CN103268521B - 一种全局优化的照明光源布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全局优化的照明光源等间距布置方法，步骤如下：(1)根据四光源照明模型计算出相邻光源的最小间距，并依据此最小间距设定照明空间内第一个光源的位置及灯源间距变化的步长；(2)根据步长改变相邻灯源的间距，求出每一种安装间距对应的照明空间点的照度值是否都满足建筑照明设计标准，若满足则认为此方案合理，并继续改变相邻灯源的间距，求解下一个安装间距下的布置方案是否合理，最终选择满足建筑照明设计标准的最大间距值作为最优布置方案；(3)绘制最优布置方案的平面图，并计算该方案的最大照度、最小照度、照度均匀度及所需的电能消耗。本发明具有受主观因素影响小、兼顾空间全局和局部照明条件、计算精确的优点。

Description

一种全局优化的照明光源布置方法

技术领域

本发明涉及一种全局优化的照明光源布置方法，属于照明设计和优化理论领域。

背景技术

随着节能环保意识的提高，楼宇节能问题越来越引起社会的关注。大型楼宇照明设计耗能巨大的背后是灯具高密度安装的现实。现有的节能技术大多从灯具改造和引进大型设备入手，存在方法复杂，耗资大等缺点，很少从优化空间灯具布局的角度来解决电能浪费的现象。

目前室内照明设计的主要计算理论依据包括逐点计算法、利用系数法、等照度曲线法。其中逐点计算法仅能够根据空间位置点到光源的距离计算出空间中每一点的照度值，计算结果准确、可信度高，但若用作对室内空间的照明设计，计算复杂。利用系数法也称流明法，是目前最主要的对空间照明进行快速计算和设计的方法，但该方法较大程度上依赖设计者对照明空间的主观认识和判断，计算结果可能与真实结果相差较大。该方法考虑了照明空间的平均照度，但没有兼顾局部空间照度过大或过小的问题，因此会带来光源的浪费以及局部空间无法达到建筑照明设计标准的现象。等照度曲线法是一种根据查阅灯具的概算曲线，快速估算出照明空间所需灯源数目的方法，该方法依赖生产厂家提供的灯具概算曲线，不便于事先进行空间的照明设计。因此，提出一种节能、简单、准确的照明光源布置方案是一个亟需解决问题。

针对以上问题，目前已经出现了一些对照明光源布置进行优化的研究和思路。吕良军等发表的论文“道路最优照明的研究”(河南科学，2011，29(2)：141-143)通过不同的角度对一盏路灯及多盏路灯的照明优化进行了研究，并计算出最优照度下的路灯的最佳高度，该方法通过改变路灯的高度来实现道路最优照明而节能降耗，为道路照明的节能降耗提供了理论依据。孔益平等在论文“优化教室照明均匀度的模型构建与求解”(安全与环境工程，2012，19(2)：61-64)中阐明教室照明中存在中间区域照度高、四周照度低以及照明均匀度不高等问题，并根据灯源布置的特点提出了两种改进方法。以上方法表明，通过优化照明光源的空间布局，能够大大减少电能的浪费。但以上研究都是针对特定问题的局部照明优化，无法直接在照明设计阶段对整体光源进行布局。如何在全局范围内对照明光源进行布局的优化，还需要做进一步的研究。

发明内容

针对现有技术中存在的缺点，本发明的目的在于采用全局优化的方法提供一种照明灯源的最优布置方案，以减少因照明光源空间布局不合理造成的电能浪费，实现电力资源节能目的。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种全局优化的照明光源布置方法，包括如下步骤：步骤1，获取灯源数据，根据四光源照明模型计算出满足使用者最低照度需求所对应的相邻光源之间的最小间距，确定照明空间内第一个光源的安装位置和灯源间距的变化步长；步骤2，根据步长改变相邻灯源的间距，计算此间距下照明空间中是否存在不符合建筑照明设计标准要求的照度值，若所有照度值都满足条件，则认为该方案合理；步骤3，重复步骤2，遍历满足需求的间距大小，将每一次新方案的结果和上一次方案的结果进行比较，选择其中最优的方案，记录满足需求的最大灯源安装间距，并以此作为最优间距；若未找到最优的灯源安装间距，则选择以上搜索结果中最大间距作为最优间距；步骤4，绘制最优布置方案的平面图，并计算该方案的最大照度、最小照度、照度均匀度以及电能消耗，以供用户参考。

所述步骤1的具体步骤为：对四个等间距对称布置的光源，假设四光源中心照度满足最低照度需求时，相邻光源间距为空间整体布置时相邻灯源的最小间距l_min，求出最小间距l_min，并设置第一个安装光源的坐标为光源间距的变化步长为

所述步骤2的具体步骤为：根据步长改变后的光源间距为l＝l+Δl，l的初始值为l_min。若已知照明空间的长度为length，则在长方向上布置的灯源数目为nLen＝(length-l_min)/l+1，若nLen为整数，则nLen＝nLen，若nLen不为整数，则nLen＝round(nLen)+1(round为四舍五入功能)。若已知照明空间的宽度为width，则在宽方向上布置灯源的数目为nWid＝(width-l_min)/l+1，若nWid为整数，则nWid＝nWid，若nWid不为整数，则nWid＝round(nWid)+1。根据多光源的逐点计算法计算出所有空间位置点的照度。判断是否存在大于最大照度的值，若存在则增加光源间距；判断是否存在小于规定的照度值，若存在则算法结束，否则继续改变光源间距，直到计算出最优光源间距。步骤(3)为重复步骤(2)，直至求解出最优间距，若以上条件均不满足，则从以上所有方案中选择一个最优方案，算法结束。

相比利用系数法照明设计方法，本发明方法的特色在于兼顾全局布置和局部优化，并具有如下优点：1)能够根据搜索方法寻找出全局最优的光源安装间距；2)能够限制局部照度在满足使用者需求的照度范围内，并控制照度均匀度；3)受设计者的主观因素影响较小，计算精度高。

附图说明

图1：本发明的光源布置方案的流程图；

图2：逐点计算法计算照度示意图；

图3：四光源计算空间点照度模型图；

图4：多光源计算空间点照度模型示意图；

图5：采用本方法布置空间照明光源三维照度分布图；

图6：采用本方法布置空间光源的等照度图；

图7：采用本方法得到的照明光源的二维布置图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。

下面分别对发明中所使用的现有技术，包括逐点计算法、四光源照明模型及多光源空间点的照度计算的基本原理进行介绍，并据此给出本发明方法的详细步骤。

(1)逐点计算法

见图2所示，设光源的光通量为φ，受光源的辐照面积为A，则可定义平均照度：

$E=\frac{\mathrm{\φ}}{A}---\left(1\right)$

若已知点光源的空间位置为(x₀，y₀，h)，l为光源到O点的直线距离，I为光强度，则可知O(x，y，0)点的照度大小为：

$E=\frac{I}{l^2}\cos \mathrm{\θ}---\left(2\right)$

其中， $I=\frac{\mathrm{\φ}}{4\mathrm{\π}},$ $\cos \mathrm{\θ}=\frac{h}{l},$ $l=\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2+h^2}---\left(3\right)$

即O点的照度为：

$E=\frac{\mathrm{\φh}}{4\mathrm{\π}{[{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2+h^2]}^{\frac{3}{2}}}---\left(4\right)$

(2)四光源照明模型

见图3所示，以四光源中心在地面上的投影点为直角坐标系的原点，以平行O₁O₂过原点的直线为x轴建立空间直角坐标系。设同一行灯源之间的间距为l，每个光源到原点的距离为R，四个点光源的空间坐标分别为 $O_1(\frac{l}{2},\frac{l}{2},h),O_2(-\frac{l}{2},\frac{l}{2},h),O_3(-\frac{l}{2},-\frac{l}{2},h),O_4(\frac{l}{2},-\frac{l}{2},h),$ 则可知任意一个空间点的照度为：

$E=\frac{\mathrm{\φh}}{4\mathrm{\π}{R}^3}---\left(5\right)$

即 $E=\frac{\mathrm{\φh}}{4\mathrm{\π}}{[{(x-\frac{d}{2})}^2+{(y-\frac{d}{2})}^2+h^2]}^{-\frac{3}{2}}{+\frac{\mathrm{\φh}}{4\mathrm{\π}}[{(x-\frac{d}{2})}^2+{(y+\frac{d}{2})}^2+h^2]}^{-\frac{3}{2}}+---\left(6\right)$

$\frac{\mathrm{\φh}}{4\mathrm{\π}}{[{(x+\frac{d}{2})}^2+{(y+\frac{d}{2})}^2+h^2]}^{-\frac{3}{2}}{+\frac{\mathrm{\φh}}{4\mathrm{\π}}[{(x+\frac{d}{2})}^2+{(y-\frac{d}{2})}^2+h^2]}^{-\frac{3}{2}}$

由 可知函数的鞍点在坐标原点(0，0)，即坐标原点处的照度值为此区域的局部最小值。只要原点处的照度满足照度要求，则光源中间区域内的所有照度都能满足最低照度要求。若已知光源的间距l，则原点处的照度可表示为：

$E=\frac{\mathrm{\φh}}{\mathrm{\π}\sqrt{{(h^2+\frac{l^2}{2})}^3}}---\left(7\right)$

(3)多光源空间点的照度计算

见图4所示，设空间有多个灯源，其中第i个光源的坐标位置的(x_i，y_i，h)，每个光源的光通量为φ，各光源在A点的照度为E_i(i＝1，2，...，n)，则空间某点A(x，y，0)处的照度是空间内所有光源在此处的照度之和，即A点的照度为：

$E=E_1+E_2+\·\·\·+E_n$

$=\frac{\mathrm{\φh}}{4\mathrm{\π}}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+h^2]}^{-1.5}---\left(8\right)$

本发明方法的详细步骤如下：

1、求解最小间距l_min及安装光源起点的位置

其步骤是首先假设四光源中心处照度能够满足最低照度要求，根据四光源模型可以得到中心处的照度为：

$E_{\min }=\frac{\mathrm{\φh}}{\mathrm{\π}\sqrt{{(h^2+\frac{l_{\min }^2}{2})}^3}}---\left(9\right)$

通过上式可以推导出相邻光源之间的最小间距为：

$l_{\min }=\sqrt{2[{\left(\frac{\mathrm{\φh}}{\mathrm{\π}{E}_{\min }}\right)}^{\frac{2}{3}}-h^2]}---\left(10\right)$

求解出相邻光源的最小间距后，就可以进一步确定安装光源的起点的位置为

2、相邻光源间距的确定

根据以上分析，设步长为初始化相邻灯源间距为l＝l_min+Δl，l≤width，此后每确定一种方案，此次的步长为上一次方案的计算结果加上一个步长，即l＝l+Δl。

该方法就是求取在满足照度要求时消耗电能最少的光源布置方案，即求相同光源在满足要求时所需要的最少光源数目，即求解最大的相邻光源之间的间距l。上述已经表明l≤width，这是相邻光源间距大小的极限条件，最大间距为待求的未知量。我们可以通过判断照明空间点的所有照度值是否满足照度需求得出两相邻光源之间的最大间距。

3、已知间距l情况下灯源布置方案的确定

若已知相邻光源的间距为l，照明空间的长为length，宽为width，则可知在照明空间长、宽方向上的各自需要安装的灯具数目分别为：

长方向上光源安装的数目为：nLen＝(length-l_min)/l+1，若nLen为整数，则nLen＝nLen，若nLen不为整数，则nLen＝round(nLen)+1(round为四舍五入功能)

宽方向上光源安装的数目为：nWid＝(width-l_min)/l+1，若nWid为整数，则nWid＝nWid，若nWid不为整数，则nWid＝round(nWid)+1(round为四舍五入功能)因此，该间距下总共需要安装的光源数目N＝nLen·nWid。

4、最优布置方案的确定

通过判断该方案是否满足两个目标判断该方案最优：1)该照明空间光源的布置方案最大程度上符合设计者需求。具体需要参考的是照明空间的光源布置是否满足最低和最高照度要求或者在允许的方位内，光分布是否均匀等因素；2)该方案是最节能的照明设计方案。若对比该方案与之前的方案，若该方案所消耗电能最少，则可判定该方案为最节能方案。

在判断方案是否最优时，首先要求方案能够满足上述的目标1)，若该方案不能满足目标1)，则认为该方案是不合理方案。在满足目标1)的前提下，若能够同时满足目标2)，则认为该方案是最优的方案。

实施例

数据准备：以某高校图书馆二楼东阅览室为例，阅览室建筑规格为长30m，宽22.5m，高4m，工作面高度为0.75m，墙壁反射率为30％，天花板反射率为10％，地板反射率为15％，该阅览室共安装灯具65盏格栅灯，每个格栅灯4个灯管，功率为36W，灯管的型号为YZ36RN25，每个灯管的光通量为2500lm。利用系数为0.42，维护系数为0.62，根据国家标准，图书馆阅览室的照度要求是150-300lx，设置图书馆的平均照度为250lx。

通过松下公司的照明设计软件MatLP5利用系数法计算得到长方向应铺设9盏灯，宽方向应铺设6盏灯，该照明设计方案中平均照度为261lx，局部最大照度为348lx，最小照度为137lx，最小照度与平均照度之比为0.399，最小照度与最大照度之比为0.3261。

以下是通过本方法得到最优布置方案的详细步骤：

第一步：输入最大照度为E_max＝300，最小照度为E_min＝150，通过计算得到相邻灯源之间的最小间距为l_min＝2.1642。

第二步：根据第一步得到，安装起始位置为(1.0821m，1.0821m)，安装间距步长为Δl＝0.2m，初始化安装间距为l＝l_min。

第三步：根据步长不断改变安装间距，搜索最优布置方案，得出最优的布置方案相邻光源之间的间隔为l＝3.85m，长方向布置的光源数目为8，宽方向布置的光源数目为6，局部照度最大为302lx，最小照度为128lx，平均照度为250.12lx，最小照度与平均照度之比0.5120，最小照度与最大照度之比为0.4238。图5是利用Matlab软件按照本方法编程得到的照明空间三维照度分布图，图6是对应的等照度线图，图7是采用本方法得到的照明光源的二维布置图。

第四步：最优节能计算。在该阅览室内，相比于利用系数法，利用本方法得到的布置方案每小时能够节省电能6×4×0.036×1＝0.864(KW·h)，假设该阅览室一天开灯时间为10小时，则可节电8.64度。该图书馆共有21个类似的阅览室，一天内该图书馆可以省电254.016度，一年(按300天算)可以节约电能76204.8度。同时，相比于该校图书馆现在的光源布局方法，一年内可以节省电能约为(65-48)×4×0.036×10×21×300＝154224(度)。

比较本方法和利用系数法的结果，可以得到如下结论：

1)本方法能够达到与利用系数法一样的照度要求效果，同时兼顾全局布置和局部照度优化，能够提高空间照度均匀度。

2)在同样的照度条件下，本方法比利用系数法布置的光源方案更加节能。

综上所述，本发明实现了一种兼顾全局和局部照度的室内空间光源布置方案，并且比利用系数法更加节能。

若将本发明中的点光源位置记为线光源和面光源的中心位置，同样可直接应用于线光源和面光源照明空间的优化布置。

Claims (2)

1.一种全局优化的照明光源布置方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，获取灯源数据，根据四光源照明模型计算出满足使用者最低照度需求所对应的相邻光源之间的最小间距，确定照明空间内第一个光源的安装位置和灯源间距的变换步长；具体步骤为：对四个等间距对称布置的光源，设四光源中心照度满足最低照度需求时，相邻光源间距为空间整体布置时相邻灯源的最小间距l_min，求出最小间距l_min，并设置第一个安装光源的坐标为光源间距的变化步长为

步骤2，根据步长改变相邻灯源的间距，计算此间距下照明空间中是否存在不符合建筑照明设计标准要求的照度值，若所有照度值都满足条件，则进行下一步骤；

步骤3，重复步骤2，遍历满足需求的间距大小，将每一次新方案的结果和上一次方案的结果进行比较，选择其中最优的方案，记录满足需求的最大灯源安装间距，并以此作为最优间距；若未找到最优的灯源安装间距，则选择以上搜索结果中最大间距作为最优间距；

步骤4，绘制最优布置方案的平面图，并计算该方案的最大照度、最小照度、照度均匀度以及电能消耗，以供用户参考。

2.根据权利要求1所述的一种全局优化的照明光源布置方法，其特征在于，所述步骤2的具体步骤为：根据步长改变后的光源间距为l＝l+△l，l的初始值为l_min，若已知照明空间的长度为length，则在长方向上布置的灯源数目为nLen＝(length-l_min)/l+1，若nLen为整数，则nLen＝nLen，若nLen不为整数，则nLen＝round(nLen)+1，其中round为四舍五入功能；若已知照明空间的宽度为width，则在宽方向上布置灯源的数目为nWid＝(width-l_min)/l+1，若nWid为整数，则nWid＝nWid，若nWid不为整数，则nWid＝round(nWid)+1；根据多光源的逐点计算法计算出所有空间位置点的照度，判断是否存在大于规定的最大照度的值，若存在则增加光源间距；判断是否存在小于规定的最小照度的值，若存在则算法结束，否则继续改变光源间距，直到计算出最优光源间距。