CN104133964A - 基于照明度标准差优化的室内led灯布置方法 - Google Patents

Abstract

一种模块化照明系统领域的基于照明度标准差优化的室内LED灯布置方法，首先建立室内房间的三维空间立体模型以确定LED灯布置的相关参数，并且于光线采集点所在的灯光接收平面上建立二维坐标平面，基于该二维坐标平面进行网格点离散取值，分别计算灯光接收平面上各个点的平均光照度值、整个二维坐标平面的平均光照度值及其标准差目标函数，在满足室内光照度要求的前提条件下，通过求解标准差目标函数的优化结果，得到优化的LED灯位置参数。本发明用于对室内场景环境下天花板上的LED灯布局进行优化，并使得室内环境具有均衡的LED照明度，方法简单，过程实施方便，具有可行性和实用性。

Description

基于照明度标准差优化的室内LED灯布置方法

技术领域

本发明涉及的是一种模块化照明系统领域的方法，具体是一种基于照明度标准差优化的室内LED灯布置方法。

背景技术

对于一般的室内照明系统来说，采用在天花板布置灯具是一种比较常见的照明系统布置方法。而随着照明系统节能降耗的需求日益增长，LED灯的应用也已经越发显现出它的优越性。与此同时，从室内照明的需求角度出发，对于普通的室内环境，包括居室、办公室、厂房、教室等场所，一般希望在室内的每一个位置都能够获得较好的照明度；或者说在室内环境的任意一个位置，照明度应该在允许的范围内变化不大。基于此，国际照明委员会照明标准——室内工作场所照明.照明工程学报，Vol.13，No.4，2002年12月：pp.55～60，国际标准ISO体系中关于室内工作场所照明的光照度要求为300～1500lx。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103234173，公开日2013.08.07，公开了一种基于高漫反射率自由曲面的LED均匀照明光源的设计方法。根据LED光源的发光特性，应用高漫反射率表面的双向反射分布函数BRDF，建立用于二次配光的自由曲面漫反射表面的一般数学模型。结合实际应用场合中对目标照明区域及其辐照度分布的具体要求，利用上述数学模型列写非线性代数方程组，并通过数值方法求解得到该漫反射自由曲面的面型轮廓。但该技术需要设计并实现一种特殊的高漫反射率自由曲面，并相应生产具有这种自由曲面面形轮廓灯罩的三环阵列LED光源，这对于LED光源具有特定的要求，不具有通用性。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于照明度标准差优化的室内LED灯布置方法，使得室内的照度分布均匀化，并且对于LED光源本身没有特定的要求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于照明度标准差优化的室内LED灯布置方法，首先建立室内房间的三维空间立体模型以确定LED灯布置的相关参数，并且于光线采集点所在的灯光接收平面上建立二维坐标平面，基于该二维坐标平面进行网格点离散取值，分别计算灯光接收平面上各个点的平均光照度值、整个二维坐标平面的平均光照度值及其标准差目标函数，在满足室内光照度要求的前提条件下，通过求解标准差目标函数的优化结果，得到优化的LED灯位置参数。

所述的LED灯布置的相关参数包括：光线采集点距离室内房间地面的高度、LED灯的半出射角、中心发光强度和阵列规模。

所述的LED灯布置的相关参数在具有初始LED灯布置于室内房间的天花板的情况下确定。

所述的初始LED灯布置是指：在房间天花板的几何中心位置布置一个LED灯阵列，例如在矩形的房间内，LED灯阵列位于矩形天花板的中心位置。

所述的灯光接收平面是与室内房间的天花板相平行的平面，该平面与室内房间形成的任意两条相交的直线作为二维坐标平面的X轴和Y轴，两条直线的交点作为坐标原点(0，0)。

所述的网格点离散取值是指：分别将二维坐标平面的x轴和y轴均匀划分为100等分，即整个二维坐标平面构成一个100×100的网格，相应每个网格中心点的坐标为(0.025+0.05j，0.025+0.05k)，选取每个网格中心点的光照度作为该网格点的平均光照度值，其中，j＝0,1,2,…,99，k＝0,1,2,…,99。

所述的每个网格中心点(x,y)的光照度E(x,y)计算表达式为：φ为光源的出射角、为该网格中心点的入射角、d为LED光源到该网格中心点(x,y)的直线距离、I(0)为LED灯的中心发光强度。

所述的整个二维坐标平面的平均光照度值为：

$\stackrel{\‾}{E}=\frac{1}{100\×100}\underset{j=0}{\overset{99}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{99}{\mathrm{\Σ}}}E(0.025+0.05j,0.025+0.05k),$

其中，j＝0,1,2,…,99，k＝0,1,2,…,99。

所述的优化的LED灯位置参数L_opt，即标准差目标函数f(L)的求解具体为：

$L_{\mathrm{opt}}=\underset{L}{\min }f\left(L\right)=\underset{L}{\min }\sqrt{\frac{1}{S}\underset{(x,y)}{\∫\∫}{[E(x,y)-\stackrel{\‾}{E}]}^2\mathrm{dxdy}},$

约束条件：a≤E(x,y)≤b，S为室内房间的灯光接收平面的面积，a、b为室内光照度要求的具体数值极限，L为LED灯与室内房间的墙面之间的距离。

所述的室内光照度要求是指光照度大于等于300且小于等于1500。

所述的光照度的计算只考虑直射路径的照度而忽略反射路径的照度。

所述的室内房间的高度与光线采集点所在灯光接收平面距离地面的高度之比为3:1。

本发明涉及一种基于上述方法的LED照明装置，该装置包括设置于室内房间天花板的若干LED阵列，各个LED阵列与室内房间墙面之间的距离由前述方法获得。

所述的LED阵列的数量为4个，分别设置于室内房间天花板的4个角的区域，各个LED阵列包括60×60的LED灯。

所述的室内房间的高度与光线采集点所在灯光接收平面距离地面的高度之比为3:1的情况下，天花板在长度和宽度方向上分别等分为5份，则4个LED阵列与室内房间墙面之间的距离为0.95。

本发明用于对室内场景环境下天花板上的LED灯布局进行优化，并使得室内环境具有均衡的LED照明度，方法简单，过程实施方便，具有可行性和实用性。

附图说明

图1为实施例1的室内房间结构示意图；

图2为LED阵列均设置于天花板中心处，高度z＝0.85米的灯光接收平面上的照度分布情况

图3为天花板平面在长度和宽度上建立坐标系的示意图；

图4为LED阵列与室内房间的墙面之间的距离L＝0时的室内照度分布情况；

图5为LED阵列与室内房间的墙面之间的距离L＝1.5时的室内照度分布情况；

图6为实施例2的室内照度分布情况；

图7为室内可见光“LED阵列分布——照度均方差”关系曲线图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例使用Matlab仿真软件在设定的室内环境模型下建立和仿真室内LED光源，如图1和图3所示，房间长度和宽度各为5米，房间高度为2.5米，当光线采集点所在灯光接收平面距离地面的高度z为0.85米。本实施例中只考虑直射路径的照度，忽略反射路径的照度。

LED灯布置的相关参数为：LED半出射角φ_1/2为60°；中心发光强度I(0)为0.14cd；LED阵列规模为4个60×60共3600个。

第一种情况，假设4个60×60的LED阵列均设置于天花板中心处，则高度z＝0.85米的灯光接收平面上的照度分布情况如图2所示，可见，该情况下，首先无法满足室内照明的需求。其次，房间四个角落位置与房间中心位置的照度变化很大，不能满足均匀性的要求。

如图3所示，当天花板平面在长度和宽度上建立坐标系，第二种情况，四个LED阵列分别安置在天花板的(0,0)、(0,5)、(5,0)、(5,5)处，即LED灯与室内房间的墙面之间的距离L＝0，则室内照度分布如图4所示。

第三种情况，考虑把四个LED光源分别安置在天花板的(1.5,1.5)、(1.5,3.5)、(3.5,1.5)、(3.5,3.5)处，即LED灯与室内房间的墙面之间的距离L＝1.5时的室内照度分布如图5所示。

国际标准ISO体系中关于办公照明的光照度要求为300～1500lx。因此只要LED的数量够多，上述的第二种和第三种情况均满足照明要求。但与此同时也要看到，以上几种典型情况下，房间高度z＝0.85米的接收平面上的照度分布均匀性都不理想。

本实施例的方法是：首先建立室内房间的三维空间立体模型以确定LED灯布置的相关参数，包括：光线采集点距离室内房间地面的高度、LED灯的半出射角、中心发光强度和阵列规模；并且于光线采集点所在的灯光接收平面上建立二维坐标平面，基于该二维坐标平面进行网格点离散取值，分别计算灯光接收平面上各个点的平均光照度值、整个二维坐标平面的平均光照度值及其标准差目标函数，在满足室内光照度要求的前提条件下，通过求解标准差目标函数的优化结果，得到优化的LED灯位置参数。

具体步骤为：

1)灯光接收平面是与室内房间的天花板相平行的平面，该平面与室内房间形成的任意两条相交的直线作为二维坐标平面的X轴和Y轴，两条直线的交点作为坐标原点(0，0)。

2)分别将二维坐标平面的x轴和y轴均匀划分为100等分，即整个二维坐标平面构成一个100×100的网格，相应每个网格中心点的坐标为(0.025+0.05j，0.025+0.05k)，选取每个网格中心点的光照度作为该网格点的平均光照度值，其中，j＝0,1,2,…,99，k＝0,1,2,…,99。

3)所述的每个网格中心点(x,y)的光照度E(x,y)计算表达式为：φ为光源的出射角、为该网格中心点的入射角、d为LED光源到该网格中心点(x,y)的直线距离、I(0)为LED灯的中心发光强度。

4)所述的整个二维坐标平面的平均光照度值为：

$\stackrel{\‾}{E}=\frac{1}{100\×100}\underset{j=0}{\overset{99}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{99}{\mathrm{\Σ}}}E(0.025+0.05j,0.025+0.05k),$

其中，j＝0,1,2,…,99，k＝0,1,2,…,99。

5)在以上基于网格点离散取值的情况下，选定本实施例待优化的标准差目标函数表达式为 $f\left(L\right)=\sqrt{\frac{1}{100\×100}\underset{j=0}{\overset{99}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{99}{\mathrm{\Σ}}}{[E(0.025+0.05j,0.025+0.05k)-\stackrel{\‾}{E}]}^2}.$

6)所述的优化的LED灯位置参数L_opt，即标准差目标函数f(L)的求解具体为：

$L_{\mathrm{opt}}=\underset{L}{\min }f\left(L\right)=\underset{L}{\min }\sqrt{\frac{1}{S}\underset{(x,y)}{\∫\∫}{[E(x,y)-\stackrel{\‾}{E}]}^2\mathrm{dxdy}},$

约束条件：a≤E(x,y)≤b，S为室内房间的灯光接收平面的面积，a、b为室内光照度要求的具体数值极限，L为LED灯与室内房间的墙面之间的距离。求解可得到L的最优值L_opt＝0.95，即通过上述方法所得到的四个最优室内LED阵列布置的位置为：(0.95,0.95)，(4.05,0.95)，(0.95,4.05)，(4.05,4.05)。

实施例2

本实施例LED照明装置包括设置于室内房间天花板的若干LED阵列，各个LED阵列与室内房间墙面之间的距离由前述方法获得。

所述的LED阵列的数量为4个，分别设置于室内房间天花板的4个角的区域，各个LED阵列包括60×60的LED灯。

所述的室内房间的高度与光线采集点所在灯光接收平面距离地面的高度之比为3:1的情况下，天花板在长度和宽度方向上分别等分为5份，则4个LED阵列与室内房间墙面之间的距离为0.95。

如图6所示为上述当L_opt＝0.95时，四个LED光源下z＝0.85米的灯光接收平面上光照度的最优分布图。从图中可以看到，光照度满足国际标准ISO体系的要求，而且相比于图2、图4和图5中的LED灯布置情况，该最优情况下光照度的标准差很小，因此在整个灯光接收平面上的照明度均匀性最好。

如图7所示为该实施例中室内可见光“LED光源分布——照度均方差”关系曲线图。从图中也可以很清楚地看到，均方差曲线在L_opt＝0.95时达到最小值，表明在该情况下其性能最佳，该结果也与图6中的结果相一致。说明使用了本方法所提出的方法来设计室内LED灯的布置，可以使得光线采集点平面上的照明度最为均匀，具有很好的优越性。

Claims (9)

1.一种基于照明度标准差优化的室内LED灯布置方法，其特征在于，首先建立室内房间的三维空间立体模型以确定LED灯布置的相关参数，并且于光线采集点所在的灯光接收平面上建立二维坐标平面，基于该二维坐标平面进行网格点离散取值，分别计算灯光接收平面上各个点的平均光照度值、整个二维坐标平面的平均光照度值及其标准差目标函数，在满足室内光照度要求的前提条件下，通过求解标准差目标函数的优化结果，得到优化的LED灯位置参数；

所述的LED灯布置的相关参数包括：光线采集点距离室内房间地面的高度、LED灯的半出射角、中心发光强度和阵列规模；

所述的LED灯布置的相关参数在具有初始LED灯布置于室内房间的天花板的情况下确定。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的网格点离散取值是指：分别将二维坐标平面的x轴和y轴均匀划分为100等分，即整个二维坐标平面构成一个100×100的网格，相应每个网格中心点的坐标为(0.025+0.05j，0.025+0.05k)，选取每个网格中心点的光照度作为该网格点的平均光照度值，其中，j＝0,1,2,…,99，k＝0,1,2,…,99。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述的每个网格中心点(x,y)的光照度E(x,y)计算表达式为：φ为光源的出射角、为该网格中心点的入射角、d为LED光源到该网格中心点(x，y)的直线距离、I(0)为LED灯的中心发光强度。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征是，所述的整个二维坐标平面的平均光照度值为：

$\stackrel{\‾}{E}=\frac{1}{100\×100}\underset{j=0}{\overset{99}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{99}{\mathrm{\Σ}}}E(0.025+0.05j,0.025+0.05k),$

其中，j＝0,1,2,…,99，k＝0,1,2,…,99。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征是，所述的优化的LED灯位置参数L_opt，即标准差目标函数f(L)的求解具体为：

$L_{\mathrm{opt}}=\underset{L}{\min }f\left(L\right)=\underset{L}{\min }\sqrt{\frac{1}{S}\underset{(x,y)}{\∫\∫}{[E(x,y)-\stackrel{\‾}{E}]}^2\mathrm{dxdy}},$

约束条件：a≤E(x,y)≤b，S为室内房间的灯光接收平面的面积，a、b为室内光照度要求的具体数值极限，L为LED灯与室内房间的墙面之间的距离。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述的室内光照度要求是指光照度大于等于300且小于等于1500；所述的光照度的计算只考虑直射路径的照度而忽略反射路径的照度；所述的室内房间的高度与光线采集点所在灯光接收平面距离地面的高度之比为3:1。

7.一种实现权利要求1-6中任一所述的方法的LED照明装置，其特征在于该装置包括设置于室内房间天花板的若干LED阵列，各个LED阵列与室内房间墙面之间的距离由权利要求1-7任一项所述的方法获得。

8.根据权利要求7所述的的LED照明装置，其特征是，所述的LED阵列的数量为4个，分别设置于室内房间天花板的4个角的区域，各个LED阵列包括60×60的LED灯。

9.根据权利要求8所述的的LED照明装置，其特征是，所述的室内房间的高度与光线采集点所在灯光接收平面距离地面的高度之比为3:1的情况下，天花板在长度和宽度方向上分别等分为5份，则4个LED阵列与室内房间墙面之间的距离为0.95。