CN109922586B - 基于室内照度和人员位置移动模型的智能照明控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于室内照度和人员位置移动模型的智能照明控制方法，包括以下步骤：构建办公室自然光照度场模型；构建办公室灯光照度场模型；构建人员位置移动模型；在每个时间步长内，根据自然光照度场模型、灯光照度场模型获取办公室的光照数据，并根据人员位置移动模型以及办公室的光照数据对办公室的灯光系统进行智能照明控制；本发明的优点在于维护成本低，能耗低，节能效果好。

Description

基于室内照度和人员位置移动模型的智能照明控制方法

技术领域

本发明涉及智能照明控制领域，更具体涉及无中心扁平化新型建筑平台上的智能照明控制系统。

背景技术

照明控制是采用自动控制技术及智能管理技术对建筑及环境照明的光源或灯具设备的开启、关闭、调节、组合、场景模式等实施控制与管理，以达到对建筑节能、环境艺术和传感联动等目的。

传统的照明控制大多采用节能灯泡实现节约能源，但是随着科技水平的发展及对智能照明技术要求的不断提高，传统的照明控制方法的缺点日益凸显，例如因为不能保证随时对现场进行巡视，在上班时间段，照明一直开启，无法根据现场人员的活动状况、自然光线的强度等开、关照明，所以照明的有效利用率非常低，浪费能源的情况非常严重；除此之外，如工作人员或者家人出门后忘记关灯或者匆忙没有及时关灯都会导致照明没有关闭而造成能源的大量浪费。综上所述，传统的照明控制方法已经不能够很好的达到降低能耗的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于现有技术的照明控制方法造成能源的大量浪费，不能很好的降低能耗的问题。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：基于室内照度和人员位置移动模型的智能照明控制方法，包括以下步骤：

步骤一：构建办公室自然光照度场模型；

步骤二：构建办公室灯光照度场模型；

步骤三：构建人员位置移动模型；

步骤四：在每个时间步长内，根据自然光照度场模型、灯光照度场模型获取办公室的光照数据，并根据人员位置移动模型以及办公室的光照数据对办公室的灯光系统进行智能照明控制。

优选的，所述步骤一包括：

对预设的工作面上的每一点，利用边界积分法，获取窗户各边在计算点处的张角；并将该点所在工作面作为第一平面，包含该点与窗户的边的平面作为第二平面，获取所述第一平面和第二平面之间的平面夹角；

根据公式

计算室内各点的照度，其中，

E_D为室内D点的照度；β_k为面光源的第k条边界线在D点所形成的张角；δ_k为面光源的第k条边界线和D点所形成的第二平面与D点所在第一平面所形成的夹角；L为面光源的亮度，单位cd/m²；工作面D点与光源顶点F在同一平面上；

获得工作面上的等照度曲线，并根据所述等照度曲线建立办公室自然光照度场模型。

优选的，所述步骤二包括：

利用公式，dI_θα＝I'_θαdx cosⁿα，计算线状光源上的各个线元照射到工作面上计算点的光强的导数，其中，

dI_θα为线元照射到工作面上计算点的光强的导数；I_θα为线元指向工作面上计算点的光强，单位为cd；d_x为线元；I_θ0为线状光源与工作面上计算点形成的入射光平面上垂直于线状光源轴线的光强，单位为cd；cos()为余弦函数；n为指数；α为线元到工作面上计算点的直线与线元左端部到工作面上计算点的直线之间的夹角；I'_θ0为线状光源与工作面上计算点形成的平面上垂直于线状光源轴线的单位长度的光强，单位为cd，且

Q为线状光源的长度；

利用公式，

获取各个线元在工作面上各点的法线照度的导数，其中，

dE_n为各个线元在工作面上各点的法线照度的导数；l为线元到工作面上计算点的距离；

利用公式

获取各个线元在工作面上各点的法线照度，其中，

E_n为各个线元在工作面上各点的法线照度，

为积分符号，α₁是积分上限，是确定的常数；

利用公式

计算各个线元在工作面上各点的水平照度，其中，

E_h为各个线元在工作面上各点的水平照度，

为入射光平面与工作面的法线E_h的夹角；

将水平照度E_h作为办公室灯光照度场模型。

优选的，所述步骤三包括：

通过部署位置传感器进行追踪来对人员的位置进行记录，或者采用问卷调查的形式获取马尔科夫转移概率矩阵p_τ，根据人员位置初始状态矩阵更新马尔科夫转移概率矩阵p_τ，更新后的马尔科夫转移概率矩阵作为所述人员位置移动模型。

优选的，所述马尔科夫转移概率矩阵P_τ为：

马尔科夫转移概率矩阵中的元素p_ij＝P{X_τ+1＝j|X_τ＝i}，其中，τ为当前时刻，τ+1为下一时刻，X_τ为当前时刻的随机状态变量，X_τ+1为下一时刻的随机状态变量，j为编号为j的办公室，i为编号为i的办公室；p_ij表示办公人员在τ时刻位于办公室i，而下一时刻τ+1，人员位于办公室j的概率。

优选的，所述步骤四包括：

智能照明控制系统每个时刻根据人员位置移动模型输出的人员位置序列来判断当前办公室区域的人员数目情况；判断是否有办公人员；

若是，对工作面照度进行检测，当工作面的当前照度低于设定的标准值时，获取所述工作面的当前照度与设定的标准值之间的第一差值，并根据所述第一差值，利用自然光照度场模型以及灯光照度场模型，获取所要开启的灯的数量；并开启对应数量的灯；当工作面的当前照度高于设定的标准值时，获取所述工作面的当前照度与设定的标准值之间的第二差值，并根据所述第二差值，利用自然光照度场模型以及灯光照度场模型，获取所要关闭的灯的数量；并关闭对应数量的灯。

优选的，所述时间步长为上班时间段中的预设时间长度。

优选的，所述智能照明控制系统基于软件编程实现。

本发明还提供一种基于室内照度模型和人员位置移动模型的照明控制装置，包括第一建模单元、第二建模单元、第三建模单元以及控制单元，

所述第一建模单元，用于构建办公室自然光照度场模型；

所述第二建模单元，用于构建办公室灯光照度场模型；

所述第三建模单元，用于构建人员位置移动模型；

所述控制单元，用于在每个时间步长内，根据自然光照度场模型、灯光照度场模型获取办公室的光照数据，并根据人员位置移动模型以及办公室的光照数据对办公室的灯光系统进行智能照明控制。

优选的，所述第一建模单元，用于：

对预设的工作面上的每一点，利用边界积分法，获取窗户各边在计算点处的张角；并将该点所在工作面作为第一平面，包含该点与窗户的边的平面作为第二平面，获取所述第一平面和第二平面之间的平面夹角；

根据公式

计算室内各点的照度，其中，

E_D为室内D点的照度；β_k为面光源的第k条边界线在D点所形成的张角；δ_k为面光源的第k条边界线和D点所形成的第二平面与D点所在第一平面所形成的夹角；L为面光源的亮度，单位cd/m²；工作面D点与光源顶点F在同一平面上；

获得工作面上的等照度曲线，并根据所述等照度曲线建立办公室自然光照度场模型。

优选的，所述第二建模单元，用于：

利用公式，dI_θα＝I'_θαdx cosⁿα，计算线状光源上的各个线元照射到工作面上计算点的光强的导数，其中，

dI_θα为线元照射到工作面上计算点的光强的导数；I_θα为线元指向工作面上计算点的光强，单位为cd；d_x为线元；I_θ0为线状光源与工作面上计算点形成的入射光平面上垂直于线状光源轴线的光强，单位为cd；cos()为余弦函数；n为指数；α为线元到工作面上计算点的直线与线元左端部到工作面上计算点的直线之间的夹角；I'_θ0为线状光源与工作面上计算点形成的平面上垂直于线状光源轴线的单位长度的光强，单位为cd，且

Q为线状光源的长度；

利用公式，

获取各个线元在工作面上各点的法线照度的导数，其中，

dE_n为各个线元在工作面上各点的法线照度的导数；l为线元到工作面上计算点的距离；

利用公式

获取各个线元在工作面上各点的法线照度，其中，

E_n为各个线元在工作面上各点的法线照度，

为积分符号，α₁是积分上限，是确定的常数；

利用公式

计算各个线元在工作面上各点的水平照度，其中，

E_h为各个线元在工作面上各点的水平照度，

为入射光平面与工作面的法线E_h的夹角；

将水平照度E_h作为办公室灯光照度场模型。

本发明相比现有技术具有以下优点：

(1)与传统的集中式照明控制系统相比较，本发明的照明控制方法只需要将自然光照度场模型、灯光照度场模型以及人员位置移动模型作为输入参数输入智能照明控制系统，系统自动对办公区域进行智能照明控制，维护成本低；并且本发明能够有效利用自然光照度，自然光照度不满足室内照明要求时才利用灯光照度进行补偿，能耗低，节能效果好。

(2)本发明中的自然光照度模型可以用于各种朝向、各种布局和窗户位置的房间，只需要输入窗体的发光强度、房间的大小和窗户的大小位置等信息就可以生成该房间的自然光照度模型。

(3)本发明中的人员位置移动模型不受办公建筑布局的限制，可用于不同规模的建筑，通过输入初始状态矩阵和马尔科夫转移概率矩阵，就可以得到每个房间的人员信息和每个人员的移动路径。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对发明描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例所提供的基于室内照度和人员位置移动模型的智能照明控制方法的室内各点的照度的公式的推导示意图；

图2是本发明实施例所提供的基于室内照度和人员位置移动模型的智能照明控制方法的构建自然光照度场模型的示意图；

图3是本发明实施例所提供的基于室内照度和人员位置移动模型的智能照明控制方法的构建灯光照度场模型的示意图；

图4是本发明实施例所提供的基于室内照度和人员位置移动模型的智能照明控制方法的三个节点情况下转移概率的示意图；

图5是本发明实施例所提供的基于室内照度和人员位置移动模型的智能照明控制方法的事件机制的示意图；

图6是本发明实施例所提供的基于室内照度和人员位置移动模型的智能照明控制方法的智能照明控制流程图；

图7是本发明实施例所提供的基于室内照度模型和人员位置移动模型的照明控制装置的示意图；

图8是本发明实施例所提供的基于室内照度和人员位置移动模型的智能照明控制方法于一具体实施例中办公室自然光等照度曲线图；

图9是本发明实施例所提供的基于室内照度和人员位置移动模型的智能照明控制方法于一具体实施例中办公室灯光等照度曲线图；

图10是本发明实施例所提供的基于室内照度和人员位置移动模型的智能照明控制方法于一具体实施例中办公区域的平面图；

图11是本发明实施例所提供的基于室内照度和人员位置移动模型的智能照明控制方法于一具体实施例中402室在48个时间步长内的人员数目变化情况；

图12是本发明实施例所提供的基于室内照度和人员位置移动模型的智能照明控制方法于一具体实施例中采用常亮型照明模式、基于光线传感器的照明控制模式和本发明的控制方法在48个时间步长下的开关状态变化情况示意图；

图13是本发明实施例所提供的基于室内照度和人员位置移动模型的智能照明控制方法于一具体实施例中采用常亮型照明模式、基于光线传感器的照明控制模式和本发明的控制方法在48个时间步长内的累计耗电情况示意图。

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。

本发明提供一种基于室内照度和人员位置移动模型的智能照明控制方法，包括以下步骤：

步骤一：构建办公室自然光照度场模型，包括以下内容：

使用边界积分法来对室内的各个点进行定量的计算；

计算室内各点的照度的公式的推导如下：

如图1所示，在面光源S_e边界线上取一个线元dl，dl在D点所张的立体角为dβ，线元dl与D点形成的平面与D点所在的工作面形成的角度为δ，通过D点作一个半径为1m的球体，若此时面光源S_e面从球面上切下来的部分面积为S_O，面光源S_e上线元dl相对应的球面长度就是dβ，此时D点和球面上的长度dβ可组成一个三角形，其面积为

此三角形在工作面上的正投影面积为：

因此S_O在工作面上的正投影S可以用以下式子表示：

此时D点的照度E_D可表示为：

其中L为面光源亮度；

而在建筑领域，一般所使用的面光源均为规则的四边形，很少有不规则形状的面光源，那么四边形面光源在D点的照度按照上式可以表达为：

对预设的工作面上的每一点，利用边界积分法，获取窗户各边在计算点处的张角；并将该点所在工作面作为第一平面，包含该点与窗户的边的平面作为第二平面，获取所述第一平面和第二平面之间的平面夹角；

根据公式

计算室内各点的照度，其中，

E_D为室内D点的照度；β_k为面光源的第k条边界线在D点所形成的张角；δ_k为面光源的第k条边界线和D点所形成的第二平面与D点所在第一平面所形成的夹角；L为面光源的亮度，单位cd/m²；工作面D点与光源顶点F在同一平面上，且第一平面上D点到光源顶点F的距离为g；

如图2所示，将长宽分别为a和b的窗户ABCF作为面光源，工作面D点的照度由FA、AB、BC、CF四条边界线的照度叠加，其中，

对于FA边：利用公式β₁＝arctan(b/g),δ₁＝π/2，计算FA边在室内该点处的张角，其中，

β₁为面光源的第1条边界线FA边在D点所形成的张角；δ₁为面光源的第1条边界线FA边和D点所形成的平面与D点所在工作面所形成的夹角；b为窗户的宽度；arctan()为反正切函数；

对于AB边：利用公式

δ₂＝arctan(g/b)，计算AB边在室内该点处的张角，其中，β₂为面光源的第2条边界线AB边在D点所形成的张角；δ₂为面光源的第2条边界线AB边和D点所形成的平面与D点所在工作面所形成的夹角；a为窗户的长度；

对于BC边：利用公式

δ₃＝arctan(g/a)，计算BC边在室内该点处的张角，其中，β₃为面光源的第3条边界线BC边在D点所形成的张角；δ₃为面光源的第3条边界线BC边和D点所形成的平面与D点所在工作面所形成的夹角；

对于CF边：利用公式β₄＝arctan(a/g)，δ₄＝π/2，计算CF边在室内该点处的张角，其中，β₄为面光源的第4条边界线CF边在D点所形成的张角；δ₄为面光源的第4条边界线CF边和D点所形成的平面与D点所在工作面所形成的夹角。

对FA、AB、BC、CF四条边界线的照度叠加，求得

根据上述计算方法，利用MATLAB进行编程，计算工作面上所有点在面光源下的照度，获得工作面上的等照度曲线，并根据所述等照度曲线建立办公室自然光照度场模型。

步骤二：构建办公室灯光照度场模型，包括：

如图3所示，将办公室的照明灯具作为一个均匀发光的长度为Q的线状光源MN，工作面上G点与线光源MN一端对齐，利用公式，dI_θα＝I'_θαdx cosⁿα，计算线状光源上的各个线元照射到工作面上计算点的光强的导数，其中，

dI_θα为线元照射到工作面上计算点的光强的导数；I_θα为线元指向工作面上计算点的光强，单位为cd；d_x为线元；I_θ0为线状光源与工作面上计算点形成的入射光平面上垂直于线状光源轴线的光强，单位为cd；cos()为余弦函数；n为指数；α为线元到工作面上计算点的直线与线元左端部到工作面上计算点的直线之间的夹角；I'_θ0为线状光源与工作面上计算点形成的平面上垂直于线状光源轴线的单位长度的光强，单位为cd，且

Q为线状光源的长度；

利用公式，

获取各个线元在工作面上各点的法线照度的导数，其中，

dE_n为各个线元在工作面上各点的法线照度

利用公式

获取各个线元在工作面上各点的法线照度，其中，E_n为各个线元在工作面上各点的法线照度，l为线元到工作面上计算点的距离；

为积分符号，α₁是积分上限，是确定的常数；

从图中可以看出，

x＝r tanα

dx＝r sec²αdα

其中，x为线元d_x到M点的距离，r为M点到G点的直线距离，sec()为正割函数，

为入射光平面与工作面的法线E_h的夹角，h为从线光源一端的M点向下作垂线的高度，d为G点到M点向下的垂线的距离；θ为M点向下作的垂线与直线M G之间的夹角；

将上述参数代入公式

求得，

令

则：

将

代入

得

利用公式

计算各个线元在工作面上各点的水平照度，其中，E_h为各个线元在工作面上各点的水平照度；

将

以及

代入

求得

其中F_x为方位系数。

将水平照度E_h作为办公室灯光照度场模型。

步骤三：构建人员位置移动模型，包括：

通过部署位置传感器进行追踪来对人员的位置进行记录，或者采用问卷调查的形式获取马尔科夫转移概率矩阵p_τ，根据人员位置初始状态矩阵更新马尔科夫转移概率矩阵p_τ，更新后的马尔科夫转移概率矩阵作为所述人员位置移动模型。

办公人员每个时刻在建筑物中的位置记为马尔科夫过程中的随机状态变量X(τ)，办公建筑中的n个办公室编号1到n，该办公建筑以外的空间编号为0，那么马尔科夫转移概率矩阵p_τ可以表示为：

上述马尔科夫转移概率矩阵中的元素p_ij＝P{X_τ+1＝j|X_τ＝i}，表示在τ时刻处于i位置而下一时刻τ+1处于j位置的概率，也就是说办公人员在τ时刻位于办公室i，而下一时刻τ+1人员位于办公室j的概率，如图4所示为三个节点情况下转移概率的示意。办公人员的移动情况由初始状态矩阵和马尔科夫转移概率矩阵p_τ来确定，其过程如下式所示：

表示初始状态矩阵X(τ)结合马尔科夫转移概率矩阵p_τ得到τ+1时刻的状态矩阵X(τ+1)，即τ+1时刻的人员位置移动模型；

表示在τ时刻处于i位置结合马尔科夫转移概率矩阵中的元素p_ij得到下一时刻τ+1处于j位置。

如图5所示，由初始状态矩阵和马尔科夫转移概率矩阵p_τ可以得到办公建筑中人的总数量和人的行为之间的关系，即事件机制。定义“上班——工作——下班”这几个主要的事件行为活动，其中办公人员在一天的t₁至t₂时刻来上班，随后进入各自的办公室进行工作；最后在下班时间段(t₃至t₄时刻)办公人员从办公建筑中进入外部空间。

上班事件：办公人员的上班行为伴随着从建筑外空间到自己所属办公室的位置变化，仅仅和马尔科夫转移概率矩阵p_τ中这两个空间上的行和列元素有关，我们将建筑外空间记为0，自己所属的办公室记为1，上班行为开始的时间(最早上班时间)记为FA，上班行为的结束时间(最迟上班时间)记为LA，那么上班的行为可以用以下马尔科夫转移矩阵表示：

假设p₀₀，p₀₁不随时间发生变化，从上班行为的开始时间FA开始，办公人员的上班到达时间

是一个几何分布，平均上班到达时间E(FA)可以表示成：

即：

如果上班行为开始的时间和上班行为的结束时间相同，即FA＝LA，那么P₀₀＝1，此时的办公人员的上班时间是一个确定的数值，不再随机。

下班事件：办公人员的下班行为和上班行为类似，它发生的时间段通常是工作日工作结束后的一段时间，伴随着从建筑内办公室到建筑外空间的位置变化。办公人员的最早下班时间记为FL，最晚的下班时间记为LL，那么下班的行为可以用以下马尔科夫转移矩阵表示：

上式中建筑外空间记为0，办公建筑内办公室记为1，意味着办公人员会在某个时刻离开室内。与上班行为类似，从下班行为开始的时间FL开始，下午下班的时间

是一个几何分布，平均的下班时间E(FL)可以记为：

即：

如果最晚下班的行为发生时间和工作结束的时间点相一致，那么有p₁₁＝1，此时下班行为将发生在一个确定的时间。

采用马尔科夫过程来构建办公建筑中人员位置移动模型的优点：一是它能很好的保证了办公建筑内外的总人数守恒；二是能够描述办公人员位置和办公室人数的自相关性，具备了时间相关性和空间上的相关性，从而解决某时刻某人在哪、某办公室有多少人、都是谁的问题。

需要注意的是，在用马尔科夫过程近似的模拟办公人员移动时，我们假设人员的移动过程都可以在一个时间间隔内结束，因为办公建筑本身实际尺寸的限制，只要模拟仿真时的时间间隔设置的得当，那么该假设是完全符合的；另一方面，办公人员的个体移动是互相独立的，移动的时刻和移动的目标位置只取决于自己的马尔科夫转移概率矩阵，而且用一些简化的方法可获取这个转移概率矩阵。通过部署位置传感器进行追踪来对人员的位置进行记录，或者采用问卷调查的形式，都可以轻松的获取转移概率矩阵，根据该转移矩阵复现的人员移动情况必然与真实的情况是相吻合的。

步骤四：在每个时间步长内，根据自然光照度场模型、灯光照度场模型获取办公室的光照数据，并根据人员位置移动模型以及办公室的光照数据对办公室的灯光系统进行智能照明控制，具体包括：

如图6所示，初始化以后，判断是否为上班或者加班时间，如果是则读入人员位置移动模型，智能照明控制系统每个时刻根据人员位置移动模型输出的人员位置序列来判断当前办公室区域的人员数目情况；判断是否有办公人员；若是，则读入自然光照度场模型和灯光照度场模型即图中所示的室内照度场模型，对工作面照度进行检测，当工作面的当前照度低于设定的标准值时，获取所述工作面的当前照度与设定的标准值之间的第一差值，并根据所述第一差值，利用自然光照度场模型以及灯光照度场模型，获取所要开启的灯的数量；并开启对应数量的灯；当工作面的当前照度高于设定的标准值时，获取所述工作面的当前照度与设定的标准值之间的第二差值，并根据所述第二差值，利用自然光照度场模型以及灯光照度场模型，获取所要关闭的灯的数量；并关闭对应数量的灯，以节约电能消耗。

需要说明的是，获取所要开启的灯的数量和关闭的灯的数量的过程如下：利用MATLAB模拟灯的分布，将当前工作面的照度值、设定的标准值、自然光照度场模型以及灯光照度场模型输入MATLAB进行编程，MATLAB将办公室内所有的灯分布位置作为灯光初始分布阵列，从初始分布阵列中选择不同位置分布的灯的组合进行开启，模拟开启不同数量不同位置的灯，得到工作面的模拟照度值，将模拟照度值与设定的标准值比对，若满足照度要求，则将满足要求的灯光分布阵列，应用到当前办公室，对办公室对应数量对应位置的灯开启；以办公室中编号为1、2、3、4的四盏灯为例，四盏灯的分布位置作为灯光初始分布阵列，四盏灯有11种开启的组合，对每一种组合进行模拟，得到工作面的模拟照度值，将模拟照度值与设定的标准值比对，如果满足当前照度要求，就将该满足要求的组合应用到办公室，开启办公室对应位置的灯；很容易想到的，关闭灯光也是类似的控制过程，在此不再赘述。

所述时间步长为上班时间段中的预设时间长度。

具体的，所述智能照明控制系统基于软件编程实现。

如图7所示，本发明还提供一种基于室内照度模型和人员位置移动模型的照明控制装置，包括第一建模单元、第二建模单元、第三建模单元以及控制单元，所述第一建模单元、第二建模单元、第三建模单元分别与所述控制单元连接。

优选的，所述第一建模单元，用于构建办公室自然光照度场模型；

所述第二建模单元，用于构建办公室灯光照度场模型；

所述第三建模单元，用于构建人员位置移动模型；

所述控制单元，用于在每个时间步长内，根据自然光照度场模型、灯光照度场模型获取办公室的光照数据，并根据人员位置移动模型以及办公室的光照数据对办公室的灯光系统进行智能照明控制。

具体的，所述第一建模单元，用于：

对预设的工作面上的每一点，利用边界积分法，获取窗户各边在计算点处的张角；并将该点所在工作面作为第一平面，包含该点与窗户的边的平面作为第二平面，获取所述第一平面和第二平面之间的平面夹角；

根据公式

计算室内各点的照度，其中，

E_D为室内D点的照度；β_k为面光源的第k条边界线在D点所形成的张角；δ_k为面光源的第k条边界线和D点所形成的第二平面与D点所在第一平面所形成的夹角；L为面光源的亮度，单位cd/m²；工作面D点与光源顶点F在同一平面上，且第一平面上D点到光源顶点F的距离为g；

获得工作面上的等照度曲线，并根据所述等照度曲线建立办公室自然光照度场模型。

具体的，所述第二建模单元，用于：

利用公式，dI_θα＝I'_θαdx cosⁿα，计算线状光源上的各个线元照射到工作面上计算点的光强的导数，其中，

dI_θα为线元照射到工作面上计算点的光强的导数；I_θα为线元指向工作面上计算点的光强，单位为cd；d_x为线元；I_θ0为线状光源与工作面上计算点形成的入射光平面上垂直于线状光源轴线的光强，单位为cd；cos()为余弦函数；n为指数；α为线元到工作面上计算点的直线与线元左端部到工作面上计算点的直线之间的夹角；I'_θ0为线状光源与工作面上计算点形成的平面上垂直于线状光源轴线的单位长度的光强，单位为cd，且

Q为线状光源的长度；

利用公式，

获取各个线元在工作面上各点的法线照度的导数，其中，

dE_n为各个线元在工作面上各点的法线照度的导数；l为线元到工作面上计算点的距离；

利用公式

获取各个线元在工作面上各点的法线照度，其中，

E_n为各个线元在工作面上各点的法线照度，

为积分符号，α₁是积分上限，是确定的常数；

利用公式

计算各个线元在工作面上各点的水平照度，其中，

E_h为各个线元在工作面上各点的水平照度，

为入射光平面与工作面的法线E_h的夹角；

将水平照度E_h作为办公室灯光照度场模型。

最后，列举一个具体的实例对本发明提供的方案进行仿真，证明本发明的可实施性以及本发明相对现有技术的优点。

以一个建筑中的办公室为例来作为仿真的对象，该房间坐北朝南，其长度为6m，宽度为8.5m，高度为3.75m；窗户的尺寸为2.5m*2m，窗户的下沿距地面高度为1.2m，侧沿到房间拐角的距离为3m；办公室工作面的高度为0.75m。那么根据自然光照度场模型和灯光照度场模型就能计算出办公室工作面上每一个点的照度值，而在实际的应用中为了保证能准确描述工作面照度情况的同时还要使数据量尽可能的小以便于计算，我们每隔10厘米来设置一个监测点也即自然光照度场中的面光源，这样一个6m*8.5m的房间的采光情况就转化为了一个60*85的自然光照度场矩阵，图8是当光源发光强度在1800cd情况下生成的办公室自然光等照度曲线图，图中颜色越浅照度值越大。

本例中办公室采用的是28W T4型灯管，其长度为1149mm，发光流明在2380流明左右，办公室内设置与窗户平行的两路照明，每路照明由两盏灯具组成，每盏灯具使用2根28WT4型灯管和功耗约5W的镇流器(或驱动器)。根据前面提到的构建灯光照度场模型的方法，可以对该种型号的灯管进行灯光照度场的构建，构建结果如图9所示，图中颜色越浅照度值越大。

以一个真实的办公区域来对人员的移动进行模拟，图10为该办公区域的平面图，此区域有6间办公室共10个人，其中1、2、3号办公人员在401室工作，4号人员在402室工作，5、6号人员在403室工作，7、8、9号人员在404室工作，10号人员在407室工作，其中405室作为会议室使用，平时无人办公。本模拟中早晨六点到晚上六点一共划分48个时间步长，每隔15分钟会模拟一次人员的移动并进行各个房间人数的统计，其中前两个时间步长表示上班的时间段，最后两个时间步长表示下班的时间段，图11为402室在这48个时间步长内的人员数目变化情况。

由图11可以看出，对于402室而言，在上班时间段(图中的第1-2个时间步长)办公室人员从外部空间进入到402室内，以及在正常的工作时间段(第3-45个时间步长)由于随机游走的出现，402室可能会有多于1人或者少于1人的情况；而在下班时间段(第46-47个时间步长)该办公室的工作人员下班离开办公室并退出随机游走，办公室处于无人状态。

根据《建筑照明设计标准GB 50034-2013》，一般阅览室、办公室距地面0.75m的工作面照度标准值为300Lx，本次控制仿真也是以300Lx为办公室工作面的标准值来进行照明系统的智能控制。图12为48个时间步长下，采用常亮型照明模式、基于光线传感器的照明控制模式和本发明的控制方法的开关状态变化情况。常量型照明在人员到达办公室的那一刻就始终保持着两路照明全开的状态；基于光线传感器的控制方法会在光照度满足需求的情况下关闭照明以节约电能(如第16至33个时间步长)；而本发明采用的控制方法在检测到某个办公室无人时会关闭所有照明，将电能消耗降到最低。

图13展示的是采用常亮型照明模式、基于光线传感器的照明控制模式和本发明的控制方法在48个时间步长内的累计耗电情况，可以看出常亮型照明模式在办公人员到达办公室时便开启，在人员下班离开办公室后才关闭，照明能耗呈直线上升的趋势，最终耗电2.688kW·h。而普通的、基于光线传感器对照明系统进行控制的模式会在办公室照度满足要求的情况下关闭办公室照明，从上图中可以看出电能消耗相比于前一种模型有了很大程度上的降低，最终耗电1.242kW·h。而本发明中的控制方法可以根据办公人员所处的位置进行灯光照明的实时调控，相比于基于光感的照明控制模式还能有25％的节能效果。

智能照明是指利用物联网技术、有线/无线通讯技术智能化信息处理，以及节能控制等技术组成的分布式照明控制系统，来实现对照明设备的智能化控制。具有灯光亮度的强弱调节、灯光软启动、定时控制、场景设置等功能；并达到预定的特点。可借助手机、GAD等智能移动终端随时随地对现场照明实现远程实时监控和节能管理。本发明所提供的基于室内照度和人员位置移动模型的智能照明控制方法，自然光照度场模型对影响真实光环境的各种因素进行了近似和拟合，根据方位系数和边界积分等照度计算方法来得到光源在工作面上的照度以及房间内的自然光照度；人员位置移动模型则根据办公场所中可能发生的“事件”来进行马尔可夫概率转移矩阵的设置，从而对人员下一时刻的位置进行预测。通过构建模型可以对建筑内的光环境和人员的位置进行较为准确的模拟，据此实现对建筑物中办公照明系统场景控制，实现低能耗。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于室内照度和人员位置移动模型的智能照明控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：构建办公室自然光照度场模型；

步骤二：构建办公室灯光照度场模型；

步骤三：构建人员位置移动模型；

步骤四：在每个时间步长内，根据自然光照度场模型、灯光照度场模型获取办公室的光照数据，并根据人员位置移动模型以及办公室的光照数据对办公室的灯光系统进行智能照明控制；

所述步骤一包括：

对预设的工作面上的每一点，利用边界积分法，获取窗户各边在计算点处的张角；并将该点所在工作面作为第一平面，包含该点与窗户的边的平面作为第二平面，获取所述第一平面和第二平面之间的平面夹角；

根据公式

计算室内各点的照度，其中，

E_D为室内D点的照度；β_k为面光源的第k条边界线在D点所形成的张角；δ_k为面光源的第k条边界线和D点所形成的第二平面与D点所在的第一平面所形成的夹角；L为面光源的亮度，单位cd/m²；工作面D点与光源顶点F在同一平面上；

获得工作面上的等照度曲线，并根据所述等照度曲线建立办公室自然光照度场模型。

2.根据权利要求1所述的基于室内照度和人员位置移动模型的智能照明控制方法，其特征在于，所述步骤二包括：

利用公式，dI_θα＝I'_θαdxcosⁿα，计算线状光源上的各个线元照射到工作面上计算点的光强的导数，其中，

dI_θα为线元照射到工作面上计算点的光强的导数；I_θα为线元指向工作面上计算点的光强，单位为cd；d_x为线元；I_θ0为线状光源与工作面上计算点形成的入射光平面上垂直于线状光源轴线的光强，单位为cd；cos()为余弦函数；n为指数；α为线元到工作面上计算点的直线与线元左端部到工作面上计算点的直线之间的夹角；I'_θ0为线状光源与工作面上计算点形成的平面上垂直于线状光源轴线的单位长度的光强，单位为cd，且

Q为线状光源的长度；

利用公式，

获取各个线元在工作面上各点的法线照度的导数，其中，

dE_n为各个线元在工作面上各点的法线照度的导数；l为线元到工作面上计算点的距离；

利用公式

获取各个线元在工作面上各点的法线照度，其中，

E_n为各个线元在工作面上各点的法线照度，

为积分符号，α₁是积分上限，是确定的常数；

利用公式

计算各个线元在工作面上各点的水平照度，其中，

E_h为各个线元在工作面上各点的水平照度，

为入射光平面与工作面的法线E_h的夹角；

将水平照度E_h作为办公室灯光照度场模型。

3.根据权利要求1所述的基于室内照度和人员位置移动模型的智能照明控制方法，其特征在于，所述步骤三包括：

通过部署位置传感器进行追踪来对人员的位置进行记录，或者采用问卷调查的形式获取马尔科夫转移概率矩阵p_τ，根据人员位置初始状态矩阵更新马尔科夫转移概率矩阵p_τ，更新后的马尔科夫转移概率矩阵作为所述人员位置移动模型。

4.根据权利要求3所述的基于室内照度和人员位置移动模型的智能照明控制方法，其特征在于，所述马尔科夫转移概率矩阵P_τ为：

马尔科夫转移概率矩阵中的元素p_ij＝P{X_τ+1＝j|X_τ＝i}，其中，τ为当前时刻，τ+1为下一时刻，X_τ为当前时刻的随机状态变量，X_τ+1为下一时刻的随机状态变量，j为编号为j的办公室，i为编号为i的办公室；p_ij表示办公人员在τ时刻位于办公室i，而下一时刻τ+1，人员位于办公室j的概率。

5.根据权利要求1所述的基于室内照度和人员位置移动模型的智能照明控制方法，其特征在于，所述步骤四包括：

智能照明控制系统每个时刻根据人员位置移动模型输出的人员位置序列来判断当前办公室区域的人员数目情况；判断是否有办公人员；

若是，对工作面照度进行检测，当工作面的当前照度低于设定的标准值时，获取所述工作面的当前照度与设定的标准值之间的第一差值，并根据所述第一差值，利用自然光照度场模型以及灯光照度场模型，获取所要开启的灯的数量；并开启对应数量的灯；当工作面的当前照度高于设定的标准值时，获取所述工作面的当前照度与设定的标准值之间的第二差值，并根据所述第二差值，利用自然光照度场模型以及灯光照度场模型，获取所要关闭的灯的数量；并关闭对应数量的灯。

6.根据权利要求5所述的基于室内照度和人员位置移动模型的智能照明控制方法，其特征在于，所述时间步长为上班时间段中的预设时间长度。

7.一种基于室内照度模型和人员位置移动模型的照明控制装置，其特征在于，包括第一建模单元、第二建模单元、第三建模单元以及控制单元；

所述第一建模单元，用于构建办公室自然光照度场模型；

所述第二建模单元，用于构建办公室灯光照度场模型；

所述第三建模单元，用于构建人员位置移动模型；

所述控制单元，用于在每个时间步长内，根据自然光照度场模型、灯光照度场模型获取办公室的光照数据，并根据人员位置移动模型以及办公室的光照数据对办公室的灯光系统进行智能照明控制；

所述第一建模单元，用于：

对预设的工作面上的每一点，利用边界积分法，获取窗户各边在计算点处的张角；并将该点所在工作面作为第一平面，包含该点与窗户的边的平面作为第二平面，获取所述第一平面和第二平面之间的平面夹角；

根据公式

计算室内各点的照度，其中，

E_D为室内D点的照度；β_k为面光源的第k条边界线在D点所形成的张角；δ_k为面光源的第k条边界线和D点所形成的第二平面与D点所在第一平面所形成的夹角；L为面光源的亮度，单位cd/m²；工作面D点与光源顶点F在同一平面上；

获得工作面上的等照度曲线，并根据所述等照度曲线建立办公室自然光照度场模型。

8.根据权利要求7所述的基于室内照度和人员位置移动模型的智能照明控制装置，其特征在于，所述第二建模单元，用于：

利用公式，dI_θα＝I'_θαdxcosⁿα，计算线状光源上的各个线元照射到工作面上计算点的光强的导数，其中，

dI_θα为线元照射到工作面上计算点的光强的导数；I_θα为线元指向工作面上计算点的光强，单位为cd；d_x为线元；I_θ0为线状光源与工作面上计算点形成的入射光平面上垂直于线状光源轴线的光强，单位为cd；cos()为余弦函数；n为指数；α为线元到工作面上计算点的直线与线元左端部到工作面上计算点的直线之间的夹角；I'_θ0为线状光源与工作面上计算点形成的平面上垂直于线状光源轴线的单位长度的光强，单位为cd，且

Q为线状光源的长度；

利用公式，

获取各个线元在工作面上各点的法线照度的导数，其中，

dE_n为各个线元在工作面上各点的法线照度的导数；l为线元到工作面上计算点的距离；

利用公式

获取各个线元在工作面上各点的法线照度，其中，

E_n为各个线元在工作面上各点的法线照度，

为积分符号，α₁是积分上限，是确定的常数；

利用公式

计算各个线元在工作面上各点的水平照度，其中，

E_h为各个线元在工作面上各点的水平照度，

为入射光平面与工作面的法线E_h的夹角；

将水平照度E_h作为办公室灯光照度场模型。

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