Разработка критериев и методов оценки световой среды в целях совершенствования процедуры автоматизированного проектирования режимов работы систем освещения с управляемым спектром

Ульянов Роман Сергеевич аспирант, кафедра автоматизации и электроснабжения, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет 129337, Россия, г. Москва, Ярославское шоссе, 26, каб. 204 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 Другие публикации этого автора

Данное научное исследование проводится при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «УМНИК» по теме «Разработка интеллектуального модульного программно-аппаратного комплекса для генерирования программы управления регулируемыми системами освещения» в рамках договора № 11523ГУ/2017 от 19.05.2017 г.

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.