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附录译文
基于灯具的智能室内照明系统：照明控制方法综述
Ashish Pandharipande, David Caicedo
Philips Research, High Tech Campus, 5656 AE Eindhoven, The Netherlands
摘要
本文考虑了基于灯具传感的智能照明控制系统在办公照明应用中的应用，每个灯具都有一个共同的停靠传感器和光传感器，在开始照明时需要对信息进行处理，从而改变照明的角度。设计的目的是为了实现照明控制系统达到低能耗的要求照明条件。我们考虑了两种主要的体系结构（集中和分布式）用于照明控制。我们回顾了最新的控制方法，并对几种方法进行了比较研究。最后，我们概述了未来设计这种智能照明系统所面临的各种技术和挑战。
关键词：智能照明控制、传感、照明控制结构和方法
1 介绍
传感、计算和通信的快速发展，技术正在实现照明系统中的智能与连接，从而使系统中的每个灯具都可以具有这些功能。随着发光二极管（LED）的迅速采用，照明本身正在见证半导体化的影响[1]。使用LED灯具，可以方便、准确地控制灯具的光输出。这些技术共同实现了照明系统对环境的灵活适应。
人工照明占全球电能消耗的主要部分，特别是在办公建筑中。由于人工照明而消耗的能量可以高达总能量消耗的40%[2]，因此，在保持照明舒适性的同时，控制人工照明是降低人工照明能耗，从而降低建筑运营成本的重要途径。节能照明控制的既定方法是根据居住和日光的变化调整人工照明。本文讨论了基于灯具的传感器的室内照明系统控制的设计方案，控制此类照明系统的最新方法，并讨论了各种技术挑战。
一个智能照明系统，其占用率和光传感器位于灯具处，提供关于室内空间占用率和光分布的空间粒度信息。每个灯具上都有一个隐匿式传感器，可提供用户存在和粗略位置的信息。该占用信息可以是用于驱动灯具，从而在需要的地方对灯具的输出进行调整。此外，灯具上的光传感器可以根据提供的所需数量的可用日光量用于调整以达到要求的总照度[3,4]。利用这种传感信息对照明设备进行调光，只要提供局部照明就可以实现节能和任务照明调整。特别是，在占用区域周围可提供较高的照明水平，在无人居住的区域提供较低的照明水平，以及，如果一个办公空间完全无人居住，则可以关闭灯具。例如，欧洲标准EN12464-1[5]建议办公室室内照明的最小照度值：占用区域的平均照度为500lx，未占用区域的平均照度为300lx。
在灯具上放置传感器具有能直接利用灯具上的电源连接的实际优势。此外，基于灯具的传感智能使灯具能够自动调试，并允许它们在必要时自动运行。由于与灯具在同一位置，传感器调试也变得简单。在基于灯具的传感器配置下，第2节考虑了照明控制系统的两种主要架构。在第3节中，通过考虑两大类，回顾了使用基于灯具的传感器实现局部照明的最新控制方法。第一类基于优化方法，第二类基于经典控制理论。第4节讨论了实现这些智能照明系统的各种技术挑战，包括实用性和科学性。结论见第5节。
2 基于灯具传感的照明控制系统架构
如图1所示，我们考虑两种主要的照明控制系统架构，即基于灯具的占用和光传感器,灯具、传感器和控制器位于天花板上,占用率/光传感器根据其视场内的局部感测，周期性地或在事件变化的情况下，分别与控制器通信其占用状态和照明值。周期性传感器处理有助于支持此类照明系统上的数据分析服务。然而，对于大多数控制应用程序，传递事件更改是足够的。在占用传感器的情况下，事件更改是占用状态的更改。对于光传感器，事件变化可对应于上一次发射的光传感器测量值与超过指定阈值的当前光传感器测量值之间的差异。传感器、控制器和灯具之间的通信链路用黑色实线表示；为清晰起见，并非所有通信链路都显示出来。传感器和控制器、控制器和灯具之间的通信链路可以是有线的或无线的。有线系统提供更高的通信可靠性，但通常有更高的安装成本。另一方面，无线照明系统提供了一个更容易安装，即插即用的解决方案。然而，在系统设计中，由于无线信道导致的链路可靠性较低，需要加以处理，以提供可靠的系统解决方案。
图1具有分布式传感的智能室内照明系统的图示，以及（a）集中控制和（b）分散控制
在图1（a）中，示出了集中照明控制系统。在此，占用率/光传感器会将各自的占用率和照明值信息发送到中央控制器。中央控制器基于检测输入值计算各种灯具的调光水平，并将调光值发送到各个灯具。在这种体系结构中，“应用智能”包含在中央控制器中。然而，中央控制器可能会受到其能够处理的通信输入/输出数量的限制，并且可能成为大型照明系统的通信瓶颈。
在图1（b）中，给出了分布式照明控制系统。在这里，一个局部控制器位于一个灯具上，并与占用率/光传感器相连接。占用率/光传感器将其各自的占用率和照度值发送到局部控制器，在局部控制器中确定相关灯具的调光值。分布式系统中的每个控制器都有较低的处理要求，因为控制器的输入/输出数量有限。与集中式照明控制系统相比，分布式控制系统具有更好的模块性和可扩展性。局部控制器可以以独立的方式操作，在这种情况下，多个控制器之间没有控制信息交换；在协调的管理器中，在这种情况下，一些控制信息在多个控制器之间交换。在独立控制的情况下，局部控制器根据其相关占用/光传感器的输入确定其灯具的调光水平；局部控制器只需要知道区域占用情况。在协调控制中，局部控制器可以使用诸如相邻传感器的局部占用率、相邻灯具的调光等级等附加控制信息来确定其灯具的调光等级。
我们注意到，也可以采用集中式和分布式控制体系结构的混合。作为一个实例，可以具有分布式照明控制系统，其在局部控制器上具有如图1（b）所示的控制功能，同时具有除网关之外的中央监控功能元件，如图1（a）所示的逻辑配置。中央监控控制器的作用可以是将非实时信息（如控制器参数的变化）或建筑物管理系统的外部输入（如需求响应信号）传达给局部控制器。
3照明控制方法
在办公室照明应用中，在桌子高度的水平平面上的照度水平是最高的，以下称为工作区平面。工作空间平面被划分为多个逻辑区域，例如与工作区域相对应的区域。理想的的目标是有一个智能照明系统，使用占用率/光传感器来反馈占用率和日光变化。这需要在物理极限范围内确定最优的调光水平，以满足工作空间平面上的某些照度约束。但是，控制器也可以访问由天花板平面上的光传感器测量的照明值。光传感器接收来自灯具的光和从传感器视场内物体反射回来的日光。因此，关键问题就是如何校准天花板上的光传感器的照度值，使其与工作区上的平均照度值相对应。
3.1光传感器校准
可以采用的一种简单方法是：将各区域的平均照度值线性映射到天花板上的光传感器处的照度值，并将灯具的调光级别设置为不同的值。此映射是在校准步骤中获得的。设表示当办公室空间中的每个灯具处于调光等级时，传感器n的光传感器值，设为工作区平面上的平均照度值，其中i={1，2}，当校准测量的次数为2。作为实例,。如果在夜间进行校准，当灯具关闭时，即，则在黑暗条件下测量的照度值将接近于零。还要注意，测量的光量受光传感器下方物体反射的影响，因此即使工作空间上的照明均匀，光传感器的照度值也可能不同。用和表示一个区域中分别处于空闲和占用状态时的相应期望平均照度值。在无占用和有占用的情况下，光传感器上相应的目标设定点分别由下式给出
通常，如果进行了两次以上的校准测量，则可获得线性最佳拟合，以映射工作区和光传感器。
光传感器设定点的确定取决于不同的照明系统架构。在图1（a）中的中央化系统架构中，中央控制器可以向所有灯具发送一条信息，使其变暗到特定的水平，并向所有光传感器发送测量指令，以报告测量结果。
基于这些数据，中央控制器可以使用（1）来计算光传感器的设定点。如果控制方法需要照明增益的知识，即灯具对光传感器的照明贡献，则在校准步骤中也进行计算。为了确定照明增益，控制器一次打开一个灯具，关闭其他灯具，并在所有光传感器处收集测量的照度值，并对所有灯具重复该过程。
上述校准步骤可以逻辑地扩展到图1（b）中的分布式系统架构。在这样的系统中，局部控制器向其他所有局部控制器发送通信消息，例如在广播模式下，以减弱到特定级别。其次，向所有光传感器发送测量指令以执行照度测量。这些值由局部控制器局部存储和使用。可以类似地执行照明增益的确定。
3.2控制算法
考虑使用M型灯具的照明系统。设表示时刻 j时发光二极管n的调光电平。脉宽调制(PWM)是驱动灯具的常用方法，在这种情况下，调光电平对应于PWM波形的占空比为0le;le;1。在时刻 j处，MTH光传感器的照明值可以表示为[6，7]。
我们将作为照明增益，即当第n个照明灯具在其最大值被调暗时，而所有其他的灯具都关闭，并且没有其他光源，在MTH光传感器上的值，是由于时刻j处的日光在MTH光传感器处的照明贡献。模型（2）假设由于灯具和日光而产生的照明贡献是相加的，并且灯具的光输出与调光水平具有线性关系，这对LED灯具是有利的。此外，假设照明增益是静态的。在实践中，照明增益受环境变化的影响，例如家具移动和移动用户。我们将在第4节讨论跟踪照明增益的挑战。
照明控制的一种方法是使用优化框架，其中获得的灯具调光值作为优化问题的解。让我们考虑一个测试优化框架，该框架的目标是使功耗最小化，约束条件是使光传感器值高于相应的参考设定点，并使调光值介于物理极限0和1之间。然后，作为数学优化问题的解，可以得到照明系统在运行时刻j的调光电平，
在(3) 中,是包含M型灯具在时刻j的调光电平的矢量，是局部占用状态s(局部占有，或局部未占或被占面积)的光传感器n处的设定点；如果该区域完全无人居住，则会关闭灯具。f（.）是照明系统的功耗，是调光级别的函数。我们假设灯具消耗的功率与调光水平成正比。这一假设适用于PWM调光[8]。功耗和调光水平之间的关系还取决于LED灯具电源的效率特性。因此，对于PWM调光，照明系统的功耗与在特定时刻的灯具调光水平的总和成正比。在这种情况下，问题（3）是一个线性规划问题，可以使用单纯形法和内点法等经典优化方法来获得一个解[9]，该解可用于集中照明控制[10,11]。在[12]考虑的优化方法中，考虑了来自传感器校准的附加先验信息，以在工作空间平面上的实现最小照度。如果使用电流连续减少方法使灯具变暗[8]，灯具的功耗与调光的gamma;TH（gamma;＞1）功率有关。在本例中（3）中的函数是，并且优化方法[9]可用于求解（3）。
其他优化公式的例子有[13-15]。在[13]中，空间调光均匀性的另一个约束是考虑过的，在该公式中，所获得的调光解决方案在低功耗的相邻灯具之间提供一定程度的均匀性。[14]中考虑了空间调光均匀性的不同概念，这取决于灯具调试时可用的先验信息。本文考虑了一种迭代优化方法来确定调光水平。在[15]的公式中，考虑了光传感器照度误差平方和与功耗平方的加权和，最后在照明系统中实现了低照度。
在分布式照明控制系统的体系结构中，每个控制器都有局部约束的情况，而对其他系统约束只有部分或完全没有约束。在不同的系统框架和传感器布置假设下，在文献[16-19]中研究了优化方法在分布式照明控制中的应用。在[16,17]中，是假设工作区平面上的灯具的照明贡献，而在[18,19]中，工作区平面上的光传感器被用于测量照明贡献。在文献[6]中，提出了一种用于分布式照明控制系统的分布内点法，该方法对通信有限制，且传感器位于灯具上。
照明控制的另一种方法是将照明系统视为一个控制装置，根据光传感器输入驱动灯具，日光作为外部干扰。一个具有多个传感输入的照明系统，用于控制多个灯具，可以看作是一个多变量控制问题。多变量控制的一种简单方法是使用多个独立控制器，其中每个控制器独立地确定其调光级别。这种分散的方法在多变量控制系统中得到了广泛的应用[20,21]。为了说明这种方法，我们将考虑集中式和分布式照明系统拓扑的独立比例积分（PI）控制器。
图2独立PI控制器框图
描述了单个独立控制器的框图在图2中。基于控制器n的占用状态s，需要在光传感器n处实现参考设定点，以便在相应的区域，在时刻j，误差信号计算出参考设定点和光传感器n处测量值之间的差。在控制器n中，用和表示比例（P）和积分（I）控制分支的增益，它们分别称为当前误差和过去误差的累积。然后，通过PI控制规则给出在时刻j处灯具n的调光水平
比例增益太高可能会使照明系统不稳定，而的值小可能会导致出现大的的误差，以及系统控制器响应缓慢，例如日光变化的情况。积分增益决定了达到设定值的速度，并消除了仅按比例控制规则产生的残余稳态误差。
在文献[7]中，考虑了带偏差的PI控制器的独立分布和协调形式。在[22]中，早就对用于日光适应的单光传感器驱动照明系统的闭环比例算法进行了评估。
3.3办公室照明系统的性能分析
我们现在考虑一些之前所述方法的性能。我们使用的办公室的型号尺寸数据：14.4米（长）times;7.4米（宽）times;2.86米（高度），M=24个灯具，按3times;8的网格排列，如图所示在图3中，工作空间距离天花板约1.9m。光传感器的半开角为30度。图3中的灯具索引也对应于控制器和区域。办公室一侧有窗户，从 DIALUX 获得日光[23]即使用晴朗天空设置时的数据。
图3办公室照明模式
我们为光传感器选择调光等级d1=0和d2=1校准步骤。控制参数和为独立的PI控制规
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