當前未使用這些區域，也會導致不必要的能源成本。在倉庫中，可以在每個過道中使用傳感器來檢測工人的存在并相應地調節照明。根據外部因素和工人的行為，可以調節照明水平以提供所需的光。

通過使用VLC可實現設施節能、穩定和快速的數據傳輸。基于現有的LED照明，VLC可以集成到照明系統中，并用于Wi-Fi受到干擾的地方，例如，建筑物或使用中的設備。VLC的潛在用途表現在揀貨倉庫中，手持設備可以通過VLC技術在預定區域中接收數據。這就能保證只有被授權接收相關信息的員工才能訪問該信息，因為只有視線中配備有必要工具或訪問代碼的接收器才能接收數據。結果，VLC提供了強大的數據安全性并確保了高水平的數據保護。

VLC還可以支持室內定位應用，例如，跟蹤訂單揀選人員和倉儲設備的位置。該信息可用于指導工人穿越倉庫，以最短的距離到達所要求的物品，或者在其他訂單到達倉庫時實時更新行程。結合照明控制，位置數據可用于僅照亮工人所在的那些過道。例如，在倉儲環境中使用智能照明系統將直接降低能耗，也可能有助于降低運營成本。最后，根據收集到的位置數據創建倉庫熱力圖，還可以幫助分析過道的使用情況。

智能照明系統具還有多方面的優勢，其重要性可能會根據應用程序的特性而有所不同。例如，在辦公室、生產車間和倉庫中，這些系統可以發揮其全部特點，例如在車削和銑削過程中以高精度工作。除了室內應用之外，智能戶外照明系統還可以用于導航、事故預防和減少犯罪。不過在其他地區，例如交貨和裝載地點，通常以人員大量出入和頻繁的庫存調動為特征，智能照明的好處可能會降低（因為在這些區域中不需要個別的，特定于工人的照明區域）。

5 總結

本文介紹了智能照明系統及其在工業環境中的潛力，并參考了一些領域（如智能家居和辦公室）的一些見解。我們注意到，盡管改善照明條件應該是工程管理人員的重要目標，但迄今為止，在工業環境中使用智能照明系統尚未引起太多關注，因為這可以提高生產率，提高質量并減少事故發生。智能照明系統通過降低能源需求和提高工人的福利來進一步提高可持續發展目標，從而改善照明質量，它們還支持照明以外的應用。本文表明，將智能照明系統應用于工程管理，尤其是在質量控制、維護、手動生產或手動訂單揀選中，具有很大的潛力。盡管具有優勢，但智能照明系統尚未在行業中廣泛使用。這可能是因為社會尚未完全意識到智能照明系統可能提供的好處。因此，我們需要逐案評估此類系統的好處，使其能早日廣泛應用于各個領域中。