Translate this page:
Please select your language to translate the article


You can just close the window to don't translate
Library
Your profile

Back to contents

Cybernetics and programming
Reference:

Development of Criteria and Methods to be Used to Evaluate the Light Environment in Order to Improve Compujter-Aided Design Procedure of Lighting Systems with Spectral Control

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
Other publications by this author
 

 

DOI:

10.25136/2644-5522.2018.2.25537

Received:

24-02-2018


Published:

23-04-2018


Abstract: In his research Yulianov examines issues related to improving the process of designing lighting systems, in particular, moving from manually operated methods of design decision making to CAD automation of the process. The object of the research is the process of designing lighting systems. The subject of the research is the development of criteria and methods that can improve the lighting system design taking into account available technologies that are based on the dynamic change of the spectra. In particular, the author examines verification of design results by carrying out an on-site inspection of a facility using dedicated means. The author defines criteria of light environment that are subject to verification within the aforesaid process based on the systems analysis of existing and perspective concepts of lighting systems with spectral control. The result of the research is the conceptual description of lighting system verification methods based on the criteria offered by the author for evaluation the light environment. In prospect, these criteria will be available for lighting systems with spectral control. These methods can be used at certain stages of a service life of a facility considering that the iterative approach to lighting systems design has been undertaken. 


Keywords:

CAD, design, artificial lighting, automation, emission spectrum, optimization, criteria, technique, mode of operation, verification


Введение. Переоценить значимость освещения в жизни современного человека сложно. Уже давно известны механизмы влияния освещения на зрительную работоспособность человека [1] и его психофизиологическое состояние, в том числе в части профилактики некоторых заболеваний посредствам свето- и цвето-терапии [2,3]. Также сравнительно недавно было установлено невизуальное воздействие света на зрительный аппарат человека [4], выраженное первую очередь в подавлении секреции мелатонина. Последний факт в настоящее время становится наиболее актуальным, поскольку современные технологии освещения зачастую строятся на применении светоизлучающие диодов (СИД), которые зачастую имеют ярко выраженные пики в области синего диапазона спектра излучения, что в некоторых случаях оказывает негативный эффект как в целом на состояние здоровья человека, так и на его функциональные способности связанные с распознаванием зрительной информации, в том числе получаемой с экранов средств отображения информации [5]. Таким образом, остро встает необходимость актуализации критериев оценки световой среды и совершенствования нормативной базы, в целях минимизации негативного воздействия избыточного излучения, генерируемого современными светодиодными источниками света [6].

В данной статье будут предложены предварительные критерии для оценки световой среды, а также некоторые базовые принципы методики обследования и проектирования систем освещения с источниками света, имеющими возможность регулирования спектрального состава излучения, в рамках изложенных ранее методов [7], с помощью предлагаемой концепции прототипа программно-аппаратного комплекса (ПАК) [8]

Функциональность современных систем освещения с управляемым спектром. Несмотря на то, что системы освещения с управляемым спектром излучения (Далее СОУС), могут быть выполнены на базе различных источников света, в том числе люминесцентных ламп [9], учитывая распространённую на текущий момент практику и ассортимент изделий, представленных на светотехническом рынке, в данной статье будут рассматриваться только СОУС на базе СИД. В настоящее время можно говорить о нескольких близких концепции организации СОУС, таких как биодинамическое освещение [10], человеко-ориентированное освещение или human centric lighting (HCL) [11], а также ранее предложенная коллективом сотрудников кафедры электротехники и электропривода МГСУ концепция квази-естественного освещения [12]. Ключевым аспектом объединяющем все названные выше концепции является возможность управлении спектральной характеристикой и интенсивностью освещения в помещении, в целях достижения требуемого воздействия на организм человека. В том числе при необходимости путем имитации естественного освещения. При этом важно, отметить, что в зависимости от трактовки и назначения системы освещения у вышеназванных концепций могут присутствовать также и различия в целях и подходах к организации искусственного освещения, однако в данной работе основной акцент будет сделан именно на обобщающих аспектах.

Таким образом, в рамках достижения минимальной функциональности общей для всех указанных концепций, необходимо применение осветительных приборов, обладающих рядом базисных свойств, а именно возможностью дистанционного (в том числе автоматического) управления, а также независимого многоканального регулирования спектральной характеристики и светового потока источников света (ИС), излучающих в видимом диапазоне оптического излучения. В современных источниках света, применяемых для реализации концепции HCL, зачастую можно встретить следующие схемы управления составом излучения:

1. В ИС присутствуют Красный (R) зеленый (G) и голубой (B) светодиоды или их группы, каждый из которых выделен в отдельный канал управления.

2. В ИС помимо RGB каналов присутствует излучатель(и) и соответствующий канал управления белого света (W), в зависимости от назначения ИС - теплого (WW), нейтрального (NW) или холодного (CW) оттенков белого. При этом невозможно одновременном включении групп RGB светодиодов и группы W.

3. В ИС реализован RGBW принцип, когда доступно одновременное управление монохроматическими и белыми каналами излучения

4. В ИС присутствуют два канала белого света как правило WW и CW, таким образом позволяя достигать различных оттенков белого,в соответствии с кривой коррелированной цветовой температуры (CCT) [13].

5. RGB+CCT наличие одновременно работящих монохроматических излучателей и светодиодов различных от оттенков белого света.

Необходимо отметить, что также существуют экспериментальные лабораторные установки (например, НИСТ [14]), которые позволяют получить более широкие возможности по достижению идентичности спектральных характеристик различных эталонов, чем лампы на базе RGB [15] и RGBW [16] каналов управления, однако их применение в быту и на производстве в настоящий момент затруднительно, поэтому они не рассматриваются в рамках данной статьи. Однако учитывая перспективы развития рынка HCL в странах Европейского союза [17], возможно сделать предположение, что характеристики ИС в части ширины диапазона управления спектральной характеристикой, будут улучшаться по мере развития технологий полупроводниковой светотехники.

На основании принятого базиса представляется возможным перейти к разработке проекта критериев световой среды характерным для оценки режимов работы СОУС.

Проект критериев оценки световой среды при применении СОУС. Не смотря на все широкие возможности, открывающимися в рамах применения систем человеко-ориентированного освещения (и близких аналогов), при проектировании и эксплуатации данных систем базовые подходы характерные для традиционных систем искусственного освещения остаются практически неизменными. Руководствуясь нормативной документацией, можно сделать заключение, о необходимости соответствия значений освещенности, коэффициента пульсации и показателя дискомфорта требуемым значениям [18,19]. Так же в нормативных документах РФ, регламентирующих организацию искусственного освещения, есть некоторые требования и рекомендации, связанные с цветовыми (спектральными) характеристиками освещения. Например, необходимо ограничивать цветовую температуру диапазоном от 2400 К до 6800 К, а также присутствуют требования и рекомендации по определению минимального индекса цветопередачи источников света для работ с различными требованиями по цветоразличению.

Таким образом, ввиду необходимости соответствия требованиям государственных норм в области освещения помещений различного назначения, целесообразно включение в проект критериев оценки световой среды при применении СОУС, обозначенных выше базовых критериев. С другой стороны, данный набор критериев может быть расширен за счет добавления критерия степени биологического воздействия освещения на организм человека. В данном случае, ввиду отсутствия явно выраженных государственных нормативов РФ в данной области, на начальном этапе целесообразно воспользоваться немецким стандартом, в рамках которого биологическое воздействие может выражаться через различные эффекты изменения циркадных ритмов человека связанных с подавлением выработки гормона мелатонина. [20, c. 5-26]. Отдельно необходимо отметить, что учитывая динамический характер, как естественного освещения, так и освещения в рамках концепции HCL, остро встает вопрос о выборе эталона для определения оптимального биологического воздействия. Наиболее очевидными на данном этапе видятся два варианта:

1. Определение единых минимальных и максимальных границ независимо от режима работы системы освещения.

2. Установка границ по биологическому воздействию в зависимости от режима работы. В данном случае за целевые значения могут приняты как биологическое воздействие эталонов естественного дневного света в определенные фазы суток (в том числе с учетом сезона и местности), так и критерии достижения максимального или минимального значения воздействия.

Данные варианты не являются в полной мере взаимоисключающими и при необходимости могут быть использованы одновременно. Так, например, в соответствии с вариантом 1 могут быть заданы жёсткие границы допустимого воздействия, при этом в соответствии с вариантом 2 в рамках этих границ может проводиться оптимизация биологического воздействия в зависимости от решаемой задачи.

Немаловажным является, тот факт, что критерии: биологического воздействия, цветовой температуры, а также индекса цветопередачи базируются на спектральной плотности распределения излучения источников света системы освещения. При этом в некоторых случаях, достижение вышеназванных критериев может быть получено за счет кардинально различных режимов работы освещения. Так, например, одинаковое биологическое воздействие может быть достигнуто как зачёт более равномерного распределения мощности излучения ИС по всему спектру, так и за счет концентрации излучения в диапазонах максимального воздействия (синий свет). Таким образом в перспективе, целесообразно учитывать такой параметр - как степень идентичности спектральных характеристики искусственного ИС определённому эталонному источнику.

Степень идентичности в данном случае можно рассматривать как достижение близости (с определенным отклонением в %) спектральной плотности излучения ИС заданным эталонам света. При этом указанное отклонение можно выразить, как сумму модулей разностей отклонений относительной мощности излучения для каждой длинны волны искусственного и эталонного источников света, отнесенную к сумме относительных мощностей излучения для каждой длинны волны эталонного источника света.

Проект методики оценки световой среды при применении СОУС.

Очевидно, что для оценки параметров световой среды в рамках, обозначенных выше критериев будет недостаточно, применения только используемых сейчас средств измерения ориентированных на характеристику интенсивности светового потока и его стабильность во времени. Для оценки биологического воздействия необходимо будет проводить оценку с применением спектрометров-люксметров, позволяющих на основании спектральной характеристики излучения, делать заключения об уровне биологического воздействия системы освещения и при необходимости о степени идентичности качественных характеристик излучения заданным эталонам. Однако надо отметить, что по всей видимости ввиду отсутствия жестко утвержденных нормативов в области биологического воздействия систем освещения, в том числе в части воздействия на секрецию гормона мелатонина, в данных спектрометрах отсутствует возможность непосредственного анализа данного параметра при проведении измерений. В качестве примера можно рассмотреть относительно доступный для широкого применения портативный спектрометр UPRtek MK350D, который обладает необходимой функциональностью для проведения базовых измерений, но не имеет реализованной функции оценки биологического воздействия [21]. Таким образом ввиду некоторых ограничений, в части непосредственного измерения и анализа качественных и количественных характеристик СОУС, представленными на рынке техническими средствами, в рамках данного проекта методики оценки световой среды, будет учитываться, также перспективная концепция обозначенного ранее ПАК.

Независимо от технической реализации измерительного устройства можно выделить два процесса связанных с оценкой световой среды:

1. Оценка параметров системы в базовом состоянии (без учета регулирования). Предполагается, что в данном случае параметры работы СОУС заданы так, чтобы она при включении удовлетворяла требованиям государственных нормативом и базовым условиям по обеспечению комфорта и зрительной работоспособности. В этом режиме работы необходимо измерение следующих параметров:

· Освещенность.

· Коэффициент пульсации

· Показатель дискомфорта

· Биологическое воздействие. Конкретные значения параметров могут быть определены позже. На первом этапе может использоваться допустимое отклонение от аналогичного воздействия при освещении стандартизованным источником света D65.

· Индекс цветопередачи

· Цветовая температура.

2. Оценка параметров системы в различных режимах работы в соответствии с заданной целью. В данном случае указанные в предыдущем пункте параметры, измеряются для каждого имеющегося режима освещения. Также в дополнении к ним может быть исследована спектральная характеристика системы освещения на предмет степени соответствия требуемым эталонам.

Измерения должны проводиться в ключевых контрольных точках помещения, которые определяются на этапе проектирования или в процессе эксплуатации системы освещения. Так, например, в качестве ключевых точек для проведения измерения в случае применения точечных источников света, могут быть приняты точки, находящиеся максимально близко (в рамках возможного) к проекции световой оси осветительного прибора на плоскость рабочей поверхности.

Перспективы автоматизации методики оценки. Обозначенная выше процедура может оказаться весьма трудоемкой. Например, в случае если обследованию будут подлежать помещения со значительной площадью и числом световых точек. Что характерно для залов крупных торговых сетей, некоторых промышленных помещений и офисов формата «open space». В таком случае целесообразно максимально снизить временные издержки на проведение процедуры обследования, как при верификации проектных решений, так и в процессе эксплуатации. Одним из путей оптимизации процедуры обследования, является организация взаимосвязи измерительной части ПАК со специализированной САПР. В данном случае возможно организовать отслеживание перемещение оператора с измерительным устройством. В случае, если в рамках САПР или переносной части ПАК реализованы интерфейсы по управлению режимами работы ИС, оператору остается только подойти в заданную ключевую точку, установить измерительный прибор в рабочее положение и передать команду на проведение измерений в различных режимах работы. По результатам данного обследования могут быть установлены расхождения в проектных и фактических значениях качественных и количественных параметров. На основании данных расхождений при наличии соответствующих программных интерфейсов и библиотек для работы с установленными осветительными приборами, могут быть сформированы как рекомендации по ручному устранению расхождения, так и непосредственно программный код. Таким образом имея информационную модель светильника и применяя её в соответствующей САПР, возможно произвести предварительный расчет режимов работы осветительной сети, после чего в процессе пуско-наладочных работ провести верификацию его результатов, после чего в автоматизированном режиме внести правки проектную модель, что позволит на начальном этапе эксплуатации иметь модель системы освещения более близкую к требуемым параметрам. Необходимо отметить, что сказанное выше, справедливо только для помещений где естественное освещение отсутствует полностью или не оказывает существенного влияния. В противном случае в модели необходимо будет учесть воздействие естественного света или иного значимого искусственного света, попадающего в оконные проемы помещения. Также немаловажно, поддерживать актуальность модели в процессе эксплуатации путем проведения периодических обследований, что предположительно позволит компенсировать некоторые объективные процессы, вызванные износом ресурса оборудования в процессе эксплуатации и частичной заменой ИС. При выполнении указанных условий предложенное решение позволит поддерживать актуальное зрительное и невизуальное воздействие системы освещения на людей, постоянно пребывающих в данных помещениях на различных стадиях жизненного цикла системы от этапов проектирования и пуско-наладки до последующей эксплуатации.

Заключение.

В данной статье были рассмотрены аспекты, являющиеся предпосылками к качественному переходу в организации систем освещения, направленному на более широкое раскрытие возможностей систем освещения с управляемым спектром излучения. Учитывая текущие технические возможности СОУС, набор ключевых параметров, традиционно применяемых при оценке освещения был дополнен компонентами, связанными непосредственно с его спектральным составом. На основании данных критериев были рассмотрены способы обследования систем освещения на предмет соответствия им. Основываясь на изложенном выше материале представленной работы, можно сделать заключение об актуальности дальнейшего развития концепции как в части разработки критериев и методов, так и в части их объединения в рамках системного подхода.

References
1. Fink A. V. Issledovanie vliyaniya urovnya osveshchennosti na chuv-stvitel'nost' setchatki glaz i vremya zritel'no-motornoi reaktsii // Izvestiya AltGU. 2009. №3. S.30-32
2. Statskaya S. Yu. Kompleksnaya otsenka effektivnosti tsvetoimpul'snoi terapii u patsientov s gipertonicheskoi bolezn'yu v sanatornykh usloviyakh // PM. 2011. №54. S.135-138
3. Kozhukhar Aleksandr Teofanovich, Zazulyak Andrei Mikhailovich, Barilo G. I., Ivanyuk Kh. B., Shufan M. M. Elektronnye sistemy dlya svetolecheniya otozabolevanii // Biomeditsinskaya inzheneriya i elektronika. 2012. №2 (2). S.12-16
4. Gall and Bieske, “Definition and measurement of circadian radiometric quantities,” in proceedings of the CIE Symposium 2004 on Light and Health: Non-Visual Effects, Vienna, Austria, 2004, pp. 129–132
5. Kaptsov V.A., Deinego V.N. Riski vliyaniya sveta svetodiodnykh panelei na sostoyanie zdorov'ya operatora // Analiz riska zdorov'yu. 2014. №4. S.37-46
6. Kaptsov V. A., Sosunov N. N., Shishchenko I. I., Viktorov V. S., i dr. Funktsional'noe sostoyanie zritel'nogo analizatora pri ispol'zovanii traditsionnykh i svetodiodnykh istochnikov sveta // Gigiena i sanitariya. 2014. №4. S.120-123
7. Ul'yanov R.S., Shikolenko I.A., Velichkin V.A., Zav'yalov V.A. Perspektivy primeneniya v SAPR novykh metodov proektirovaniya, v chasti obsledovaniya, rasstanovki i vybora rezhimov raboty osvetitel'nykh priborov sistemy iskusstvennogo osveshcheniya. // Kibernetika i programmirovanie. — 2017.-№ 1.-S.94-106.
8. Velichkin V.A. Zav'yalov V.A., Ul'yanov R.S., Shikolenko I.A. Kontseptsiya intellektual'nogo modul'nogo PAK dlya generatsii programmy upravleniya reguliruemymi sistemami osveshcheniya. // Estestvennye i tekhnicheskie nauki.-2017.-№ 6.-S. 141-143.
9. Tsuyoshl M., Hlroml E., Yasuhlko S/, and Mlchlo H/ Biotron Institute CONTROL OF ARTIFICIAL LIGHT FOR PLANTS II. AUTOMATIC CONTROL OF LIGHT INTENSITY AND SPECTRAL COMPOSITION. // Control in Biology – 1975 – 13 – P. 109-116 URL: https://www.jstage.jst.go.jp/article/ecb1963/13/3/13_3_109/_pdf (data obrashcheniya: 18.02.2018)
10. Gvozdev S.M. Sadovnikova N.D., Safonov S.A.. Experience in Developing Intelligent Biodynamic Lighting. // International Journal of Applied Engineering Research. — 2012. – T. 12, № 23. — S. 13424–13428.
11. Walerczyk S. Human Centric Lighting // ArchitecturAl SSL — 2012. –№ 06 — P. 20–26.
12. Bekker Yu.L. Zav'yalov V.A., Ul'yanov R.S., Shikolenko I.A. Aktual'nost' i perspektivy kontseptsii kvazi-estestvennogo osveshcheniya. // Estestvennye i tekhnicheskie nauki. — 2015. – № 5. — S. 143–145.
13. Goswami I. Explore and control LED-based tunable-white lighting // LEDs magazine. 2016. №91 S.45-47.
14. Dauling K., Zong Yu., Devis U., Osvetitel'naya ustanovka NIST s reguliruemym spektrom dlya issledovanii v oblasti tsvetoperedachi i osveshcheniya. // SVETOTEKhNIKA. — 2009. – № 5. — S. 37–40.
15. Bekker Yu.L. Zav'yalov V.A., Ul'yanov R.S., Shikolenko I.A. Otsenka vozmozhnosti primeneniya rgbw sid-lampy pri upravlenii RGB-sostavlyayushchei izlucheniya dlya imitatsii estestvennogo osveshcheniya v pomeshcheniyakh bez estestvennogo sveta. // Nauchnoe obozrenie. — 2015. – № 18. — S. 165–169.
16. Bekker Yu.L. Zav'yalov V.A., Ul'yanov R.S., Shikolenko I.A. Issledovanie stepeni adekvatnosti izlucheniya Bluetooth RGBW SID lampy solnechnomu svetu. // Estestvennye i tekhnicheskie nauki. — 2015. – № 11. — S. 416–418.
17. Human Centric Lighting: Going Beyond Energy Efficiency // lightingeurope.org Publications-2013. URL: http://www.lightingeurope.org/images/publications/general/Market_Study-Human_Centric_Lighting._Final_July_2013.pdf (data obrashcheniya: 18.02.2018).
18. Gigienicheskie trebovaniya k estestvennomu, iskusstvennomu i sovmeshchennomu osveshcheniyu zhilykh i obshchestvennykh zdanii: SanPiN 2.2.1/2.1.1.1278-03 ot 08.04.2003 g.
19. SP 52.13330.2011 Estestvennoe i iskusstvennoe osveshchenie. Aktualizirovannaya redaktsiya SNiP 23-05-95*. M.: Minregion Rossii, — 2010.
20. DIN SPEC 5031-100:2015-08. Optical radiation physics and illuminating engineering-Part 100: Non-visual effects of ocular light on human beings-Quantities, symbols and action spectra. — 2015. — 33 s.
21. Samyi malen'kii v mire spektrometr UPRtek MK350D [Elektronnyi resurs] // Geektimes,-rezhim dostupa: https://geektimes.ru/company/lamptest/blog/282344/, (data obrashcheniya: 19.02.2018).