個性化照明方法與系統設計實現

呂 驥

(北京智芯微電子科技有限公司，北京 102200)

引言

在目前的照明應用中，一般需要用戶主動操控各類照明設施，例如需要用戶主動控制開關面板、語音接口等，而且目前的照明一般對所有人都是“一視同仁”、無差別的。近年來，個性化照明已成為照明發展的一大趨勢[1,2]。朝著這個方向，研究者提出了一些個性化調光方法[3-5]、調節算法[6]等。但是尚沒有直接研究個性化照明的本質刻畫和建模，更沒有相關的實際系統及應用。本文提出了個性化照明的方法，并設計、實現了個性化智慧照明系統，采用人工智能和大數據處理技術，對于用戶個性化照明進行學習、建模，并能主動感知用戶和場景，應用個性化模型為用戶自動構建對她/他而言最恰當、舒適的照明環境。讓照明成為一種智慧服務，主動、智能地服務于人。

1 個性化照明方法

要研究個性化照明的本質，我們必須首先研究“個性化”背后的本質——人。每個人對于照明的喜好是大相徑庭的。同樣是看書學習的場景，有的人喜歡非常明亮的光線，有的卻覺得朦朧的光照最好。再比如飯廳用餐的照明，有的人喜歡冷色調的燈光，覺得這樣心情爽朗，有的人卻喜歡調到最暖的色溫，認為那樣才有家的溫馨。進一步，就同一個人而言，她/他在不同的時間、季節、外界光強等情況下，對于照明的感受和需求也是不一樣的。

為了刻畫這種“照明的個性化”，本文提出了個性化照明建模的方法，能夠為每個用戶建立針對于她/他的個性化照明模型。接著，本文應用這種個性化照明模型，能夠計算出不同情形下該用戶的照明需求，然后基于此智能地對環境中的燈進行個性化的照明調控，自動為其構筑一個最適宜她/他的個性化照明環境。

個性化照明建模方法歸納如下：

1)采集外界多種因素的度量，包括溫度、濕度、季節、時間、天氣狀況、外界環境光強、外界環境色溫等；

2)同時記錄用戶對于照明系統的使用數據，例如，用戶對于燈調節后的場景關鍵點照度、色溫、顏色等數據，以及不調節時候的享用數據；

3)通過機器學習、人工智能算法學習每個用戶的照明喜好和習慣，建立針對用戶單獨個體或用戶群體的照明模型。

個性化照明調控方法歸納如下：

1)根據個性化照明模型，在新的、變化的環境因素下，計算針對該用戶單獨個體或用戶群體的最合適的照明效果參數；

2)根據計算得到的照明效果參數，自動調節照明系統，為用戶構建一個適合于她/他的個性化的照明環境；

3)個性化照明建模和個性化照明調控并非截然分裂，而是可以有機地組合在一起，個性化照明模型可以在持續的調控過程中不斷迭代、優化。

由此，能夠實現無需用戶操控，照明系統便能自動、智能地為每個人自動構建最適宜她/他的個性化的照明環境。

2 個性化智慧照明系統架構

基于上述個性化照明建模方法和個性化照明調控方法，我們設計并實現了個性化智慧照明系統。

個性化智慧照明系統由個性化智慧照明管控平臺、智能網關、單燈傳感控制器、燈具以及照明相關傳感器等構成。整個系統邏輯上有3層架構和2層架構兩種架構形態。

對于3層架構，第一層為部署在云端或集中部署于本地的智慧照明管控平臺，第二層為部署于照明區域本地的智能網關，第三層為本地的燈具、單燈傳感控制器、分離式的照明環境傳感器以及面板、APP等系統-用戶界面。

個性化智慧照明管控平臺是整個智慧照明系統的中樞，它能實現多種功能，包括但不限于：對系統中的各類設備進行管理，對照明數據、傳感數據進行采集、存儲和分析，對用戶的照明語音控制命令進行個性化理解，對各個用戶的照明喜好進行智能挖掘、建模并進行個性化照明管理，對人體照明舒適度進行評價并針對提升舒適度進行照明調節等。

智能網關安裝在照明區域本地環境中，與本地單燈控制器、傳感器進行通信，采集照明、傳感數據，并向智慧照明管控平臺傳輸采集數據，同時接收智慧照明管控平臺的查詢、控制指令,在本地實現照明、傳感控制。

單燈傳感控制器安裝在燈具內或燈具旁,對單燈進行控制并感知環境狀況。照明環境傳感器可以根據系統感知的需要，進行分離式安裝部署，探測各類照明參數和環境參數。面板、APP等，作為靜態或者可移動的用戶界面，為照明用戶與照明系統互動提供接口。

相比于3層架構，2層架構的系統沒有第二個層次。第二個層面的各類終端與第一個層面的智慧照明管控平臺直接相連。采集的數據直接送入平臺，而平臺的控制指令也直接傳輸到燈、傳感器等。

3 個性化智慧照明管控平臺

3.1 個性化智慧照明管控平臺架構設計

基于個性化智慧照明的需求，在完備考察系統各個模塊之間的邏輯依存關系和研發、運營制約關系的基礎上，整個智慧照明管控平臺被水平地劃分為七層，它們分別是：硬件層、云計算資源管理層、大數據存儲與處理層、人工智能計算層、服務管控層、服務層、感知及控制層；同時，有兩個子系統貫穿這些層次，它們分別是安全子系統和運營監控子系統。圖1給出了整個個性化智慧照明管控平臺的總體架構。

3.2 個性化智慧照明管控平臺構成

個性化智慧照明管控平臺各個層面的設計如下：

1)云計算資源管理層負責對云計算資源池中各類計算資源進行高效管理，為整個系統的運行提供彈性可伸縮的計算能力，主要包括以下模塊：虛擬機生命周期管理，虛擬機映像管理，虛擬機遷移，物理機狀態監測和物理機管控。

2)大數據存儲與處理層負責對采集的各類照明數據、環境數據、用戶數據等進行有效地存儲和高效地處理、分析，主要包括以下模塊：關系數據庫存儲，非關系數據庫存儲，實時數據處理，離線數據處理和流式數據處理。

3)人工智能計算層采用多種人工智能范式和算法，為上層應用提供智能計算支撐，主要包括以下計算模塊：深度學習計算，增強學習計算，遷移學習，傳統機器學習和自然語言處理。

4)服務管控層為平臺上層的照明服務提供各類基礎性的管理控制支撐，主要包括以下模塊：用戶管理，服務監視，動態負載均衡，服務門戶和數據備份。

5)服務層負責實現具體的、用戶能夠感受到的智慧照明服務，主要包括以下應用服務模塊：語音照明控制，傳感數據采集，個性化照明喜好挖掘，個性化照明喜好記憶，個性化照明喜好遷移，人體照明舒適度評價和面向舒適度提升的照明控制。

6)以上為個性化智慧照明管控系統的云端平臺部分，在網絡的對端，與云平臺遙相關聯的是用戶端的感知及控制層，它由智能網關、智能燈具等組成，主要實現傳感數據的收集和照明控制的執行，主要包括以下功能模塊：照明數據感知，環境數據感知，傳感數據上報，本地互動和照明控制。

7)安全子系統負責從多個維度保障系統的安全運轉，主要包括以下模塊：身份認證，權限管理，訪問控制和安全審計。

8)運營監控子系統負責對系統運行進行全面監控，保障系統的穩定運行，主要包括以下模塊：系統日志集中記錄,日志分析與挖掘,反饋與調優和異常捕捉分析。

圖1 個性化智慧照明管控平臺總體架構圖Fig.1 Overall architecture of personalized smart lighting control platform

4 個性化智慧照明系統功能

基于上述設計，我們研發了個性化智慧照明管控系統，實現了對于用戶個性化照明喜好的提取、記憶管控和遷移管控等多項智慧照明功能。我們實現了用戶個性化照明建模和個性化照明調控工程化，能夠為用戶在不同的實際環境中，進行照明環境參數的智能預測和遷移，在不同的時間、場景、外界本底光強狀況下為用戶自動構建對于她/他個人最恰當、舒適的照明環境。

個性化智慧照明管控平臺分為個性化照明喜好提取記錄管理、個性化照明喜好記憶管控、個性化照明喜好遷移管控、照明舒適度評價及面向舒適度提升的照明管控等幾大功能模塊。它們共同實現了對于用戶個性化照明的全面管理。個性化照明管控的功能架構如圖2所示。

圖2 個性化照明管理功能架構圖Fig.2 Functional architecture of personalized lighting management

個性化照明喜好記錄管理功能實現了對于希望開啟個性化照明管理的每一名用戶的各種照明喜好的全面采集、存儲、查詢和展示等功能。

個性化照明喜好記憶管控功能實現了在不同場景中為用戶構建一個經智能模型計算出的相對于當前環境參數她/他曾經最喜愛的照明環境，該環境將由照明系統根據這名用戶所有照明歷史中相對于當前所有環境參數而言她/他覺得最喜歡的照明參數來自動構建。

執行個性化照明喜好記憶管控功能后，系統能夠查詢并展示為每一個用戶執行自動智能調控的歷次時間、場景、地點、當前的溫度、環境光照強度、場景關鍵點的本底光強、場景關鍵點的本底色溫、調控后的場景關鍵點光強和調控后的場景關鍵點色溫等全部信息。

個性化照明喜好遷移管控功能實現在不同場景中為用戶構建一個基于她/他照明喜好歷史的經人工智能模型計算出的在當前環境參數下最適合她/他的照明環境，該環境的照明參數由照明系統根據該用戶的所有照明喜好歷史數據以及當前的照明相關環境數據經人工智能模型計算得出，并且無需用戶手動調節照明控制面板等就能自動從平臺下發到各個燈具直接控制用戶當地的照明系統參數。

執行個性化照明喜好遷移管控功能后，系統能夠查詢并展示為每一個用戶執行智能遷移調控、為其智能計算新環境中最適合她/他的照明參數并以此自動調節照明效果的具體執行時間、實施場景、地點、當前的溫度、環境光照強度、場景關鍵點的本底光強、場景關鍵點的本底色溫、調控后的場景關鍵點光強和調控后的場景關鍵點色溫等全部信息。

5 結語

個性化照明是照明發展的一大趨勢。本文提出了個性化照明建模和個性化照明調控的方法，并設計、實現了個性化智慧照明系統，包括“云-管-邊-端”完整的體系架構，將用戶個性化照明工程化，并且，采用人工智能和大數據處理技術，能夠為每個用戶建立個性化照明模型，實現多種智慧照明功能。目前系統已經在北京、上海、江蘇等地開展了試點示范應用，系統運行穩定，所有指標達到預期設計目標。我們期望讓照明成為真正一種智慧服務，主動、智能地服務于人。