Перспективы и проблематика методологии автоматизированной подготовки проектных решений по оптимизации работы систем освещения с управляемыми параметрами излучения

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

Данное научное исследование проводится при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «УМНИК» по теме «Разработка интеллектуального модульного программно-аппаратного комплекса для генерирования программы управления регулируемыми системами освещения» в рамках договора № 11523ГУ/2017 от 19.05.2017 г.

Введение

Влияние освещения на жизнедеятельность человека сложно переоценить. Свет оказывает комплексное воздействие на организм человека, стимулируя как функции связанные непосредственно с визуальным восприятием информации, так и с регулированием его физиологических процессов ^[1]. Поскольку существенную часть суток современный человек проводит под воздействием искусственного освещения, вопросы проектирования и реализации оптимальных систем искусственного освещения, учитывающих различные факторы воздействия на человека, по-прежнему остаются актуальными для профессионального сообщества, которое предлагает различные пути совершенствования соответствующих процессов. Так, например, в связи с развитием и как следствие повышением доступности для массового потребителя светодиодных источников различной конфигурации, существенно расширились возможности в области светового дизайна, что безусловно разнообразило практику проектирования систем освещения ^[2]. Однако, при проектировании освещения на базе светоизлучающих диодов важно учесть аспекты связанные с потенциально-опасным воздействием их излучения на организм человека, в том числе в части изменения циркадных ритмов ^[3], что в свою очередь приводит к необходимости пересмотра подходов к построению соответствующих осветительных приборов ^[4], а также при дальнейшем развитии данной концепции и к изменению подходов к управлению светодиодным освещением. Другим немаловажным вопросом проектирования систем искусственного освещения является расчёт соответствующих электрических сетей, который также, ввиду необходимости комплексного подхода подлежит автоматизации ^[5].

Также еще больше увеличить уровень сложности задач проектирования, пусконаладки и эксплуатации искусственного освещения, может внедрение различных автоматизированных систем контроля, регулирования и управления параметрами освещения. С одной стороны данные системы позволяют сделать уверенный шаг к достижению рациональных параметров освещения ^[6], с другой стороны в силу объективных причин возрастает сложность проектирования данных систем. Не стала исключением и концепция человеко-ориентированного освещения (HCL) ^[7]. В предшествующей работе коллектива авторов статьи уже упоминалось, что необходимость одновременной оптимизации параметров световой среды, энергопотребления и биологического воздействия существенно усложняет процесс проектирования, что обуславливает необходимость разработки средств автоматизации данного процесса ^[8]. В данной статье будут в концептуальной форме рассмотрены проблематика и методология проектирования режимов освещения для систем освещения с управляемыми параметрами излучения (СОУПИ).

Традиционные подходы к проектированию управления освещением и необходимость их расширения в части биологического воздействия

Пожалуй, самым распространённым подходом к управлению искусственным освещением, имеющим место в подавляющем большинстве проектных решений, является местное управление питанием осветительных приборов с помощью соответствующих выключателей, размещенных непосредственно в помещениях или рядом с ними. Безусловно весь спектр решений по организации систем освещения не ограничивается местным управлением и уже для второй половины двадцатого характерны были приемы дистанционного и автоматического управления освещением ^{[9, с. 281-288]}, однако в силу ограничений, накладываемых доступными на тот момент источниками света, вопрос об одновременном управлении интенсивностью излучения и его спектральным составом для освещения ординарных объектов не поднимался. Таким образом, задачи проектирования систем искусственного освещения зачастую могли быть решены как с помощью методов проектирования без использования ЭВМ, так и в более сложных случаях с применением универсальных CAD/CAE программ (например, AutoCAD). Однако, развитие светотехники и систем автоматизации сделали возможным реализацию концепции так называемых «Умных домов», в которых уже могло предусматриваться сценарное управление освещением, для проектирования которого возможности распространённых САПР универсального назначения в базовом виде оказывались недостаточными ^[10]. В дальнейшем при появлении концепции HCL и схожих по парадигме систем освещения, задача проектирования усложнилось в еще большей степени, поскольку помимо учета традиционных параметров освещения целесообразно также учитывать и фактор биологического воздействия, выраженный как воздействие на подавления секреции мелатонина в организме человека ^{[11, c. 5-26]}. При этом взаимосвязи между всеми критериями предпочтительно учитывать, как в базовом (статическом) режиме, так и в режиме динамического регулирования параметров системы освещения ^[12]. Ввиду того, что решение данной задачи требует значительных трудозатрат специалиста высокой квалификации, целесообразно принять меры направленные на автоматизацию части процедур, выполняемых при проектировании СОУПИ, что может положительно сказаться на снижении трудозатрат и требований к уровню квалификации проектировщика.

Автоматизация проектирования режимов работы СОУПИ

Одним из ключевых вопросов решения задачи автоматизированной оптимизации режимов освещения СОУПИ является определение исходных данных для проектирования. Необходимо отметить, что наиболее перспективно не ограничиваться этапом проектирования, а рассматривать СОУПИ в рамках её жизненного цикла. Один из вариантов такого жизненного цикла был рассмотрен в предшествующей работе коллектива авторов ^[13]. При принятии указанной выше концепции жизненного цикла системы освещения, одним из возможных вариантов исходных данных для проектирования режимов работы СОУПИ является предварительное обследование помещений, в которых установлена система освещения с помощью специализированного программно-аппаратного комплекса (ПАК) интегрированного с программной надстройкой САПР общего назначения. Данный случай особенно актуален при необходимости внесения корректировок в режимы работы уже эксплуатируемых СОУПИ.

При рассмотрении подходов к получению исходных данных без привязки к специализированным ПАК, в общем случае исходные данные для проектирования можно разделить на две категории:

1. Предварительные данные. Предполагается, что необходимые данные будут получены в результате проектирования системы освещения. В данном случае подразумевается, что существует проект (предпочтительно реализованный в электронном формате), в котором проработаны основные технические решения (технические требования и условия, размещении оборудование, кабельные линии, выбор оборудования и д.р.). Указанные выше данные являются универсальными и могут быть подготовлены широким кругом специалистов с помощью различных инструментариев.

2. Специализированные данные. Как было отмечено выше, САПР общего назначения не могут в полной мере реализовать решение узкоспециализированых задач, в связи с чем целесообразна разработка дополнительных модулей, интегрируемых в САПР общего назначения. В таком случае, при наличии проекта системы освещения в электронном виде, рациональным решением является ручное или автоматизированное преобразование объектов чертежа в формат понятный специализированной надстройке над САПР (при условии, что на предыдущих этапах проектирования не использовался подход разработки в рамках BIM ^[14]). В таком случае объекты, которые до этого являлись по сути геометрическими примитивами, приобретают свойства моделей реальных объектов. Например, линии, ограничивающие условное помещение, могут иметь параметры характерные для реальных стен или же просто ограничивать зону проводимых расчетов. Для объектов типа «светильник» необходимо будет по спецификации и документации на оборудование заполнить сведения о его технических характеристиках, определяющих как световой поток, так и спектральный состав излучения, в том числе с учетом возможностей регулирования, а также заложить модели расчёта необходимых параметров (например, вычисления силы света светильника в определённом направлении). Также на данном этапе в специализированные объекты или параметры специализированного модуля САПР возможно занесение требований к режимам освещения и их количеству, при условии, что данные технические требования и условия не были определены на подготовительном этапе.

Необходимо отметить, что поскольку в рамках изложенного выше подхода предполагается только оптимизация искусственного освещения без учета источников естественного света, соответствующие сведения не учтены в перечне исходных данных, тем не менее при дальнейшем совершенствовании концепции и расширении её применения на расчёт совмещенного освещения, соответствующие данные могут быть востребованы.

После подготовки всех необходимых исходных данных, целесообразно приступить к процедуре оптимизации. Учитывая необходимость соблюдения как требований по соответствию традиционным критериям (например, по критерию освещенности), так и необходимость достижения заданных параметров с точки зрения биологического воздействия, можно сделать вывод о том, что в данном случае имеет место задача многокритериальной оптимизации ^[15].

В целях упрощения математической модели, при проведении оптимизации возможно ограничить целевые функции по традиционным параметрам соблюдением необходимых граничных значений, заложенных нормативными требованиями к системам искусственного освещения. При этом задача оптимизации биологического воздействия может быть решена несколькими способами, во-первых, исключительно как оптимизация значения интеграла функции зависящей от цветности излучения и его интенсивности, во-вторых, как максимизация достижения идентичности функции спектрального распределения плотности излучения источников света ^[16]. При этом ввиду отсутствия явного регулирования (в рамках нормативных актов РФ) в сфере эффектов биологического воздействия, определение критериев оптимизации целесообразно возложить на конечного пользователя или разработчика проектных решений.

Процесс расчёта (моделирования) параметров световой среды целесообразно проводить для множественного количества контрольных точек образующих сетку, в таком случае для каждой из точек проводится расчёт соответствующих параметров освещения от всех осветительных приборов оказывающих значимое воздействие, после чего решение о корректировке параметров излучения принимается относительно ближайших к контрольной точке источников света, оказывающих как правило наибольшее воздействие.

Запуск процедуры расчёта и установка необходимых для расчета параметров могут быть реализованы в качестве отдельных функциональных окон программы, интегрированных в общий интерфейс базовой САПР, при этом вызов данных функций целесообразно встроить в доступные для базовой платформы средства взаимодействия с пользователем (консольные команды, кнопки интерфейса, контекстные меню объектов).

Отдельно необходимо отметить, что при необходимости процесс оптимизации режимов освещенности возможно проводить совместно с процессом оптимизации размещения осветительных приборов в помещении, особенно при условии решения задачи для систем совмещённого освещения. В таком случае на предварительном этапе целесообразно будет провести оптимальную расстановку светильников при условии распределения базового (нерегулируемого) светового потока осветительных приборов, после чего проводить комплекс мер по оптимизации режимов освещенности. При проведении процедуры расчёта в целях составления более детальной картины о распределении освещенности на рабочей поверхности, шаг сетки контрольных точек для определения освещенности целесообразно уменьшить относительно процедуры оптимизации режимов работы СОУПИ. При этом благодаря объектному подходу к описанию светотехнической продукции и конструкций здания реализация данного механизма может быть произведена способами аналогичными способам для реализации модуля по оптимизации режимов освещения.

Формализация вывода результатов расчёта

Итоговые результаты оптимизации должны быть доступны к восприятию как специалистам, производящим пуско-наладку и эксплуатацию оборудования, так и в формате доступном для дальнейшей машинной обработки. В таком случае целесообразна разработка мета-формата (например, xml) в котором будут указаны данные о мощности излучения каждого источника света (по доступным каналам излучения) входящего в осветительный прибор для каждого предполагаемого режима освещенности, а также сведения позволяющие идентифицировать светильник и иная необходимая техническая информация. Затем данный формат преобразуется в формат, соответствующий требованиям оформления проектной документации, например формируется таблица, для вставки на графический лист или в пояснительную записку проекта, в данной таблице также будут отражены сведения о мощности источников света (например, в процентах от максимальной) и режимы работы СОУПИ, с указанием времени работы при необходимости. В дальнейшем при наличии интерфейсов программирования (API) для источников света применяемых в рамках используемой (проектируемой) системы освещения, целесообразно написание специальных программ (программных модулей) транслирующих мета-описание режимов работы СОУПИ в формат команд предусмотренный API с применением доступных конструкций языков программирования высокого уровня совместимых с данным API.

Заключение

В данной статье была рассмотрена проблематика увеличения сложности проектирования систем освещения ввиду увеличения возможностей в части управления их параметрами. Исходя из представленных выше материалов, можно сделать вывод, о том, что в обозримом будущем ручные методы моделирования режимов работы сетей освещения будут не востребованы ввиду все возрастающей сложности, в связи с чем предложенные в статье концепции по автоматизации процедуры проектирования режимов СОУПИ являются актуальными и подлежат дальнейшей детализации и проработке.