Перспективы применения в САПР новых методов проектирования, в части обследования, расстановки и выбора режимов работы осветительных приборов системы искусственного освещения

Ульянов Роман Сергеевич аспирант, кафедра автоматизации и электроснабжения, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет 129337, Россия, г. Москва, Ярославское шоссе, 26, каб. 204 Ulianov Roman Sergeevich graduate student, Automation and Power Supply Department, National Research Moscow State University of Civil Engineering 129337, Russia, g. Moscow, ul. Yaroslavskoe Shosse, 26, kab. 204 roman-prog@mail.ru Другие публикации этого автора     Шиколенко Илья Андреевич аспирант, кафедра автоматизации и электроснабжения, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет 129337, Россия, г. Москва, Ярославское шоссе, 26, каб. 204 Shikolenko Il'ya Andreevich graduate student, Department of Automation and Power Supply, National Research Moscow State University of Civil Engineering 129337, Russia, Moscow, str. Yaroslavskoe Shosse, 26, room No. 204 shikolenkoia@mgsu.ru Другие публикации этого автора     Величкин Владимир Александрович кандидат технических наук доцент, кафедра автоматизации и электроснабжения, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет 129337, Россия, г. Москва, Ярославское шоссе, 26, оф. 204 Velichkin Vladimir Aleksandrovich PhD in Technical Science Associate Professor, Department of Automation and Power Supply, National Research Moscow State University of Civil Engineering 129337, Russia, g. Moscow, ul. Yaroslavskoe Shosse, 26, of. 204 velichkinva@mgsu.ru Другие публикации этого автора

Завьялов Владимир Андреевич доктор технических наук ранее профессор, кафедра электротехники и электропривода, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет 129337, Россия, г. Москва, Ярославское шоссе, 26, оф. 204 Zav'yalov Vladimir Andreevich Doctor of Technical Science Formerly Professor, Department of Electrical Engineering and Electric Drive, National Research Moscow State University of Civil Engineering 129337, Russia, g. Moscow, ul. Yaroslavskoe Shosse, 26, of. 204 vazav.mgsu@mail.ru Другие публикации этого автора

Широко известно, что зрение является одним из приоритетных способов получения информации человеком и, безусловно, полноценное функционирование зрительной системы невозможно без обеспечения определенных условий освещения. Учитывая то, что современный городской житель значительную часть активной фазы дня провидит под воздействием искусственных источников освещения, можно сделать предположение о том, что весь спектр аспектов развития систем искусственного освещения, от модернизации источников света до оптимизации способов проектирования систем освещения будет еще не одно поколение оставаться актуальными. Следует отметить что, не смотря на сложные экономические условия, рынок светотехнической продукции в нашей стране все же показывает скорее положительную динамику роста ^[1]. При этом безусловно существует большой потенциал по замещению устаревших источников света на более перспективные ^[2], а значит в процессе модернизации или нового строительства будет необходимо решать вопросы, связанные с оценкой и проектированием систем освещения. В данной работе коллективом авторов рассматриваются три аспекта направленных на оптимизацию процессов проектирования, систем искусственного освещения. Каждый из представленных аспектов будет рассмотрен отдельно, с изучением существующей проблематики и предполагаемого решения. В заключительной части статьи, обозначенные предложения будут рассмотрены с точки зрения системного подхода.

За свою длительную историю системы управления искусственным освещением, прошли путь от возможности только лишь дискретного управления (включено/отключено), до возможности управлять спектром и интенсивностью излучения в широком диапазоне. Однако увеличение возможностей как правило приводит и к усложнению задач, которые стоят перед современной светотехникой. С точки зрения систем управления освещением, можно выделить три важных класса задач, которые должны решать современные системы искусственного освещения:

1. обеспечение необходимой световой среды в помещении;

2. обеспечение высокой энергоэффективности;

3. обеспечение необходимого биологического воздействия на человека.

Рассмотрим указанные задачи по порядку. Упорядоченная организационная и научно-техническая деятельность в области обеспечения и стандартизации необходимых качественных и количественных параметров освещения зданий и сооружений началась еще в XIX веке ^[3] и активно продолжается в наши дни. Как правило, промышленное применение каждого качественно нового типа источников света, вносит свою лепту в общую систему нормирования. Так применение разрядных источников света, с одной стороны дало возможность более энергоэффективного освещения объектов, с другой стороны встал вопрос, о необходимости нормирования коэффициента пульсации источников света ^{[4, с. 43-45]}, и коэффициента цветопередачи. Не исключено, что развитие современных светодиодных источников света (СИС) в целом и СИС с возможностью управления спектральной характеристикой излучения в частности, в дальнейшем внесет свою лепту в процесс формирования нормативных требований к системам освещения. Данную тенденцию уже можно наблюдать и в наши дни на примере стран Европейского союза, с одной стороны там предъявляются менее жёсткие чем у нас требования к обеспечению естественной освещенности ^[5], с другой стороны всё большую популярность набирает концепция человеко-ориентированного освещения (HCL) ^[6]. В рамках концепции предполагается создание благоприятной для человека световой среды, во многом имитирующую естественную. Вполне вероятно, что до начала практического применения СИС с возможностью динамического управления качественными и количественными характеристиками излучения, реализация данной концепции была бы весьма затруднительна с технической и финансовой точки зрения. Подводя резюме описанию первого направления решаемых задач, важно отметить, что независимо от применяемых источников света система освещения в первую очередь должна обеспечивает условия для комфортной, продуктивной и безопасной деятельности человека.

Второй важный класс задач — повышение энергоэффективности. Ввиду повышающейся энергоемкости многих промышленных производств в нашей стране вопросы повышения энергоэффективности являются актуальными ^[7] и нуждаются в своевременном решении, как на частном, так и на государственном уровне. Свой весомый вклад в вопросы энергоэффективности предприятий нашей страны вносит и организация систем освещения ^[8]. Однако, несмотря на всю важность решения задачи повышения энергоэффективности, данная деятельность не должна проводится в ущерб качественным параметрам освещения ^[9]. Таким образом, задача выбора оптимальных проектных решений как с точки зрения энергоэффективности, так и с позиции обеспечения требуемой световой среды, не является тривиальной и требует определенной квалификации от специалиста проектировщика.

Еще больше задача проектирования систем освещения усложняется при попытке связать первые два класса задач, с третьим, а именно обеспечением необходимого биологического воздействия на человека. Как было сказано ранее, освещение оказывает значительное влияние на протекание процессов жизнедеятельности человека, так, например, даже частичная денатурация световой среды негативно сказываются на состоянии человека, особенно при его значительной рабочей нагрузке ^{[9, с. 889-891]}. Для человека важны интенсивность освещения, его спектр, а также своевременное изменение уровней освещенности в разные периоды суток ^[10]. Управляя этими факторами за счет освещения в зависимости от решаемых задач возможно добиться как временно повышения производительности труда, так и оказания благотворного влияния на здоровье человека. Управление протеканием фотобиологических процессов человека вполне возможно на современном уровне развития науки и техники за счет применения СИС с управляемым спектром ^[11].

На основании представленного материала, даже неподготовленный читатель может сделать заключение о том, что при условии оптимизации проектируемой системы освещения по нескольким или сразу всем трем одновременно классам задач, выбор режимов работы осветительных установок становится сложной многофакторной задачей, требующей от специалиста высокой профессиональной квалификации и определенных знаний в области экономики, светотехники и физиологии человеческого зрения. В целях снижения воздействие так называемого «человеческого фактора» и уменьшению требуемого уровня профессиональной квалификации специалиста, процедуру проектирования систем освещения рассчитанных на широкое применение СИС с управляемыми спектральными характеристиками (СХ), целесообразно автоматизировать. В данной работе коллективом авторов предлагается концепция автоматизации подготовки проектных решений в части выбора режимов работы осветительных приборов, входящих в систему освещения. В настоящее время данная задача решается при проектировании освещения в рамках системы «Умный дом», однако в обозримой перспективе область востребования решения данной задачи может увеличится за счет более интенсивного внедрения источников света с управляемыми СХ и интенсивностью излучения.

Следует отметить, что в настоящее время в процессе анализа отечественных открытых источников информации не было найдено упоминаний об автоматизированной методике, позволяющей подготовить информацию применимую в рамках СПДС, и описывающей проектные решения по выбору оптимальных режимов работы осветительных приборов с учетом всех трех названных выше классов задач. Исходя из чего можно сделать предположение, что при необходимости разработки соответствующей документации, подготовка проектных решений полностью возложена на инженера-проектировщика.

Рассмотрим ключевые положения предлагаемой концепции. Ввиду того, что в разных зонах помещения с постоянным пребыванием людей в зависимости от временного этапа рабочей смены может выполнятся работа различного характера, в том числе требующая различных условий по организации световой среды, помещение целесообразно разделить на соответствующие зоны. Для повышения наглядности воспользуемся примером, в качестве примера будет принято условное электропомещение, расположенное под землей без доступа к естественному освещению. В помещении будут располагается два распределительных устройства (РУ), а именно РУ 380/220В и РУ постоянного тока, а также рабочее место оперативного персонала (рисунок 1).

Рисунок 1. Пример размещения зон управления.

В данном упрощенном примере выделим две зоны управления освещением, первая – рабочее место дежурного персонала, вторая зона РУ. Предположим, что режим производства работ в данном помещении имеет временные ограничения, что например характерно для Московского метрополитена, так например примем условие, что непосредственные работы по планово-предупредительному ремонту РУ и соответствующие оперативные переключения возможно проводить, только в ночную смену после двух часов ночи и до пяти часов утра, при этом смена начинается в 22:00 вечера и вначале смены допустимо провести визуальный осмотр РУ, после чего на период до 2:00 оперативный персонал, должен занимается какой-либо иной работой, например, заполнением оперативной и иной документации, на своём рабочем месте. Таким образом для демонстрации принципа для каждой из зон можно выбрать свои требования по оптимизации режимов управления осветительной установкой. В зоне РУ необходимо сделать упор на энергоэффективность и обеспечение необходимой световой среды в различные этапы рабочей смены, а для зоны рабочего места оперативного персонала, можно принять критерии достижения комфортной световой среды и биологического воздействия, имитирующего дневной суточный цикл. Поскольку в настоящее время указанная выше методика находится в стадии концептуальной разработки, ниже будут изложены только общие принципы и подходы, потенциально применимые для решения поставленной задачи. Общий принцип работы должен заключатся в следующем: для каждой зоны в САПР задаются определённые требования к освещению для каждого временного интервала в течении смены. Светильники размещенные в зонах управления, являются не просто пиктограммой, а представляют собой информационный объект, также имеющий некоторые сведения об источнике света. В качестве базы для создания информационного объекта светильника в САПР возможно применение файла формата *.ies в котором необходимые сведения о цветовой температуре, режимах работы, и потребляемой мощности этих режимов будут реализованы с помощью предусмотренных стандартом пользовательских ключевых слов. Таким образом на плане помещения будут отражены информационные объекты зоны - управления и информационные объекты - светильники, дальше пользователь САПР должен выбрать критерии оптимизации (энергоэффективность, световая среда, биологическое воздействие) и их приоритетность при совместном применении. После выбора критериев оптимизации программа проводит соответствующие вычисления и предлагает определенные управляющие реяния, например, для зоны с РУ в период после осмотра и до производства работ качество световой среды не критично, а значит при использовании RGB источника света возможно предложить управляющее воздействие выраженное в выборе спектральной характеристики с наибольшей зрительной эффективностью, которая обеспечит заданный уровень освещенности при наименьшем энергопотреблении. Для рабочего места оперативного персонала, возможно выбрать режим который при должном уровне освещенности и индекса цветопередачи обеспечит динамическую смену параметров освещения, имитирующую естественный дневной солнечный цикл, при этом к моменту завершения смены в целях адаптации человека, освещение перейдет в режим излучения близкий к утреннему солнцу (теплый белый свет), что с одной стороны позволит увеличить выработку мелатонина в организме человека, с другой стороны при выходе из подземного объекта и перемещении сотрудника домой, уменьшит чувство дискомфорта за счет схожести характеристик искусственного и естественного освещения в момент завершения смены. Отдельно следует отметить, что в процессе расчётов должна быть предусмотрена проверка текущей освещенности любым из доступных методов расчета (например, точечным методом расчёта ^{[12, с. 23-25]}). Результатом произведенных вычислений должна стать таблица, описывающая требования к освещению и режимы работы осветительных приборов на базе СИС с управляемым спектром, относительно указанных зон управления в выбранные этапы рабочей смены. Таблица должна быть совместима с форматом MS Office Word, в целях её дальнейшей интеграции в пояснительную записку проекта.

Поскольку при проектировании систем «Умный дом», одной из наиболее распространенных САПР является Autocad ^[13], то целесообразно реализовать разрабатываемую концепцию модуля (методики) САПР, в виде подключаемой библиотеки совместимой с Autocad или, в целях импортозамещения, совместимой с его отечественным аналогом Nanocad.

Расстановка светильников зависит от различных факторов и может руководствовать различными критериями, в том числе и критерием энергоэффективности ^[14] Тем не менее, на практике, процесс проектирования искусственного освещения в общем случае сводится к двум основным методам:

• упрощенный графический способ (при данном способе рассчитывается приблизительное количество светильников исходя из площади светового пятна и общей площади помещения, расстановка при этом происходит ориентировочно по приблизительной равномерности расстановки);
• программный способ (автоматическая расстановка светильников при помощи специализированных САПР, например Dialux) (Рисунок 2).

Рисунок 2. Программный способ расстановки светильников в САПР Dialux

Однако, коллективом авторов статьи предлагается потенциально более эффективная методика расстановки светильников. Она заключается в использовании зон градиентного ослабления светового потока.

Представим некоторое помещение. На его примере рассмотрим некоторые ключевые моменты, которые могут оказывать влияние на расстановку светильников и энергопотребление на освещение (Рисунок 3).

Рисунок 3. Основные зоны, выявляющие недостатки алгоритмов автоматизированной расстановки светильников: 1 - пересечение зон освещенности, 2 - недостаточная локальная освещенность, 3 - неучтенная отражающая способность стен, 4 - неучтенная поглощающая способность окон.

Как видно, существующая модель расстановки светильников не оптимальна и имеет ряд недостатков, в решении которых может помочь разрабатываемая концепция методики автоматизированной расстановки осветительных приборов ^[15]. Сущность предлагаемой концепции заключается в следующем. Если использовать сложение зон светового потока можно добиться увеличения расстояния установки соседних светильников. Это в свою очередь позволит уменьшить общее расчетное количество светильников в помещении и как следствие – энергозатраты ^[16]. Другой немаловажный аспект концепции - применение качестве исходных данных для проектирования информации о существующем расположения рабочих поверхностей (рабочих мест), что также позволит оптимизировать общее расположение светильников в помещении.

Для подтверждения или опровержения положений предлагаемой концепции проанализируем устройство светового пятна от абстрактного источника освещения.

Из представленного графика (Рисунок 4) можно понять наличие 3-х зон освещенности: 1 – зона требуемой освещенности рабочей поверхности; 3 – предельная расчетная зона освещенности с радиусом R; 2 – зона градиентного ослабления светового потока до 0-вого уровня освещенности, радиусом R_0. Как правило, зона 2 не участвует в расчетах из-за сложности объективного определения ее границ, тем не менее, предварительные аналитические расчеты и гипотезы подтверждают ее значимость и существенность влияния на расчет.

Таким образом, при совмещении зон освещенности появляется еще одна зона: 4 – зона градиентного совмещения (Рисунок 5).

Как видно, градиентное совмещение зон позволяет несколько увеличить расстояние между светильниками.

Аналитически, можно предположить, что чем больше предельный радиус освещенности по сравнению с расчетным радиусом освещенности, тем больше может быть максимальное расстояние между осветительными устройствами.

Предположим так же, что ослабление светового потока на участке между расчетным и предельным радиусом происходит по логарифмически убывающей функции.

Учитывая все эти допущения, определим максимальное расстояние между светильниками, как сумму двойного радиуса расчетных зон освещенности с расстоянием, равным, соответствующим половинному уменьшению светового потока относительно расчетного.

Рисунок 4. Градиентное ослабление светового потока

Схематическое изображение расстановки светильников в помещении (Рисунок 3) показывает нам 2 основных типа размещения светильников:

- центральное размещение (характерно для светильников в центральной части помещения);

- периметральное размещение (характерно для светильников, располагающихся вдоль стен или ограждающих конструкций).

При расположении вдоль стен обычно не возникает существенных сложностей. Как уже описывалось ранее, здесь главным образом используется эффект совмещения градиентных зон освещенности (Рисунок 5).

Рисунок 5. Совмещение зон освещенности с учетом градиента светового потока

Более сложная задача возникает при расстановке периметральных светильников. Их расположение друг относительно друга по-прежнему будет подчиняться совмещению градиентных зон. А для оптимизации размещения относительно стен и ограждающих конструкций предлагается учитывать отражающую способность материалов и покрытий стен.

Таким образом, чем больше коэффициент отражения светового потока от стен, тем больше может быть расстояние между стеной и светильником (Рисунок 6). Ключевым моментом здесь является диффузионное отражение света.

Рисунок 6. Иллюстрация диффузионного отражения светового потока от стен.

Таким образом, учитывая выше названные факторы, формализовав процедуру расстановки в виде соответствующей программной реализации в САПР, возможно, повысить эффективность расположения осветительных устройств в помещении по сравнению с методиками, ориентированными исключительно на параметр средней освещенности помещения.

Исходя из того жизненный цикл объекта строительства состоит из различных этапов от технико-экономического обоснования, до строительства и последующей утилизации и на каждом из этих этапов требуется решение задач информационного обеспечения, значительную часть которых могут взять на себя специалисты в области САПР ^[17], коллектив авторов статьи в данной работе решил не ограничивается непосредственно процедурой проектирования, но и затронуть другие связанные с ней этапы жизненного цикла объекта строительства. В настоящее время просматриваются перспективы повышения эффективности эксплуатации инфраструктурных объектов за счет применения роботизированных комплексов ^[18]. В связи с чем можно сделать вывод о том, что применение роботизированных ПАК для обследования инженерных систем зданий и сооружений, а также сбора исходных данных является перспективным направлением научной деятельности. Ранее коллективом авторов статьи была предложена концепция автоматизированного комплекса управления и диагностики систем управляемого освещения ^[19], развитием данной концепции стало расширение потенциальной функциональности устройства за счет оснащения его соответствующими системами для перемещения в пространстве. Структурная схема ПАК представлена на рисунке 7. Благодаря наличию одноплатного компьютера, набора измерительных инструментов и средств позиционирования, появилась возможность применить данный модуль в том числе и для некоторой помощи специалистам на этапе проектирования.

Рисунок 7. Структурная схема ПАК.

Этап предпроектного обследования в большинстве случаев, предшествует процедуре непосредственного проектирования, а значит требует привлечения квалифицированных специалистов для обследования объекта и подготовке (актуализации) планов помещений при необходимости. В данном контексте применение ПАК возможно для решения следующих целей:

• Непосредственное обследование помещения. Составление предварительного контура помещения, передачи его в САПР, для упрощения дальнейшей процедуры автоматизированного проектирования.
• На основании созданных ранее или уже имеющихся планов помещений проведение процедуры предварительной расстановки осветительных приборов и передачи данных решений в САПР. При производстве работ по реконструкции системы освещения на данном этапе ПАК может провести обследование затененных зон и других отклонений в существующей системе освещения. Указанные данные в дальнейшем могут быть использованы проектировщиками, что сократит трудозатраты на проведение натурного обследования специалистом или расчет с помощью специальных комплексов светотехнического моделирования.

Другим этапом жизненного цикла где может быть применим данный ПАК является стадия пуско-наладки и/или опытной эксплуатации. На данной стадии возможна верификация проектных решений, путем обследования смонтированных систем. Концептуальная схема обследования представлена на рисунке 8.

Рисунок 8. Концептуальная схема обследования при помощи ПАК

ПАК перемещается в помещении передает команды на устройство управления освещением, проводит необходимую диагностику, после чего передает информацию на более высокий уровень информационной системы, где производится непосредственный анализ степени соответствия проектных решений выполненным работам.

Несмотря на то, что представленные выше концепции могут быть потенциально востребованы и при их обособленном применении, применение к ним системного подхода может в некоторых случаях способствовать получению синергетического эффекта. Рассмотрим потенциальный процесс проектирования с применением всех указанных концепций на различных этапах жизненного цикла объекта строительства. Предположим, что необходимо решить задачу реконструкции систем освещения объекта капитального строительства, заменив традиционную систему на СИС с управляемым спектром излучения. В таком случае схему процедуры проектирования возможно представить следующим образом (рисунок 9). На первом этапе для сбора данных о помещении и предварительных решений по расстановке светильников, применяется соответствующий ПАК, затем на основании данных с предыдущего этапа проектировщик разрабатывает первую итерацию светотехнической части проекта, определяет номенклатуру осветительных приборов устанавливаемых в помещении после чего при помощи алгоритмов расстановки светильников дополняющих традиционные алгоритмы расстановки по средней освещенности, соответствующим модулем САПР производится оптимальное распределение осветительных приборов в помещении. Следующим этапом является разбивка полученного плана расположения систем освещения на зоны в соответствии с функциональным назначением объекта и автоматизированный выбор режимов работы осветительными приборами. Затем производятся дальнейшие необходимые проектные операции, производство строительное монтажный работ, после чего при помощи ПАК, производится автоматизированная верификация смонтированной системой проектным решениям.

Рисунок 9. Схема процедуры проектирования для рассмотренного примера.

В данной работе были представлено три концепции, направленные на улучшение процедуры автоматизированного проектирования систем искусственного освещения. Учитывая тенденции к применению СИС с управляемым спектром и интенсивностью излучения, повышению энергоэффективности и необходимости уменьшения степени человеческого труда в процессе проектирования, данные концепции могут быть актуальными и как следствие их дальнейшую разработку можно признать целесообразной. Наибольшего эффекта возможно добиться при комплексном применении указанных концепций, особенно в условиях отсутствия естественного света при реконструкции существующих систем освещения.