ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
УДК 628.977.9
СОЗДАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ системЫуправления освещением для рабочих мест
С дисплеями
Ю.А Ярмольчик, А.В. Кудряшов
Системы управления освещением (СУО) позволяют добиться максимальной энергоэффективности за счет плавного регулирования искусственного освещения. Создатели таких систем используют для настройки единственный датчик, оценивающий освещенность на рабочем столе или на полу вблизи стола, несмотря на необходимость контроля освещенности на экране ПК. Регрессионный анализ результатов оценки освещенности на офисных рабочих местах показал, что определить значения освещенности экрана опираясь только на показания датчиков, оценивающих освещенность стола или пола невозможно. Авторами предложена СУО, особенностью которой является адаптация к условиям избыточного дневного света и обеспечение нормативных значений освещенности для рабочих мест с дисплеями благодаря использованию двух датчиков, а не одного, как во многих других системах.
Ключевые слова: система управления освещением, освещение, датчики освещенности, регрессионный анализ.
Актуальность работы. Правильно спроектированное освещение рабочего места является необходимым условием для комфортной рабочей деятельности человека, ошибки в создании осветительных систем могут привести к быстрой утомляемости и снижению качества выполнения работы. Основное внимание разработчиков осветительных систем сконцентрировано на достижении высоких показателей энергоэффективности (применение современных источников света в совокупности с системами управления освещением (СУО) позволяет снизить потребление электроэнергии от 60 до 70 %), но при этом вопросы гигиенического воздействия и условий труда уходят на второй план.
Для освещения офисных рабочих мест, оборудованных персональными компьютерами (ПК) устанавливаются требования: согласно [1–2] освещенность на рабочей поверхности стола должна быть 400 люкс, максимальная допустимая освещенность на поверхности экрана не более 200 люкс. В соответствии с [3] кроме минимальной освещенности на рабочей поверхности стола (300–500 люкс) нормируется максимально допустимая освещенность поверхности экрана (не более 300 люкс), кроме того, необходимо ограничивать избыточное естественное освещение, способное формировать блики на поверхности экрана.
Цель работы – обеспечить выполнение нормативных требований к освещению офисных рабочих мест, оборудованных ПК. Задача работы – обосновать минимально необходимое число датчиков освещенности и создать адаптивную СУО, учитывающую особые требования к освещению офисных рабочих мест с ПК.
Анализ литературных источников и патентных материалов [4] показал, что специфические требования к освещению офисных рабочих с ПК, производителями СУО не учитываются: используются датчики, вмонтированные в корпус светильника (рисунок 1) или прикрепленные к боковой части экрана (рисунок 2), которые способны оценить лишь освещенность на поверхности стола или на рабочей поверхности экрана соответственно.
Рис. 1. Элементы системы управления освещением
.
Рис. 2. Пример системы управления освещением с датчиком освещенности вблизи экрана
Для нормальной работы СУО офисных рабочих местах, мы предлагаем использовать два датчика освещенности, один из которых должен располагаться на экране компьютера, другой – на поверхности стола.
Регрессионный анализ. Для обоснования минимального количества датчиков освещенности необходимо проверить, существует ли зависимость между показателями освещенности экрана и стола или пола. Расчеты основываются на регрессионном анализе собранных данных, условие построения уравнения – одна случайная переменная должна быть зависимой (Y), а другая независимой (X). Зависимость задается уравнением прямой:
. (1)
Параметры a и b оцениваем на основе метода наименьших квадратов.
Параметры а и b являются оценочными значениями коэффициентов уравнения и рассчитываются по формулам 2 и 3:
, (2) 
. (3)
Чтобы определить насколько сильно зависят друг от друга значения случайных величин X и Y, проверяется значение коэффициента корреляции по формуле 4:
, (4)
где: 
– значение ковариации случайных значений X и Y; 
и 
– дисперсии случайных величин X и Y.
Значение R лежит в диапазоне от -1 до 1, чем ближе значение к |1|, тем сильнее зависимость.
Для оценки достоверности уравнения требуется произвести расчет критерия Фишера (F критерия) по формуле 5. Расчет проводится с уровнем доверительной вероятности равным 95%, а значит с уровнем значимости (α) равным 0,05.
, (5)
где: 
– коэффициент детерминации; 
– объем выборки; 
– число факторов модели (для парной регрессии m=1).
При сравнении Fрасч и Fтабл проверяется нулевая гипотеза о равенстве коэффициентов уравнения а и b нулю. Если Fрасч>F табл, то нулевая гипотеза отвергается и а и b ≠ 0.
Чтобы определить значение Fтабл, требуется узнать значения коэффициентов k1 и k2, которые рассчитываются по формулам 6 и 7.
, (6) 
, (7)
где: 
– число степеней свободы, 
,
– объем выборки.
Для оценки значимости уравнения рассчитывается значимость F (F распределение Фишера) по формуле 8.
(8) 
(9)
где: 
– гамма функция.
Уравнение считается значимым, если F(x)< 0,05.
Для определения верхнего и нижнего предела каждого из коэффициентов уравнения рассчитывается стандартное отклонение (Si) по формуле 10, значение Стьюдента (
) для каждого коэффициента по формуле 11, ошибки (Δi) каждого коэффициента по формуле 12. В итоге рассчитываем значения нижнего и верхнего пределов соответственно по формулам 13 и 14.
(10) 
(11)
где: i – значение рассчитанного коэффициента уравнения (a или b):
, (12)
где: 
– табличное значение коэффициента Стьюдента, при количестве степеней свободы = n-2.
Н 
(13)
(14)
Но так же следует проверить на значимость рассчитанные коэффициенты a и b. Для этого используется величина P-значение. Они используются, чтобы определить, подпадают ли коэффициенты a и b в диапазон значений.
P-значения можно рассчитать по формуле 15:
, (15)
где: – расчетное значение Стьюдента для коэффициента уравнения.
не должно превышать значения 0,05, иначе этот коэффициент можно считать равным нулю и он не значим для этого уравнения.
После всех расчетов, делается вывод, подходит ли уравнение для данных случайных величин.
Произведем проверку зависимости освещенности экрана от стола. Исходные данные приведены в [5].
Проведем проверку для уравнения линейного вида. Результаты расчета:
Значения оценочных коэффициентов уравнения:
Уравнение принимает вид:
(16)
Проверка корреляции:
Это значит, что Y не имеет выраженной зависимости от X.
Проверка коэффициента детерминации:
Модель не соответствует исходным данным.
Достоверность уравнения определяется по F критериям:
F>Fтабл, т.е. коэффициенты уравнения а и b ≠ 0.
Уравнение не значимо, так как F(х) больше 0,05.
Проверка значимости коэффициентов a и b:
Коэффициенты незначимы, так как они больше 0,05.
Если свободный коэффициент уравнения приравняем к нулю, значения показателей будут соответствовать всем параметрам, но погрешность остается большой, из этого следует, что эти данные не имеют зависимости между собой.
Также проводится проверка уравнения гиперболы, степенного и показательного уравнения. Эти уравнения преобразуются к линейному виду, а затем проводится регрессионный анализ.
В ходе проверки выясняется, что уравнения этих видов тоже не имеют зависимости с исходными данными.
Исходя из этого, можно сделать вывод, что с помощью регрессионного анализа не удалось выявить зависимость между показателями освещенности экрана и стола.
Аналогичным образом были проведены исследования зависимости между показателями освещенности экрана и пола и сделан аналогичный вывод.
Создание системы освещения на основе 2-х датчиков. Регрессионный анализ не выявил зависимости между показателями освещенности экрана и рабочей поверхности стола/пола, то есть определить значения освещенности экрана невозможно, опираясь только на показания датчиков, оценивающих освещенность в области рабочей поверхности стола или пола. Таким образом, очевидно, что построение системы управления освещением для рабочих мест с ПК технически невозможно с использованием менее чем двух датчиков освещенности, один и них должен располагаться на рабочей поверхности стола, другой, на экране ПК.
Расположение основных элементов системы представлено на рисунке 3.
Рис. 3. Расположение элементов системы:
1 и 2 – датчики освещенности; 3 – смарт-стекло;
4 и 5 – светодиодные светильники
Алгоритм работы системы управления освещением иллюстрирует рисунок 4.
Рис. 4. Блок схема алгоритма работы системы
Для разработки алгоритма работы СУО были выбраны самые «жесткие» требования, согласно [3], освещенность поверхности стола в диапазоне 300-500 люкс, освещенность экрана не более 300 люкс. При необходимости алгоритм может быть адаптирован к требованиям [1–2] путем упрощения.
Научные результаты. Впервые обоснована необходимость использования двух датчиков освещенности для корректной работы системы управления освещением рабочих мест с дисплеями. СУО целесообразно применять для освещения рабочих мест диспетчерского персонала объектов энергетики, авиадиспетчеров, управления транспортными потоками.
Библиографический список
1. СП 52.13330.2016. Естественное и искусственное освещение.
2. EN 12564-11. Light and lighting – Lighting of work places. Part 1: Indoorworkplaces.
3. СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03(с изменениями на 21.06.16). Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы.
4. A.V. Kudryashov, E.S. Galishheva, A.S. Kalinina, Lighting control using DALI interface (International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, 2018 (ICIEAM)). №8728728, DOI: 10.1109/ICIEAM.2018.8728728.
5. Кудряшов, А.В. Обоснование числа датчиков при управлении энергоэффективным освещением рабочих мест с дисплеями / А.В. Кудряшов, А.С. Калинина, Ю.А. Ярмольчик // Энергоресурсосбережение и энергоэффективность. – 2019. – № 3. – С. 22–27. DOI: 10.18635/2071-2219-2019-3-22-27.