用于受控光分布的具有多个传感器的自适应集成日光和电灯控制

摘要

一种用于在包括多个已安装光源（111,112,221-223）和外部光源（103,203）的空间内控制光分布的系统和方法。所述方法包括：在所述空间内的多个测量区域处测量来自所述多个已安装光源（111,112,221-223）和外部光源（103,203）的光的亮度水平；基于所测亮度水平控制每一个已安装光源（111,112,221-223）的强度水平和进入所述空间的来自外部光源（103,203）的光数量；以及调谐每一个已安装光源（111,112,221-223）的强度水平和进入所述空间的外部光（103,203）数量以便优化条件，使得对应的多个测量区域的所测亮度水平与预定义目标亮度水平之间的均方误差最小化，并且使得由所述多个已安装光源（111,112,221-223）消耗的能量数量最小化。

说明书

本发明涉及照明控制，更具体来说，涉及一种用于在包括多个已安装光源和外部光源的空间内控制光分布的方法和系统。

用于控制电灯和日光的当前建筑物控制系统大多数使用独立的控制系统。日光与电灯的集成控制看起来是现今的照明控制策略的下一步。近来，在一些美国专利中公开了“集成”控制系统。下面是两个实例。

美国专利号7111952 B2公开了一种用于窗户用品（window treatement）和电灯的组合控制器。该系统包括日光感测以便控制房间内的电灯的调光水平（dimming level）和日光量。该系统使用中央控制器来控制子系统。但是操作是有顺序的，也就是说首先调节窗户用品直到其完全打开/关闭，并且随后调节电灯以便提供所需要的其余光。

美国专利号7566137 B2公开了一种基于单个传感器或多个传感器的组合式电灯和窗户用品控制器。电灯被分组成具有所述单个传感器或所述多个传感器的区段。在多个传感器的情况下，这些传感器的输出被简单地平均。通过存在于每一个区段内的预先编程的控制器实现多区段控制。所述组合式窗户用品和电灯控制器是基于顺序操作的：例如首先关闭或打开窗帘，随后调节电灯。

虽然这样的专利公开表明了从当今的独立控制朝向集成闭环控制的自然发展，但是其并非没有缺点。

上述系统的一个共同缺点在于其顺序地操作，例如首先完全关闭/打开窗帘，随后操作电灯。这样的系统可能会令用户不满。举例来说，当用户改变设定点或者占用传感器检测到环境改变并且设定需要被改变（比如从关闭到打开位置）时，用户将必须等到所述顺序操作完成为止以便检查是否满足照明优选项。由于窗户用品的操作缓慢，因此总体等待时间可能长达几秒钟，甚至一分钟或更长。鉴于当今对于快速响应的需求，用户可能无法容忍这样长的等待时间，并且将最终转向完全人工控制。

在非均匀日光分布的情况下，美国专利号7566137提出对于每一个区段内的电照明使用预先设定值。这样的系统是昂贵的，这是因为其需要在安装期间进行校准并且在建筑物状况（内部或外部）改变时需要持续的维护。该专利提到一种多感官方法，但是主要目的是通过简单地平均这些传感器的输出来提高鲁棒性。这样的平均对于均匀分布光要求可能有用，但是对于受控非均匀分布没有用。此外，这样的系统在能量节省方面并非是最优的。

因此，上述系统不支持用于最优的减少能量的照明控制的多传感器策略。

本公开包括用于窗户用品（例如窗帘、遮光物等等）和电灯的自适应集成控制的框架，以便根据给定要求优化总体光分布并且减少能量消耗。所提出的框架允许对于日光（例如窗帘、遮光物等等）与电灯的集成控制，从而利用了多个传感器和集成控制系统。在一个实施例中，所述控制系统包含中央控制器（对于日光和电灯的联合控制），在另一个实施例中，其包含分别用于电灯和窗户用品的单独控制器。所述多个传感器对空间内的照明条件进行采样，并且在某些实施例中所述多个传感器可以是分布式的。所述集成控制系统提供最优电照明和日光照明，以满足照明分布要求。此外，所述框架的某些实施例是基于电灯和电动化窗户用品的并行操作。因此，所述框架可以有利地减少能量消耗并且改善用户视觉舒适性，并且可以不遭受前面所讨论的顺序控制策略的缺点。

本发明的各种实施例中的一些代表性特征如下：

· 并行操作解决方案，也就是说窗户用品和电灯二者基本上同时（而非顺序地）操作。

· 所述控制系统以创新方式使用多个传感器来控制与均匀或非均匀分布有关的空间内的照明分布。

· 所述控制系统通过传感器来监测照明条件，以便调节窗户用品和电灯。

· 所述控制系统不需要单个“盒式”控制器来实施所述集成解决方案。窗户用品控制器和电灯控制器可以简单地交换信息，但是这些控制器可以被嵌入到对应的系统中。

· 所述系统控制照明条件，从而通过闭环操作满足用户的照明设定点和减少能量消耗的目标。

· 还可以把例如占用传感器之类的其他传感器集成到所述系统中。

· 还可以把例如强光控制（利用基于太阳时（solar time-based）和/或基于传感器的强光控制）之类的附加特征集成到所述系统中。

在一个实施例中，本发明涉及一种在包括多个已安装光源和外部光源的空间内控制光分布的方法，所述方法包括：在所述空间内的多个测量区域处测量来自所述多个已安装光源和外部光源的光的亮度水平；基于所测亮度水平控制每一个已安装光源的强度水平和进入所述空间的来自所述外部光源的光数量；以及同时调谐每一个已安装光源的强度水平和进入所述空间的外部光数量以便优化条件，使得对应的多个测量区域的所测亮度水平与预定义目标亮度水平之间的均方误差最小化，并且使得由所述多个已安装光源消耗的能量数量最小化。

在另一个实施例中，本发明涉及一种用于在包括多个已安装光源和外部光源的空间内控制光分布的系统，所述系统包括：用于在所述空间内的多个测量区域处测量来自所述多个已安装光源和外部光源的光的亮度水平的多个传感器；用于根据所测亮度水平来控制每一个已安装光源的强度水平和进入所述空间的来自外部光源的光数量的至少一个控制器，其中所述至少一个控制器同时调谐每一个已安装光源的强度水平和进入所述空间的外部光数量以便优化条件，使得对应的多个测量区域的所测亮度水平与预定义目标亮度水平之间的均方误差最小化，并且使得由所述多个已安装光源消耗的能量数量最小化。

在另一个实施例中，本发明涉及一种非暂时性计算机可读介质，其上存储有用于使得处理器施行在包括多个已安装光源和外部光源的空间内控制光分布的过程的指令，所述过程包括：在所述空间内的多个测量区域处测量来自所述多个已安装光源和外部光源的光的亮度水平；基于所测亮度水平控制每一个已安装光源的强度水平和进入所述空间的来自外部光源的光数量；以及同时调谐每一个已安装光源的强度水平和进入所述空间的外部光数量以便优化条件，使得对应的多个测量区域的所测亮度水平与预定义目标亮度水平之间的均方误差最小化，并且使得由所述多个已安装光源消耗的能量数量最小化。

一般来说，可以按照在本发明的范围内可能的任何方式来组合及结合本发明的各个方面。在说明书之后的权利要求书中特别指出并且明确要求保护被视为本发明的主题。通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的前述和其他特征和优点将显而易见。

图1示出了根据本发明的一个实施例的照明控制系统的高层级图示。

图2示出了根据本发明的另一个实施例的照明控制系统的高层级图示。

图3示出了根据本发明的一个实施例的控制系统操作的流程图。

图4示出了根据本发明的一个实施例的自适应控制器的一种实现方式的高层级图示。

图5示出了根据本发明的另一个实施例的自适应控制器的一种实现方式的高层级图示。

图6示出了具有在空间内的多感官和电动化窗户用品控制的参考方法。

图7示出了根据本发明的一个实施例的具有在空间内的多感官和电动化窗户用品控制的方法。

图8示出了作为时间的函数的自适应算法的一个实施例的性能。

图9示出了参考系统的性能。

这里的某些实施例描述了一种用于通过对日光以及来自一个或更多个照明器具的电灯进行集成控制来提供均匀或受控的光分布的系统和方法。所述集成控制系统可以有利地基于最小化传感器采样点处的所测亮度的均方误差以及最小化能量耗费函数（energy cost function）。

在具有多个受控灯具的空间内，所述灯具可以处在单个办公地点内（空间内的均匀照明），或者是用于非均匀分布（具有作业灯的多个办公地点，比如隔间（cubicle）或者单独办公地点）的作业灯。可以安装多个传感器以便对遍及所述空间的各个位置处的光水平进行采样。集成闭环控制算法随后调节来自每一个灯具的光水平并且控制窗户用品，从而实现总体上的期望的光分布和能量减少。

图1示出了这里所描述的实现方式的一个实施例。图1中的系统包括中央控制器102，中央控制器102接收来自用于空间的光传感器121、122、123的输入以及来自用于外部光（例如阳光）的光传感器104的输入。用户输入101（用户设定点输入）和来自传感器104、121、122、123的传感器数据由中央控制器102处理以便产生适当的操作条件，中央控制器102相应地调节电灯111、112的强度并且控制窗户用品103以便修改进入所述空间的外部光数量。应当提到的是，对“阳光”的引用并非把所述空间外部的光限制为阳光。用于阳光的光传感器104可以感测所述空间外部或者特定于某一光源的任何光。

图2示出了本发明的另一个实施例。所述系统包括多个控制器：用于分别控制电灯221、222、223的电灯控制器211、212、213，以及用于控制电动化窗户用品203的窗户用品控制器202。用于空间的光传感器231、232、233和用于外部光（例如阳光）的光传感器204测量其对应位置处的光强度。在这种情况下，所有传感器信息和用户要求201都被馈送到每一个控制器。所述控制器还在其自身之间共享信息。举例来说，电灯控制器将电灯强度水平发送到窗户用品控制器，并且窗户用品控制器向电灯控制器通知可用外部光数量和窗户用品的操作状态（例如窗户窗帘打开的百分比）。

从技术、成本和商业策略的角度来看，图1和2中示出的实施例有其自身的优点。所述策略还可以合并附加的特征，比如占用传感器和强光控制策略。

图3示出了根据这里所描述的一个实施例的控制电灯和窗户用品的迭代过程300。

在301中，通过所述空间内的不同测量区域处的传感器测量来自光源的光的亮度水平，其中所述测量区域可以是点状测量区域（例如处在所述空间的天花板上的20个不同地点处）或者非点状测量区域。在多个测量区域处测量来自光源的光的目的是获得所述空间内的光分布。假设测量区域的数目是k个并且N是已安装光源的数目，则认为每一个区域处的所测亮度水平                                               具有：来自所述k个区域处的N个已安装内部光源的贡献，其中光水平；以及来自所述k个区域处的外部光亮度水平的贡献，其中n是时间指示器。

作为一个实例，y₆是测量区域6处的所测亮度水平，dl₆是由于外部光源（例如从窗户进入的阳光）而得到的对于所测亮度水平的贡献，并且x₂是光源2处的实际光水平。

在302中，确定用于调节灯具和外部光源的强度的适配步幅。示例性实施例提供一种控制器策略，其基于最小化传感器采样点处的所测亮度的均方误差以及最小化能量耗费函数。假设有N个灯具，光水平为x={x₁,x₂,···,x_N}，窗户处的日光的亮度水平为d(n)，并且外部光到k个采样点的传递函数是dl={dl₁,dl₂,···,dl_k}，则可以通过下式描述所述k个采样点处（传感器所处的地点）的亮度水平：

                                等式（1）

其中，A是描述电灯与采样点（传感器）之间的关系的Nxk矩阵，w(n)是窗户用品外部光透射因数（例如，与窗户窗帘的倾斜角度有关）。应当提到的是，d(n)由外部光传感器测量。可以通过下式描述采样点处的所测亮度与期望光水平之间的误差：

                                             等式（2）

其中，u是采样点处的期望设定点。对于均匀光分布，该数值将仅仅是单一数值。

在本实施例中，所述自适应光控制器被配置成最小化均方误差和功率消耗。完成这一点的一种方式是通过由下面的等式系统描述的闭环系统：

                     等式（3）

其中，μ是适配步长，P(n)是总功率消耗。在这里，照明系统被适配成趋向照明均方误差的最小化，而窗户透射则被适配成趋向最小化总体功率消耗和照明均方误差。在多个窗户透射单元的情况下，可以形成类似的构造，其中w(n)将是一个矢量。为了易于解释，下面将在不损失一般性的情况下假设是单个窗户透射单元。

可以利用单独器具的调光水平的总和来近似功率消耗，也就是说：

                                     等式（4）

由于调光水平对于功率的非线性，这并非是精确的关系。然而这是用于控制目的的良好近似。

因此：

                             等式（5）

找到的精确表示并非是无足轻重的。但是对于所述自适应控制策略的一个示例性实施例，将使用具有常数因数的近似。该近似是基于等式（1）的关系，即x(n)A=y(n)-dld(n)w(n)。这意味着，其中c_i是一个常数。该常数因数取决于相对于电灯器具的外部光分布。找到所述因数的精确数值并非是无足轻重的。出于所有实际的目的，一个实施例假设所有因数都是完全相同的，该常数因数将与适配步长合并，并且在安装期间针对最优操作对其进行校准。

通过使用这些近似以及对于前面的等式的进一步简化，得到描述所述控制策略的以下自适应等式系统：

             等式（6）

如果注意到前面的等式中的d(n)的效果是基于外部光的数量加快或减慢适配，则仍然可以施行进一步的简化。另一个实施例可以忽略这一效果，从而把窗户透射的适配简化成以下等式（并且利用所有c_i都相等的简化）：

                等式（7）

在303中，调节灯具以及通过窗户进入的外部光的强度。递增n的数值，并且迭代循环300继续，直到达到稳定状态为止。

图4和5示出了利用本发明的两种实例实现方式的上述控制策略的方框图。

如图4中所示，中央控制器402控制电灯421和窗户用品403二者。对应于每一个区域的所需亮度水平401连同来自内部传感器431-434以及外部光传感器404的测量被馈送到中央控制器402。中央控制器402利用前面描述的适配规程产生适当的调光控制411来控制电灯强度，并且产生窗户用品控制405来调节通过窗户进入所述空间的外部光（例如日光）数量。

在图5中，电灯控制器502控制电灯521，并且控制器503控制窗户用品504。对应于每一个区域的所需亮度水平501连同来自内部传感器531-534以及外部光传感器505的测量被输入到电灯控制器502和窗户用品控制器503。控制器502和503交换传感器数据及它们的操作状态。电灯控制器502和窗户用品控制器503利用前面描述的适配规程来分别控制电灯强度和进入所述空间的外部光数量。

仿真性能评估（实例）

作为一个说明性实例，考虑一个矩形单人办公地点。在图6和7中示出了该办公地点的层视图（floor-view）。图6示出了控制光分布的一种方法，其充当用于与图7中所示的所公开的控制策略的一种实现方式比较系统性能的参考技术。在本实例中，存在四个灯具611-614或711-714，并且所述办公地点具有一扇窗户601或701。作为一个实例，使用电动化窗户窗帘来调节通过窗户601或701进入所述办公地点的外部光数量。在该实例实施例中，布置四个传感器621-624或721-724，每一个灯具下方布置一个。应当提到的是，传感器的数目不需要与灯具的数目相同，并且传感器不需要处在每一个灯具下方。

数字(1,0.5,0.35,0.25)描述关系矩阵的基础，即：

假设采样点处的归一化自然光的分布是dl={1.5,1.0,0.5,0.5}，并且归一化期望亮度水平是u={2.1,2.1,2.1,2.1}。来自每一个灯具的最大光被归一化到1。

如图6中所示的参考技术假设有多个传感器，但是每一盏灯和窗户窗帘被独立地适配。图6和7中的百分比数字表明仿真控制系统的稳态结果。在仿真开始时，所有灯都是关断的，并且窗户窗帘是关闭的。如图6中所示，当前的现今技术将不会完全利用可用外部光，这是因为所有电灯处于100%接通(ON)，并且窗帘并非是完全打开的（仅有73%）。在图7中，对于根据本发明的一个实施例的系统，窗户701旁边的灯具711是关断的，门旁边的灯具712被调光到43%。处在房间的黑暗区域内的其他器具713和714被变成达几乎全部能力（分别是98%和95%）的接通（ON）。这一稳态结果与图6的系统相比表现出大约42%的照明功率降低。此外其提供了更多外部光（例如阳光），这可能会使得居住者更加舒适。可以包括可选的占用传感器（OS）730，使得当没有检测到人的存在时可以降低发光度。

图8对于图7的前述实例的每一个灯具和窗户透射示出了作为时间的函数的所述控制系统的性能。起初，灯被变成关断（OFF）并且窗帘完全关闭。

随着所述自适应算法被应用，单独的受控单元改变到最优稳态数值，并且窗户窗帘完全打开。

图9示出了对应于图6中所示的系统的相应结果。如前所述，该系统在用户舒适性以及能量节省方面都不是最优的。

本公开可适用于建筑物和家中的照明控制和能量管理。

前面的详细描述阐述了本发明所能采取的许多形式当中的几种。意图是，前面的详细描述被理解为说明本发明所能采取的所选形式，而不被理解为限制本发明的定义。只有包括全部等效表述的权利要求书才意图限定本公开的范围。

最为优选的是，本发明的原理被实施为硬件、固件和软件的任意组合。此外，所述软件优选地被实施为有形地具体实现在由某些器件和/或器件组合或者其部件构成的程序存储单元或计算机可读存储介质上的应用程序。所述应用程序可以被上传到包括任何适当架构的机器并且由其执行。优选地，所述机器被实施在计算机平台上，所述计算机平台具有例如一个或更多个中央处理单元（“CPU”）、存储器以及输入/输出接口之类的硬件。所述计算机平台还可以包括操作系统和微指令代码。这里所描述的各个过程和功能可以是微指令代码的一部分或者应用程序的一部分或者是其任意组合，其可以由CPU执行而不管这样的计算机或处理器是否被明确示出。此外，可以把各种其他外围单元连接到所述计算机平台，比如附加的数据存储单元和打印单元。