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LED仿生照明:博物館智能照明方法解析

時間:2015年11月24日 信息來源:廣東LED 點擊: 【字體:

博物館是一個國家綜合實力的體現,現代人把參觀博物館作為一種精神追求。博物館的光環境是游客的第一感受,為了讓人們安全舒適地參觀博物館的展品,且保護好國家文物,使國家文物免受光損害,就需要提高展廳智能照明的控制水平,解決和處理好文物光損害和舒適參觀環境以及節能的關系。

1、博物館環境對照明的要求

博物館對照明的需求主要表現在一般照明、陳列照明和文物保護。

1.1一般照明

一般照明指的是為照亮整個場所而設置的均勻照明,主要是為游客服務,根據陳列的展品種類和展品所處的位置不同而有不同的亮度,觀眾在展廳與展廳之間走動參觀的時候,對光亮度要求有一個漸變的過程。通常從低亮度到高亮度比從高亮度到低亮度所需要的適應時間短,所以在設計展廳一般照明的時候應使較低亮度的展廳與中等亮度的展廳相鄰。通過有意識的對展廳各區域亮度關系的合理設定,讓觀眾很好地適應展廳光環境,為游客參觀創造一個舒適的參觀環境。

博物館一般照明應滿足低亮度、控制光良好、大遮光角的要求,同時,一般照明由于工作時間長,應考慮節能問題。

1.2陳列照明

(1)墻壁陳列照明:采用定向性照明,把展品陳列照明燈光集中到展品上,從墻壁反射的光能夠滿足觀眾在展廳中游覽的需要。

(2)立體展品陳列照明:用于大型展品采用立體展品照明,如蠟像、模型等。大型展品的外觀、材質都不同,立體展品陳列照明的關鍵是利用燈光突出展品自身的特點。

(3)展柜陳列照明:要注意散熱,避免產生直接眩光;采用拆裝簡便的照明燈具,光束角及調節角度控制精準、突顯立體感;一般選小型的光源,控制器可以裝在展柜外面。

1.3文物保護

自然光及多種人工光有都含紫外線(波長<400nm)和紅外線(波長>760nm)。其中的紫外輻射是1種非照明用的輻射源,其波長范圍為10~400nm。紫外線光子的能量大,文物吸收紫外線的能量可轉化為內能,會引起展品變褪色。而紅外輻射具有熱效應,導致展柜溫度上升,容易使展品出現干化、變形、裂紋等損壞。熱效應明顯的紅外線不僅可能造成展品熱老化,還能引起相對濕度變化,間接造成對文物的損傷。

1.4博物館照明的新需求

現代博物館展廳對照明系統的需求又有新的特點:①根據文物屬性和展廳特點,控制陳列文物照度和色溫;②配置防紅外、紫外的光學過濾透鏡以及扇葉、防眩筒、防眩格柵等光學配件;③博物館的照明系統具有智能化和可擴展性;④博物館照明系統應具備節能環保要求。

2、LED在博物館照明中的優勢

博物館展示的文物一般都對光輻射比較敏感,根據敏感程度的不同,分為對光特別敏感、敏感、不敏感3類。

LED光源是一種綠色光源,具有節能,環保,安全,顏色豐富等特點,與白熾燈相比,節電率可以達到90%以上,節能效益十分可觀,且在其光譜中沒有紫外和紅外輻射,能控制熱效應和次生光化學反應損害。LED冷光源燈泡采用直流驅動,無頻閃;冷光源發熱量低,可以安全觸摸;LED照明產品工作電功率相對較低,所需控制模塊的電功率也低。與傳統光源相比,光源多變幻是LED的一個重要特征,可以進行彩色控制,營造出更好的參觀氛圍。如果能對LED實現有效智能控制,可以起到保護文物、營造良好的參觀環境和節能環保的理想效果,因此,很多博物館開始采用LED照明。

3、LED智能照明

3.1一般照明的智能化

展廳照明是比較有規律的照明系統,可采用定時控制的方式,參照展廳走廊和展廳面積大小進行定時控制,不僅達到智能控制的目的而且也能起到節能的作用。

序廳和展廳展品的一般照明部分全部采用調光控制,當有游客進入序廳時,照明燈由暗漸變成舒適的亮度,為游客適應展廳內的燈光提前作好準備。

利用光敏傳感器感應環境光線的強弱,利用采集到的信號來控制照明系統的開關和調光,此外通過人體紅外傳感器感應自動調整走廊和展廳的照明,既保證了環境的舒適性,又能夠有效地節能。

3.2展廳陳列照明的智能化

對文物的重點照明中,為有效地保護文物,避免光損害,主要考慮文物展品的曝光量。2009年發布的博物館照明設計規范(GB/T23863—2009),其中有對陳列室展品照度提出一個標準,如表1所示。

研究表明展品的曝光量越高損害越大,博物館將年曝光量作為文物保護的主要指標。在照度相同的情況下,減少曝光時間,可以有效降低年曝光量。所以在博物館日常管理過程中特別重視對照明的控制,要保護文物就須控制好曝光時間和照度。

探測人的移動來自動打開或關閉燈光,當有人通過時會自動打開,人員離開后自動關閉。當游人離開展區時,展區內的燈光通過移動探測器探測到無人在展廳內參觀,將自動延時關閉該層展柜內的燈光。只保留頂棚照明(應急照明)燈光作為展廳的一般照明。

為控制展品照明的照度,將人體紅外傳感器、距離檢測與LED燈相結合,當有人進入該區域時,則該區域的展品照明調到事先設定好的照度值(40%),當人走到距離某展品1m時,該展品的燈光亮度調到80%,其余展品照明亮度保持在40%。人離開該展品則下降到40%,人離開該展廳則關閉該展廳的照明,使燈光更加合理,更加靈活。

3.3展廳展品的仿生照明

人工蜂群算法是模仿蜜蜂行為提出的一種優化方法,是集群智能思想的一個具體應用,其主要特點是不需要了解問題的特殊信息,只需對問題進行優劣比較,通過各人工蜂個體的局部尋優行為,最終在群體中使全局最優值突現出來,有著較快的收斂速度。為解決多變量函數優化問題,Karaboga提出了人工蜂群算法ABC模型,并已在組合優化、網絡路由、函數優化、機器人路徑規劃等領域獲得了廣泛應用。

蜂群產生群體智慧的最小搜索模型包含基本的3個組成要素:食物源、被雇傭的蜜蜂和未被雇傭的蜜蜂;兩種最為基本的行為模型:為食物源招募蜜蜂和放棄某個食物源。

每個展品位置是優化問題的1個解。展品的吸引游客程度對應解的質量(適應度值fiti),fiti根據(1)式計算,其中fi為目標函數。

在算法計算中,初始階段將蜂群分為引領蜂和跟隨蜂,假設引領蜂的個數等于跟隨蜂的個數等于種群中的解的個數。先在搜索空間生成初始解向量xi(i=1,2,…,SN),SN為蜜源個數,每個解xi是1個d維的向量,d是問題的維數。初始化后,整個種群將進行引領蜂、跟隨蜂和偵察蜂搜尋過程的重復循環,直到達到設定的迭代次數Limit或者誤差允許值,循環限制次數Limit。

在搜索過程中開始階段,每個引領蜂由下式產生1個新解(新的蜜源)。

式中,j∈(1,2,…,d),k∈(1,2,…,SN,k是隨機選取的,且k≠i。φij為[-1,1]之間的隨機數,它控制xij鄰域的生成范圍,隨著搜索接近最優值,鄰域的范圍會逐漸減少。如果新解比舊解好,引領蜂就記住新解忘掉舊解,反之,保留舊解。在所有引領蜂完成搜索后,引領蜂通過搖擺舞把解的信息和食物源信息與跟隨蜂分享,跟隨蜂根據下式計算每個解的概率pi。

將模擬蜂群采蜜行為的人工蜂群算法,運用到博物館的照明控制系統中,通過不同游客對展品吸引游客程度來找到參觀路徑的最優解,根據參觀路徑的最優解來控制展廳照明燈光的最優控制。

在算法中,用Limit參數記錄解被更新次數,如果迭代次數達到Limit次后游覽路徑并沒有得到改善,這個迭代解就應被舍棄,隨機在解空間中搜尋新的有吸引力的展品。

蜂群算法是一種全局優化算法,與具體問題無關,算法對初值選擇不敏感,具有較強的魯棒性和收斂性能。

3.4智能照明控制系統設計

根據人工蜂群的算法求出游客參觀博物館的最優路徑,在最優路徑的基礎上,實現智能照明控制系統。智能照明控制系統的核心部分是熱釋電紅外傳感器,檢測到游客位置信息傳送給控制器,控制器經過處理后對燈光進行調光控制。

目前,用得比較多的是脈沖寬度調制(PWM),通過調節脈沖高低電平的占空比以調節燈光的明暗程度。

智能燈光控制系統通過紅外對人體進行檢測,通過超聲波測距對游客和展品的距離進行檢測,控制器根據檢測信息輸出PWM信號,控制燈光的亮度,不僅有利于游客參觀展品,更綠色節能。

控制器采用單片機控制,將人體檢測和超聲波測距信號進行采集,并通過處理,輸出不同占空比的PWM信號,調整展廳照明燈光。

使用示波器觀察控制器輸出的PWM信號,分別是輸出占空比為86%和10%的波形。

4、小結

針對目前博物館照明效率不高的問題,運用智能控制對博物館中的展品照明進行設計,從蜂群的算法來對照明系統進行仿生照明的設計與研究。用智能照明和仿生結合的方式提升了博物館展示文物的智能化水平,有效地保護了文物,更體現了節能環保的主題。

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