CN102484929A - 用于控制包括多个安装的光源和外部光源的空间中的光分布的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于控制包括多个安装的光源和外部光源的空间中的光分布的方法和系统。在该空间内的不同测量区域测量来自所述光源的光的亮度水平。基于所测量的亮度水平对测量区域中的每一个确定加权亮度水平，其中加权亮度水平指示在不同测量区域光源对测量的亮度水平的贡献。此加权亮度水平用作调谐参数来调谐在安装的光源处发出的光，使得在不同测量区域中的每一个处的加权亮度水平基本上匹配在不同测量区域的预先限定的目标亮度水平。

Description

用于控制包括多个安装的光源和外部光源的空间中的光分布的方法

技术领域

本发明涉及用于控制包括多个安装的光源和外部光源的空间中的光分布的方法和系统。

背景技术

世界能源的40%消耗在建筑物中：18%消耗在商业建筑物中且21%消耗在住宅建筑物中。在商业建筑物中，26%仅仅花费在照明上。但是，在商业建筑物中，有充足的机会来以某种方式利用自然光(日光)来减小用于灯的电能。当前存在这种产品，有时称作日光收获。通常，采用单个传感器和控制系统来控制在办公室或建筑物的空间里的光。这导致总体不均匀的光分布。此外，进行光设置以满足办公室/空间的最暗部分，从而导致多于必需的电能消耗。

Singhvi等人的Intelligent Light Control Using Sensor Networks, SenSys, ACM, 2005公开了一种使用传感器网络的智能光控制，其中描述了在满足不同居住者光偏好或需要与最小化消耗之间的权衡。根据此参考，使用效用函数来满足不同用户的需要，其中对每个用户使用一个光电传感器，以及在日光情况下使用附加传感器来测量日光。根据此参考，使用搜索算法解决了光分布的优化。

此参考的问题在于，每个用户实施一个传感器，这意味着在例如具有多个光源的单个占用者的办公室中，当例如存在来自办公室窗户的光的快速变化(突然阴天)时不能控制光分布。在这样的情形下，在房间内从窗户延伸到房间的相对侧可能存在大的不均匀性，第一光源可以安装在窗户处，第二光源可以安装在房间的相对侧。

本发明的发明人已认识到改进的光控制是有益的且因此设计了本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供管理和控制诸如单个办公室空间的空间中的光分布的改进的方式，在该空间中存在诸如来自窗户的自然日光或日光收获器之类的外部光源。

根据第一方面，本发明涉及一种控制包括多个安装的光源和外部光源的空间中的光分布的方法，包括：

-      在所述空间内的不同测量区域测量来自所述光源的光的亮度水平，

-      基于测量的亮度水平确定所述测量区域中每一个的加权亮度水平，所述加权亮度水平指示在所述不同测量区域光源对测量亮度水平的贡献；以及

-      利用加权亮度水平作为调谐参数来调谐在安装的光源处发出的光使得在不同测量区域中每一个处的加权亮度水平基本上匹配在不同测量区域的预先限定的目标亮度水平。

因此，提供一种自适应光控制方法，其允许根据预先限定的目标亮度水平来完全地控制在空间内的光分布，使得光分布取决于该空间内的所需目标亮度水平是恒定还是不恒定(例如，在空间的一侧光水平更高)而变得均匀或不均匀。假定外部光源为来自窗户的日光，在该空间内的亮度水平将自动地调谐直到在房间内的亮度水平基本上匹配如由预先限定的目标亮度水平所限定的亮度水平为止。因此，该方法不仅导致在该空间内的完全受控制的光分布而且也导致能量节省，因为在安装的光源处的光水平可根据窗户造成的亮度水平如何变化来调谐。

在一实施例中，确定加权亮度水平的步骤包括：

-      计算所述不同测量区域的预先限定的目标亮度水平与所述测量亮度水平之间的差；

其中n为时间指示量（indicator），

为在k个不同测量区域的预先限定的目标亮度水平且向量元素

指示在相应测量区域的目标光照水平且其中

为在k个不同测量区域的测量亮度水平，以及

-      使计算的差

乘以权重因子矩阵A，N为安装的光源数量，其中权重因子矩阵A的元素

指示N个安装的光源对不同测量区域的测量亮度水平的权重。下标‘T’仅表示转置向量。

在一个实施例中，通过迭代地调整调谐参数直到满足

来执行调谐在所述安装的光源发出的光的步骤，

为长度N列向量，

为在

之前的调谐参数且μ为自适应步长指示量。

在一个实施例中，向量元素

为相等的目标值。以此方式，如例如由用户例如经由适当计算机界面限定的目标亮度水平为单个亮度水平(即，测量亮度水平应当在任何地方相同)，使得在向量元素为

是相等目标值的情况下在该空间内得到恒定均匀光分布。

在另一实施例中，向量元素中的两个或更多为不等目标值。以此方式，目标亮度水平包含两个或更多目标亮度水平，这意味着能限定该空间内的目标亮度水平。这在下面的情况下是特别有利的，例如，该空间为会议室，其中离外部光源(例如窗户)最远的房间一侧具有投影仪和屏幕，其中要求投影仪附近的光水平低，但在观众所处的地方光水平较高。这里均匀性将由该空间中的人体验到，使得他/她将不会体验到在两个相邻光源之间亮度水平的突然突发变化，尽管在放置这些光源的区域处的目标亮度水平不同，但人可体验到光逐渐增加/减小且因此均匀性将以这样的持续变化而非突发变化反映出来。

这也可实施于组合了安装的光源和外部光源的开放空间办公室中，其中在该空间内的每个个体的占用者能根据该区域占用者的具体需要或偏好来选择分配给占用者的办公室空间区域的亮度水平。分配给占用者的每个区域可具有一个或多个安装的光源和一个或多个传感器。在光分布中的均匀性将在开放空间办公室的每个分配区域内得到。开放办公室空间的占用者将不会体验到两个相邻区域之间的亮度水平的突然突发变化，但是在在办公室空间中观看/移动时可以体验到亮度水平的逐渐增加/减小。因此，均匀性将以持续方式而非突发变化方式反映出来。因此光分布当在整个办公室空间中被观看时可被描述为受控制的非均匀状态。

在一个实施例中，权重因子矩阵A为归一化矩阵，使得权重因子矩阵的权重因子矩阵元素

被分配在0与1之间的权重值。

在一个实施例中，该方法还包括检测用户在所述空间内给定区域的存在，其中在选自这些区域的给定区域内未检测到存在的情况下，减小在该给定区域处的目标光照水平。因此，当针对这些区域中的一个或多个区域未检测到用户存在时，这一个或多个区域的目标光照水平(向量u)将减小(例如，减小至零)且以此方式将节省更多能量。

根据另一方面，本发明涉及一种计算机程序产品，当该产品在计算机上运行时，用于指示处理单元来执行上文所述的方法步骤。

根据又一方面，本发明涉及一种用于控制在包括内部光源和外部光源的空间中的光分布的系统，包括：

-      传感器，其用于在该空间内的不同测量区域测量来自所述光源的光的亮度水平，

-      处理器，其用于基于测量的亮度水平来确定所述测量区域中每一个的加权亮度水平，加权亮度水平指示在所述不同测量区域光源对测量亮度水平的贡献；

-      控制单元，其利用加权亮度水平作为调谐参数来调谐在安装的光源处发出的光，使得在不同测量区域中每一个处的加权亮度水平基本上匹配在不同测量区域的预先限定的目标亮度水平。

因此，提供了一种系统，其能根据如可由用户手动选择的预先限定的目标亮度水平所限定的个体亮度水平要求来自适应地控制在空间内的亮度水平。

在一个实施例中，界面为计算机界面。以此方式，提供一种用户友好的方式来允许系统的用户手动地选择所需目标亮度水平。

在一个实施例中，该系统还包括：占用传感器，其用于检测用户在所述空间内的给定区域的存在，其中在选自这些区域的一个或多个区域内未检测到存在的情况下减小在给定区域的目标光照水平。

一般而言，在本发明的范围内，本发明的各种方面可以以任何可能方式来组合和联合。参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面、特征和/或优点将会清楚明白并得以阐明。

附图说明

现将参考附图仅以举例说明的方式描述本发明的实施例，在附图中：

图1示出根据本发明的控制包括多个安装的光源和外部光源的空间中的光分布的方法的实施例，

图2示出如何在其中外部光源是通过窗户到来的日光且内部光源是光源的空间中实施本发明的一个实施例的方块图，

图3示出包含窗户和四个光源的单个用户办公室空间的配置，

图4示出针对图3中给出的办公室配置实例的所提出的自适应方法的表现，以及

图5示出根据本发明的用于控制包括内部光源和外部光源的空间中的光分布的系统的实施例。

具体实施方式

图1示出根据本发明的控制包括多个安装的光源和外部光源的空间中的光分布的方法的实施例。该空间可例如是单个办公室空间、大开放办公室空间、较大空间的一部分、起居室等。

在步骤(S1)101中，在空间内的不同测量区域测量来自所述光源的光的亮度水平，其中测量区域可例如为点状测量区域(例如，在空间的天花板上的20个不同的地点)或者非点状测量区域。在多个测量区域测量来自所述光源的光的目的是为了得到在该空间内的光分布。假定测量区域的数量为k且N为安装的光源的数量，那么在每个区域的测量的亮度水平

假定具有来自k个区域处的N个安装的内部光源的贡献，其中光水平

，以及来自k个区域的日光亮度水平的贡献，其中

，其中n为时间指示量。

作为实例，

为在测量区域nr. 6的测量亮度水平且

为归因于外部光源(例如窗户)的对测量亮度水平的贡献，且

为光源nr. 2处的实际光水平。

在步骤(S2)103，对于所述测量区域中的每一个，基于测量亮度水平来确定加权亮度水平，其中加权亮度水平指示在所述不同测量区域光源对测量的亮度水平的贡献。因此，如果例如光源数量为三个，l1、l2和l3，且测量区域数量为两个，m1和m2，那么在m1的加权亮度水平为例如来自l1的0.7，来自l2的0.5且来自l3的0.2。假定光源是相同的，这将意味着l1是最靠近m1的光源，l2为第二靠近的光源等。

在一个实施例中，确定加权亮度水平的步骤包括计算在所述不同测量区域的预先限定目标亮度水平与所述测量的亮度水平之间的差；

，                                                    （1）

其中

为在k个不同测量区域的预先限定的目标亮度水平，且向量元素指示在相应测量区域的目标光照水平。向量元素

可或者具有相等目标值，这意味着目标亮度水平在该空间内的任何位置相同，或者向量元素

中的两个或更多个为不等的目标值，这意味着目标光照水平并非在任何地方相同。

因此，等式(1)确定了在每个相应测量区域处测量亮度水平和目标亮度水平之间的差。随后，使所计算的差

乘以

权重因子矩阵A，其中N为安装的光源数量，且权重因子矩阵A的元素指示N个安装的光源对不同测量区域的测量亮度水平的权重。矩阵的列(或行)指示在该空间内的光源对测量光的贡献。参看上述实例，m1可认为是一列(或行)，其中第一元素为0.7，第一列中的第二元素为0.5且第三元素为0.2。这将在后面更详细地讨论。

在步骤(S3)105，该加权亮度水平用作调谐参数来调谐在安装的光源发出的光，使得在不同测量区域中每一个处的加权亮度水平基本上匹配在不同测量区域的预先限定的目标亮度水平。

在一个实施例中，通过迭代地调整调谐参数

直到满足下式来执行调谐在安装的光源发出的光的步骤：

                                                (2)

为在

之前的调谐参数且μ为通常在0与1之间的自适应步长指示量。应当指出的是，预先限定的目标亮度水平向量

已经在等式(1)中所计算的差

时考虑。

等式(2)实际上最小化了在两个随后时间点之间在测量区域处的测量亮度水平的均方误差(差)，其中等式(2)实际上为下式的简化：

。                                               (3)

此等式表述了被自适应步长指示量μ乘并被被加到先前的光设置x(n-1)（即被加到先前的调谐参数）的“误差”或差

的梯度应等于(或基本上等于)随后的调谐参数x(n)。因此，在每个相应光源处的光控制基于自适应调谐该调谐参数x(n)使得满足等式(3)，即等式(2)，即使得到达趋向稳态的收敛，其最小化均方误差。

图2示出如何在其中外部光源是通过窗户201到来的日光且其中空间包括内部光源202的空间中实施本发明的一个实施例的方块图。使用传感器203在办公室内的不同指定区域测量光亮度水平。使用这多个传感器203测量来自所述光源201和202的光的目的是为了获得在该空间内的光分布。能使用以下等式来描述在每个传感器处的测量的亮度水平：

，                                                      (4)

其中

、

和A全都在先前定义。在第一瞬时在控制单元204处，对于每个区域，使用等式(1)来确定测量的加权亮度水平与一个或多个用户通过计算机界面(未图示)选择的预先限定的所需亮度水平之间的差。

每个区域的加权亮度与预先限定的目标亮度水平之间的差被用作调谐参数来调谐控制单元204处在第二瞬时发出的光，使得在不同测量区域的每一个处的加权亮度水平基本上匹配在不同测量区域的预先限定的目标亮度水平。使用等式(2)进行调谐。

通过迭代地调整调谐参数

直到等式(2)到达稳态值来执行在安装的光源处发出光的调谐。将这些值提交到控制光源202的调光控制（dimming controls）205。

图3示出包含窗户和四个光源303a-d的单个用户办公室空间300的配置。在此具体实例中，假定办公室具有矩形形状且由单个用户占用。在办公室的地板视图中，可在上角落中发现窗户301，这将形成不想要的非均匀光分布。在此实例中，使用四个传感器302a-d，在每个光源303a-d下方一个，来测量亮度水平。应当指出的是，传感器的数量不必等于光源数量。而且，传感器不必靠近或紧邻光源。实施传感器数量的目的是为了(如之前所提到的那样)得到在该空间内的光分布。在此实例中，归一化关系矩阵A从校准测量预先决定为：

这些数量描述不同光源如何相对于不同传感器定位和因此每个光源对在每个传感器位置测量的总亮度水平的贡献。来自每个光源303a-d的最大光归一化为1。这意味着例如第一列对应于第一测量区域且指示1.0为来自最靠近测量区域的第一光源(第一线)的亮度水平(且因此最高)，0.5为来自第二光源(第二线)的亮度水平，0.25为来自第三光源(第三线)的亮度水平等。同样，第二列对应于第二测量区域且指示0.5为来自第一光源(第一线)的亮度水平，1.0为来自最靠近第二测量区域的第二光源(第二线)的亮度水平等。应当指出的是，列1-4也能仅认为是光源数量且行1-4可认为是测量区域的数量。

参看等式(4)，测量的亮度水平可如下描述：

，

其中在测量点来自窗户的归一化亮度水平假定为(此为经由简单地通过以那种方式估计的预先校准步骤而确定的量)且在每个测量点的归一化目标亮度水平可设置为

。在使用了所提议的自适应方法之后，到达稳态结果，其中紧邻窗户301的光源303a关掉，紧邻门的光源303b调光至43%且安装于阴暗区域中的光源303c、303d被调光到几乎全容量，分别到达95%和98%。与全部光源303在全容量下使用相比，这种结果具有约40%的照明能量减少。

图4示出用于图3中给出的办公室配置实例的提议的自适应方法的表现。该曲线示出每个光源处的调光输出作为循环迭代或时间函数从其中每个光源开启至100%的初始状态的变化，直到通过成功地使用所提出的自适应方法而到达稳态为止。线401-404分别为光源1-4(s1-s4)的光开启的百分比。

图5示出根据本发明的用于控制包括内部光源和外部光源的空间中的光分布的系统500的实施例。该系统包括传感器(S)501、处理器(P)502和控制单元(C_U)503。

传感器可为任何类型的光电传感器或者光电检测器，例如，发光二极管(LED)传感器和/或光电二极管和类似物且适于在空间内的不同测量区域测量来自所述光源的光的亮度水平。

处理器(P)502适于基于测量的亮度水平来确定所述测量区域中每一个的加权亮度水平，其中加权亮度水平指示在所述不同测量区域处光源对测量的亮度水平的贡献。

控制单元(C_U)503可为调光器，其中例如一个调光器与每个光源(或两个或更多光源)相关联，其中调光器利用加权亮度水平作为调谐参数来调谐在安装的光源处发出的光，使得在不同测量区域中每一个处的加权亮度水平基本上匹配在不同测量区域的预先限定的目标亮度水平。如关于图1所讨论的那样，这些加权亮度水平被馈送到控制单元，其中

的光水平为控制内部光源的调光控制的水平。控制单元也将接收该空间的每个专用区域预先限定的目标亮度水平

。这些目标亮度水平可由该空间的一个或多个占用者根据其需要来手动设置。该空间的每个占用者可通过控制界面例如计算机界面来手动地设置该空间内的一个或多个区域的亮度水平目标。控制单元或处理器将计算每个区域的预先限定的目标亮度与测量亮度水平之间的差，。控制单元将通过使计算的差

乘以所述

归一化权重因子矩阵A来执行迭代调谐，其中归一化权重因子矩阵A的元素

为在0与1之间的数字且指示N个安装的光源对不同测量区域的测量的亮度水平的权重。因此来自每个内部光源的最大光归一化为最大值1。归一化权重因子矩阵A可通过校准阶段在早期进行校准而得到。这种迭代地调谐将调整调谐参数

直到所述等式：

收敛为稳态，在大部分情况下，这在其到达最小化均方误差的值时发生。在上述等式中参数

为在

之前的调谐参数且μ为自适应步长指示量。调谐参数然后将用于经由调光控制来设置内部光源的新光水平。

在一个实施例中，该系统500还包括用于检测用户在所述空间内给定区域的存在的占用传感器(O_S)504，其中在占用传感器未检测到在选自这些区域中的一个或多个区域中的存在的情况下，减小在该给定区域的目标光照水平。举例而言，当占用传感器并未检测到在给定空间的存在时，该系统将会减小该给定空间的目标光照水平即向量u，以节省更多能量。

虽然在附图和前文的描述中详细地示出和描述了本发明，这样的说明和描述将被认为是说明性的或示范性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。所公开的实施例的其它变型可由本领域技术人员在实践所主张的本发明时，通过学习附图、公开内容和所附权利要求而理解和实现。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤且不定冠词“一”不排除为多个。单个处理器或其它单元可完成权利要求中所陈述的若干项目的功能。在相互不同的从属权利要求中陈述特定措施这一起码事实并不表示不能使用这些措施的组合来取得益处。计算机程序可存储/分布于合适介质上，例如光学存储介质或者与其它硬件一起提供或者作为其它硬件的部分提供的固态介质，但也可以以其它形式分布，诸如经由因特网或者其它有线或无线电信系统。在权利要求中的任何附图标记不应被理解为限制范围。

Claims (11)

1.一种控制包括多个安装的光源(303a-c)和外部光源(301)的空间（300）中的光分布的方法，包括：

-      在所述空间内的不同测量区域测量(101)来自所述光源的光的亮度水平，

-      基于所述测量的亮度水平来确定(103)所述测量区域中每一个的加权亮度水平，所述加权亮度水平指示在所述不同测量区域所述光源对所述测量亮度水平的贡献；以及

-      利用所述加权亮度水平作为调谐参数来调谐(105)在安装的光源处发出的光使得在不同测量区域中每一个处的加权亮度水平基本上匹配在不同测量区域的预先限定的目标亮度水平。

2.根据权利要求1所述的方法，其中确定(103)所述加权亮度水平包括：

-      计算在所述不同测量区域的所述预先限定的目标亮度水平与所述测量亮度水平之间的差；

，

其中n为时间指示量，为在k个不同测量区域的预先限定的目标亮度水平且向量元素

指示在相应测量区域的目标光照水平且其中为在k个不同测量区域的测量的亮度水平，以及

-      使所述计算的差

乘以

权重因子矩阵A，且N为安装的光源数量，其中权重因子矩阵A的元素

指示N个安装的光源对在不同测量区域的测量的亮度水平的权重。

3.根据权利要求2所述的方法，其中通过迭代地调整调谐参数

直到满足

来执行调谐(105)在所述安装的光源处发出的光的步骤，

为长度N列向量，

为在

之前的调谐参数且μ为自适应步长指示量。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述向量元素

为相等的目标值。

5.根据权利要求2所述的方法，其中所述向量元素

中的两个或更多为不等的目标值。

6.根据权利要求2所述的方法，其中权重因子矩阵A为归一化矩阵使得所述权重因子矩阵的权重因子矩阵元素被分配在0与1之间的权重值。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括检测用户在所述空间内给定区域的存在，其中在未检测到选自所述区域的给定区域内的存在的情况下，减小在所述给定区域处的目标光照水平。

8.一种计算机程序产品，当所述产品在计算机上运行时，其指示处理单元来执行根据权利要求1所述的方法步骤。

9.一种用于控制包括内部光源(303a-d)和外部光源301的空间(300)中的光分布的系统(500)，包括：

-      传感器(501)，其用于在所述空间内的不同测量区域测量来自所述光源的光的亮度水平，

-      处理器(502)，其用于基于所述测量的亮度水平来确定所述测量区域中每一个的加权亮度水平，所述加权亮度水平指示在所述不同测量区域所述光源对所述测量亮度水平的贡献，

-      控制单元(503, 302a-d)，其利用所述加权亮度水平作为调谐参数来调谐在安装的光源发出的光，使得在不同测量区域中的每一个处的加权亮度水平基本上匹配在不同测量区域的预先限定的目标亮度水平。

10.根据权利要求或9所述的系统，其中所述界面为计算机界面。

11.根据权利要求9所述的系统，还包括占用传感器(504)，其用于检测用户在所述空间内的给定区域的存在，其中在占用传感器未检测到选自所述区域的一个或多个区域中的存在的情况下，减小在所述给定区域处的目标光照水平。

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