LED仿生照明:博物馆智能照明方法

LED仿生照明:博物馆智能照明方法,博物馆是一个国家综合实力的体现,现代人把参观博物馆作为一种精神追求。
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博物馆是一个国家综合实力的体现,现代人把参观博物馆作为一种精神追求。博物馆的光环境是游客的第一感受,为了让人们安全舒适地参观博物馆的展品,且保护好国家文物,使国家文物免受光损害,就需要提高展厅智能照明的控制水平,解决和处理好文物光损害和舒适参观环境以及节能的关系。

博物馆环境对照明的要求

博物馆对照明的需求主要表现在一般照明、陈列照明和文物保护。

1.1 一般照明

一般照明指的是为照亮整个场所而设置的均匀照明,主要是为游客服务,根据陈列的展品种类和展品所处的位置不同而有不同的亮度,观众在展厅与展厅之间走动参观的时候,对光亮度要求有一个渐变的过程。通常从低亮度到高亮度比从高亮度到低亮度所需要的适应时间短,所以在设计展厅一般照明的时候应使较低亮度的展厅与中等亮度的展厅相邻。通过有意识的对展厅各区域亮度关系的合理设定,让观众很好地适应展厅光环境,为游客参观创造一个舒适的参观环境。 西普仕照明

博物馆一般照明应满足低亮度、控制光良好、大遮光角的要求,同时,一般照明由于工作时间长,应考虑节能问题。

1.2 陈列照明

(1)墙壁陈列照明:采用定向性照明,把展品陈列照明灯光集中到展品上,从墙壁反射的光能够满足观众在展厅中游览的需要。

(2) 立体展品陈列照明:用于大型展品采用立体展品照明,如蜡像、模型等。大型展品的外观、材质都不同,立体展品陈列照明的关键是利用灯光突出展品自身的特点。

(3)展柜陈列照明:要注意散热,避免产生直接眩光;采用拆装简便的照明灯具,光束角及调节角度控制精准、突显立体感;一般选小型的光源,控制器可以装在展柜外面。

1.3 文物保护

自然光及多种人工光有都含紫外线(波长<400nm)和红外线(波长>760 nm)。其中的紫外辐射是1种非照明用的辐射源,其波长范围为10 ~400nm。紫外线光子的能量大,文物吸收紫外线的能量可转化为内能,会引起展品变褪色。而红外辐射具有热效应,导致展柜温度上升,容易使展品出现干化、变形、裂纹等损坏。热效应明显的红外线不仅可能造成展品热老化,还能引起相对湿度变化,间接造成对文物的损伤。
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1.4 博物馆照明的新需求

现代博物馆展厅对照明系统的需求又有新的特点:①根据文物属性和展厅特点,控制陈列文物照度和色温;②配置防红外、紫外的光学过滤透镜以及扇叶、防眩筒、防眩格栅等光学配件;③博物馆的照明系统具有智能化和可扩展性;④博物馆照明系统应具备节能环保要求。

LED在博物馆照明中的优势

博物馆展示的文物一般都对光辐射比较敏感,根据敏感程度的不同,分为对光特别敏感、敏感、不敏感3类,文物的具体分类如表1所示。

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LED光源是一种绿色光源,具有节能,环保,安全,颜色丰富等特点,与白炽灯相比,节电率可以达到90%以上,节能效益十分可观,且在其光谱中没有紫外和红外辐射,能控制热效应和次生光化学反应损害。LED冷光源灯泡采用直流驱动,无频闪;冷光源发热量低,可以安全触摸;LED照明产品工作电功率相对较低,所需控制模块的电功率也低。与传统光源相比,光源多变幻是LED的一个重要特征,可以进行彩色控制,营造出更好的参观氛围。如果能对LED实现有效智能控制,可以起到保护文物、营造良好的参观环境和节能环保的理想效果,因此,很多博物馆开始采用LED照明。

LED智能照明

3.1 一般照明的智能化

展厅照明是比较有规律的照明系统,可采用定时控制的方式,参照展厅走廊和展厅面积大小进行定时控制,不仅达到智能控制的目的而且也能起到节能的作用。

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序厅和展厅展品的一般照明部分全部采用调光控制,当有游客进入序厅时,照明灯由暗渐变成舒适的亮度,为游客适应展厅内的灯光提前作好准备。

利用光敏传感器感应环境光线的强弱,利用采集到的信号来控制照明系统的开关和调光,此外通过人体红外传感器感应自动调整走廊和展厅的照明,既保证了环境的舒适性,又能够有效地节能。

3.2 展厅陈列照明的智能化

对文物的重点照明中,为有效地保护文物,避免光损害,主要考虑文物展品的曝光量。2009年发布的博物馆照明设计规范(GB/T 23863—2009),其中有对陈列室展品照度提出一个标准,如表1所示。

研究表明展品的曝光量越高损害越大,博物馆将年曝光量作为文物保护的主要指标。在照度相同的情况下,减少曝光时间,可以有效降低年曝光量。所以在博物馆日常管理过程中特别重视对照明的控制,要保护文物就须控制好曝光时间和照度。
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探测人的移动来自动打开或关闭灯光,当有人通过时会自动打开,人员离开后自动关闭。当游人离开展区时,展区内的灯光通过移动探测器探测到无人在展厅内参观,将自动延时关闭该层展柜内的灯光。只保留顶棚照明(应急照明)灯光作为展厅的一般照明。

为控制展品照明的照度, 将人体红外传感器、距离检测与LED灯相结合,当有人进入该区域时,则该区域的展品照明调到事先设定好的照度值(40%),当人走到距离某展品1 m时,该展品的灯光亮度调到80%,其余展品照明亮度保持在40%。人离开该展品则下降到40%,人离开该展厅则关闭该展厅的照明,使灯光更加合理,更加灵活,展品调光控制软件流程图如图1所示。

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3.3 展厅展品的仿生照明

人工蜂群算法是模仿蜜蜂行为提出的一种优化方法,是集群智能思想的一个具体应用,其主要特点是不需要了解问题的特殊信息,只需对问题进行优劣比较,通过各人工蜂个体的局部寻优行为,最终在群体中使全局最优值突现出来,有着较快的收敛速度。为解决多变量函数优化问题,Karaboga提出了人工蜂群算法ABC模型,并已在组合优化、网络路由、函数优化、机器人路径规划等领域获得了广泛应用。

蜂群产生群体智慧的最小搜索模型包含基本的3个组成要素:食物源、被雇佣的蜜蜂和未被雇佣的蜜蜂;两种最为基本的行为模型:为食物源招募蜜蜂和放弃某个食物源。

每个展品位置是优化问题的1个解。展品的吸引游客程度对应解的质量(适应度值fiti),fiti 根据(1)式计算,其中f i为目标函数。 买灯具首选 西普仕照明

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在算法计算中,初始阶段将蜂群分为引领蜂和跟随蜂,假设引领蜂的个数等于跟随蜂的个数等于种群中的解的个数。先在搜索空间生成初始解向量xi(i=1,2,…,SN),SN为蜜源个数,每个解xi 是1个d维的向量,d是问题的维数。初始化后,整个种群将进行引领蜂、跟随蜂和侦察蜂搜寻过程的重复循环,直到达到设定的迭代次数Limit或者误差允许值,循环限制次数Limit。

在搜索过程中开始阶段,每个引领蜂由下式产生1个新解(新的蜜源)。

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式中,j∈(1,2,…,d),k∈(1,2,…,SN,k是随机选取的,且k≠i。φij为[-1,1]之间的随机数,它控制xij邻域的生成范围,随着搜索接近最优值,邻域的范围会逐渐减少。如果新解比旧解好,引领蜂就记住新解忘掉旧解,反之,保留旧解。在所有引领蜂完成搜索后,引领蜂通过摇摆舞把解的信息和食物源信息与跟随蜂分享,跟随蜂根据下式计算每个解的概率pi。

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展厅展品与人工蜂群算法中的蜂群觅食行为的对应关系如表2所示。

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将模拟蜂群采蜜行为的人工蜂群算法,,运用到博物馆的照明控制系统中,通过不同游客对展品吸引游客程度来找到参观路径的最优解,根据参观路径的最优解来控制展厅照明灯光的最优控制。在游览中采用人工蜂群算法找出最优路径的流程图如图2所示。

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在算法中,用Limit参数记录解被更新次数,如果迭代次数达到Limit次后游览路径并没有得到改善,这个迭代解就应被舍弃。按照(4)式随机在解空间中搜寻新的有吸引力的展品。

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蜂群算法是一种全局优化算法,与具体问题无关,算法对初值选择不敏感,具有较强的鲁棒性和收敛性能。

3.4 智能照明控制系统设计

根据人工蜂群的算法求出游客参观博物馆的最优路径,在最优路径的基础上,实现智能照明控制系统。智能照明控制系统的核心部分是热释电红外传感器,检测到游客位置信息传送给控制器,控制器经过处理后对灯光进行调光控制。

目前,用得比较多的是脉冲宽度调制(PWM),通过调节脉冲高低电平的占空比以调节灯光的明暗程度,展品的智能照明控制硬件框图如图3所示。

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智能灯光控制系统通过红外对人体进行检测,通过超声波测距对游客和展品的距离进行检测,控制器根据检测信息输出PWM信号,控制灯光的亮度,不仅有利于游客参观展品,更绿色节能。

控制器采用单片机控制,将人体检测和超声波测距信号进行采集,并通过处理,输出不同占空比的PWM信号,调整展厅照明灯光。

使用示波器观察控制器输出的PWM信号,如图4所示,分别是输出占空比为86%和10%的波形。

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通过PT4115驱动LED灯分别在占空比为86%和10%时LED灯的明暗程度如图5所示。

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小结

针对目前博物馆照明效率不高的问题,运用智能控制对博物馆中的展品照明进行设计,从蜂群的算法来对照明系统进行仿生照明的设计与研究。用智能照明和仿生结合的方式提升了博物馆展示文物的智能化水平,有效地保护了文物,更体现了节能环保的主题。
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