数字照明

2024-08-17

数字照明（共4篇）

数字照明篇1

1 背景简介

飞机设计是一个复杂的过程, 需要大量的设计-验证工作, 传统的设计是先设计后验证, 设计和验证相独立的过程。设计人员首先根据系统的顶层要求进行设计, 尽管会进行一定计算分析, 但精度非常有限, 无法保证设计符合性。初步设计后需通过试验样机来验证系统是否满足顶层设计要求, 不能达到要求则需要设计人员根据验证结果进行改进, 改进后再进行试验验证。整个研发过程中需要进行多次的设计和验证的迭代, 才能使顶层要求完全得到满足, 设计过程复杂、研制费用高、周期长。为了解决这些问题, 各飞机制造商都在积极采用新技术、新思路, 寻求解决方案, 以期能够提高研发效率。

2 数字仿真技术的优势

数字仿真技术的出现为解决这些问题提供了契机。通过对实际情况建模, 并利用数值方法进行计算分析, 数字仿真技术能在设计阶段检验系统的性能, 为设计工作提供指导。图1是传统的设计研发流程与引入数字仿真技术后的研发流程的对比。在航空领域, 数字仿真技术已经普遍应用在气动、强度、电子、电气、飞控等系统的设计中, 表现出很大的优越性。

照明系统直接关系到主观感受, 在设计中需要综合考虑内设、环境等多方面的因素, 设计过程非常复杂。一般的设计方法只根据照度和亮度的需求进行设计。在定下初步设计方案之后, 设计者往往对方案可实施性的把握不强, 在灯光的布置、灯具的性能表现、空间的照度和亮度分布等问题上都存在很大不确定性。即使引入一系列的公式进行繁冗的手工计算也只能得到较粗略的计算结果。随着技术的发展, 数字仿真技术逐渐应用于照明领域, 出现了很多各具专长的照明仿真软件。

3 国内外应用现状

国外先进民机照明系统设计中已经普遍采用数字仿真技术。美国NIAR实验室采用SPEOS CAA V5软件进行照明仿真分析, 为各航空公司提供技术支持。Bombardier也将SPEOS CAA V5应用于客机照明系统设计中, 采用仿真技术后其研发效率提高了一倍以上, 并减少了物理样机消耗的时间和费用。

目前国内民机照明系统设计方法还比较落后, 只是简单根据照度要求选择灯具类型、数量并进行布置, 在实际安装前无法准确把握照明效果。例如在着陆灯设计中可以通过简单计算得到不同飞机姿态下跑道上的粗略照度值, 但无法知道飞行员在实际飞行时的视觉感受, 更不能分析跑道的反射特性以及天气条件对照明效果的影响。外部照明是飞机照明系统中适航条款最多的部分, 设计中需要全面考虑这些条款, 并在设计完成后通过地面试验检验其符合性。因此, 有必要在飞机外部照明系统设计中引入进行数字仿真技术, 以提高飞机外部照明系统的研发效率及设计水平、减少风险、缩短研发周期、降低研发成本。

4 数字仿真工具对比分析

照明领域的仿真计算主要通过光线追迹来实现, 光线追迹的算法包括确定性算法和蒙特卡罗算法, 确定性算法的运算代价较大, 蒙特卡罗算法采用统计方法进行计算, 能节约运算代价, 提高计算速度。目前商业的仿真软件已经相当成熟, 比较常见的如ASAP、Tracepro、Lighttools、Dialux、SPEOS、SPECTER、Radiance等。ASAP、Tracepro、Lighttools等软件主要用于光源、灯具的设计, Dialux、Agi32、SPEOS、SPECTER、Radiance等主要用于照明设计。

OPTIS公司的SPEOS软件集成了多种算法, 即可以进行确定性算法分析或蒙特卡罗算法分析, 也可以进行混合式算法分析。用户可以根据不同的仿真情况选择不同的仿真算法, 以提高计算精度。内嵌的反向追迹模块可以进行眩光分析, 在驾驶舱照明设计中有广泛的应用。

此外, SPEOS软件与Catia V5无缝结合, 将照明仿真功能直接嵌入Catia软件中, 设计与仿真两个过程间不需要进行数模转换, 消除了格式转换引起曲面形状畸变的风险。

5 结语

飞机设计是一个复杂的过程, 需要大量的设计-验证工作, 数字仿真技术的出现为解决民用飞机照明技术提供了契机。目前市场上有一些商用软件, 可以对比选择合适的软件辅助设计, 提高民用飞机照明的研发效率及设计水平、减少风险、缩短研发周期、降低研发成本。

摘要：数字仿真技术为缩短民机照明设计、验证过程提供了契机。简要介绍了仿真技术的优势, 调研了国内外的发展现状, 并对比分析了目前可用的商业软件, 为仿真技术的应用提供参考。

关键词：民机照明,数字仿真,应用

数字照明篇2

关键词：隧道照明,模拟,数字,调光

0 引言

随着工程建设中对节能减排的要求和意识不断提高, 对隧道照明系统进行采取调光的技术已有部分项目开始运用。以前, 我国公路隧道照明大部分都是采用高压钠灯作为光源, 但是高压钠灯在辐射形式、显色性、视觉敏感特性、功率规格、亮度控制等方面均存在许多不足, 特别是在隧道照明中, 隧道内部实际的照明需求会随着洞外亮度的变化而变化, 当洞外亮度较高时 (如晴天、云天) , 隧道入口段、过渡段、出口段的照明要求很高, 用于照明的电力消耗也就很高;而洞外亮度较低时 (如阴天、晚上) , 隧道入口段、过渡段、出口段的照明要求相对较低, 用于照明的电力消耗随之降低, 因此洞外亮度对隧道照明的成本有着至关重要的影响。

虽然高压钠灯的电子镇流器可以设计成调光镇流器, 通过各种传感器, 调节输入到电子镇流器控制工作频率的直流电平, 改变工作频率, 调整输出功率, 达到调光目的, 但这种方式的调光的调节范围、实际节能效率都有很大的局限, 同时对灯管寿命也有较大的影响, 因此从实用上说是不大可能的。

而现在的新建工程项目中的隧道照明大多都采用LED灯具, LED隧道照明灯具以其优异的性能, 克服了高压钠灯的诸多不足, 完全能够实现各种要求的调光功能。隧道灯具的发光强度可以根据洞外亮度的变化而逐渐提高或降低, 尤其是基本照明灯具的功率在夜晚可同步降低功率, 避免了以往单侧关灯所产生的斑马效应。所以, 采用LED调光控制系统能完全避免过度照明情况的出现, 可真正意义上的实现按需照明的节能设计理念。2013年11月底通车的贵州省思南至剑河高速公路, 其隧道照明在该省范围内第一次运用了照明调光技术, 并将模拟调光与数字调光分别运用在该项目的不同隧道。现以该项目为例, 介绍这两种公路隧道中常见的调光技术。

1 模拟调光

模拟调光就是控制器输出模拟信号, 智能灯具接收到模拟信号, 将其转换成PWM信号控制LED灯具的亮, 模拟信号, 只能控制灯具的亮度, 不能检测灯具的工作状态。此调光模式在贵州省思南至剑河高速公路中的龙井隧道、龙塘坪隧道、银孔桥隧道等隧道照明系统得出广泛的应用。

1.1 系统构成

LED隧道灯DC0-5V模拟调光照明控制系统由LED亮度智能无级控制装置、亮度可控型LED隧道灯、通讯系统和上位机监控管理软件等几大主要部分组成, 如图1。此系统可扩展洞外亮度自动采集信号功能, 并可处理4~20m A标准信号传送至LED亮度智能无级控制装置上, 再由其后转为DC0~5V的直流模拟信号输出, 去控制LED灯上的电压控制电流源。

1.2 系统及功能描述

(1) 调光系统具有远程控制、本地控制, 远程控制模式即是通过总控制室PC对灯具进行调光等级控制;本地控制模式可以通过调光系统控制柜对灯具实行调光等级控制;调光级数分为0-255级控制。本系统调光控制台只能在一个模式下使用。 (2) 远程控制具有自动及手动调光模式, 自动调光模式是按照预置方式对隧道内的灯具进行控制调光;手动调光模式是根据当前需求对隧道内的灯具进行调光控制。 (3) 系统能够接受4~20m A的标准信号。4~20m A接口既可为3线制, 亦可为2线制, 即DC24/12V输出、电流信号输入和地线。 (4) 具有掉电检测功能。系统电源来自EPS, 掉电检测信号来自市电。当电源掉电后, 系统基本照明将自动输出4V左右电压。该电压可用电位器调整。 (5) 当开启加强照明灯具时, 由于加强照明灯具数量众多, 不宜同时开启, 采用分段陆续开启。四路继电器吸合时间间隔一般在3-5S。关灯时可同步关闭。继电器设有常开和常闭触点, 可接AC220V或AC380V, 低压侧为5V。 (6) 系统具有实时时钟并配有备用电源, 在系统掉电或更换电源情况下依旧能够长时间地工作, 使时钟不至于丢失。 (7) 每个调光控制柜输出设有四个0-5V模拟调光接口, 分别控制隧道内的四个方向的灯具。 (8) 控制台采用嵌入式的方案, 可以实现网络监控, 进行设置和查询参数, 用户只要通过以太网即可接入, 方便明了。 (9) 调光控制平台配备网线接口, 可实现远程控制、驻地控制、当前工作状况显示、车检指示、故障报警指示、操作提示信息, 以及串口配置、授时、基本照明参数读取与设置、加强照明参数读取与设置、工作记录查询、日志查询、故障处理、解除故障和退出等功能。整套控制系统操作简捷、灵活, 只需外接一台PC机就能实现调光控制功能, 在PC机上的操作界面能实时显示各灯具工作情况, 并提供时间控制选择、调光级数选择。

1.3 系统特性

(1) 调光系统简捷、灵活, 便于操作, 维护简便。 (2) 单个LED灯具具备可调光功能, 采用预留0-5V模拟调光控制方式控制灯具输出电流来实现灯具的亮度级别变化, 能及时响应外部控制系统信号指令并做出相应的动作。 (3) 可实现0~255级无级调光功能, 并可任意设置控制时间和调光级数, 可满足任何不同照明场合的调光控制需求。 (4) 系统启动时间短, 隧道电源切换时, 灯具再启动时间及系统响应时间≤0.1s。 (5) 具有记忆功能, 系统电源断电恢复时能自动进入断电前的调光设置状态。 (6) 具备时间控制、集中远控及就地控制功能, 可根据客户自己的需求设置控制时间, 每天内可设定多个不同的控制时间及不同的调光级数。

2 数字调光

数字调光就是控制器输出数字信号, 智能灯具接收数字信号, 并将其转换成PWM控制LED灯具的亮度。数字调光具有信号抗干扰能力强, 可以控制灯具的亮度, 也可以检测灯具的工作状态, 是真正的智能灯具。在贵州省思南至剑河高速公路的帽子坡隧道、平新场隧道等隧道照明系统中就是采用DALI数字调光系统。

2.1 系统构成

系统主要由控制软件、控制主机、控制器、接收器构成。控制器配备以太网接口, 可以直接接入隧道现场工业以太网环网。控制主机安装于变电所照明配电柜, 控制器安装于隧道现场照明配电箱内, 接收器安装于LED隧道灯具上。控制主机接入通信系统与隧道管理救援站照明工作站建立连接, 控制主机与控制器之间通讯采用MODBUS-TCP协议。控制器与接收器之间通讯接口符合DALI隧道数字可寻址照明接口标准, 接收器与灯具之间调光接口采用PWM接口。

通过Dali主机控制各自区域内LED隧道灯的亮度调节;调光控制软件安装在管理中心控制室的综合监控系统工作站上, 作为调光控制系统总控台, 实现对全部调光控制箱及LED隧道灯的调光控制功能。调光控制软件可与监控系统软件集成。

2.2 系统及功能描述

(1) 根据隧道的特殊性, 每个Dali主机输出设有四个Dali调光通信接口, 分别控制四个方向的灯具.Dali控制总线使用专用信号线缆, 每条线缆最多可以控制64盏灯, 调光信号线需单独穿管铺设, 注意与强电分离。 (2) 调光系统采用两级网络控制架构, 隧道沿线分布n+1台由Dali主机组成的调光控制箱, n的数量由受控灯的数量来确定。控制箱之间采用光纤环冗余以太网互联;每台Dali主机提供4路Dali控制总线, 分别连接控制箱的左、右、对面车道的左及右共4路, 本区段内的基本照明和应急照明灯具全部置于其中, 即实现对整条隧道灯具的调光控制功能。总线设备通信采用主从协议, Dali主机为主站, 每个灯具为从站。 (3) 控制台采用可编程式的方案, 可以实现网络监控, 进行设置和查询参数, 用户只要通过调光控制器的网口接入即可, 方便明了。 (4) 调光控制平台与外界调光指令发射设备间采用DALI接口, 通信协议为开放的DALI-T协议, 可实现远程控制、驻地控制。整套控制系统操作简捷、灵活。 (5) 控制主机采用工业级无风扇工业计算机, 固态硬盘。采用冗余电源。 (6) 控制器与控制软件通信接口应采用开放接口, 支持开放式协议, 推荐采用标准开放式通讯协议:MODBUS-RTU/MODBUS-TCP。控制器与接收器通讯接口符合DALI-T隧道数字可寻址照明接口标准。DALI-T隧道数字可寻址照明控制器应具有至少2-4条DALI总线, 总计支持l28~256盏灯具。 (7) 控制器设置于隧道内照明配电箱, 接入隧道以太环网与照明调光控软件通信。控制器内部具有时钟, 与控制软件通讯中断后能自动接管控制权, 按照预置好的时序控制或全亮状态。控制器具备自动搜索并分配灯具地址功能, 控制界面简易, 支持现场手动控制。支持软件远程升级功能, 支持广播全体调光、分组调光、单灯调光。具有操作界面及应急操作开关, 方便进行现场调试与应急控制。能适应隧道恶劣的运行环境, 具有防潮、抗腐蚀等功能。能承受电源额定电压土20%的波动。 (8) 接收器输出调光信号为PWM调光信号, PWM频率为1KHZ。接收器与控制器通讯中断时, 接收器控制LED隧道灯进入全亮状态。接收器PWM调光接口悬空时LED隧道灯为全亮状态。接收器应能检测LED隧道灯具电流、温度、故障状态等数据。DALI-T总线通信接口应用无极性接口, 具备防误接功能。DALI-T总线通信接口采用无极性接口, 具备防误接功能。DALI-T总线控制口隔离电压≥3000VDC。具备过压 (300VAC) 保护功能。

2.3 系统特性

(1) 控制系统控制软件一般采用开放式软件构建, 便于升级维护以及与第三方软件系统融合。系统预留接口可与综合监控系统连接, 并接受其控制。 (2) 系统具备多级控制冗余机制:当任意一级控制装置失效时, 下一级控制装置能自动接管控制权, 并且系统能够自动给出相应的报警信息。 (3) 系统可根据时间, 亮度设定的多种模式进行调试和控制, 内置时控和光控模式参数配置可以由具有操作权限的操作员重新设置, 应以数据、图形、图像等方式显示隧道内LED照明系统的运行情况、控制模式等。 (4) 可自动或手动的方式执行命令, 自动方式包括全自动、时序两种。手动方式包括现场手动、远程手动、预案三种方式。 (5) 可自动地完成数据备份、文档存储 (含操作数据及故障数据) 。 (6) 能方便地进行查询、统计和形成报表, 同时设置权限管理。 (7) 根据控制器指令实时控制LED灯亮度, 各灯组的状态查询等。 (8) 可预置照明工况预案、照明策略, 可以通过控制软件远程调用照明工况、照明策略。 (9) 可在控制系统内建数据系统, 实时采集并记录照明控制信息及相关数据。设置有数据查询界面, 方便数据的查询调用, 允许远程数据访问。

3 总结

从以上的具体案例中, 我们可以看出模拟调光与数字调光在系统组成中具有大同小异, 但是模拟调光实现的调光只能是单纯灯具线性亮度调整, 无法实现数字调光对灯具的电流、温度、故障等状态捕捉以及数字调光的高可靠性;所以在目前的智能化隧道照明调光系统中, 更加广泛地使用数字调光系统, 目前国际知名的上海长江隧道、青岛胶洲湾隧道的智能化系统都是使用数字调光模式, 故当今社会的发展下, 高度智能化更加能适用于市场的发展。

参考文献

[1]郭兰英, 梁波, 张生瑞.一种新的隧道照明系统控制策略[J].西北大学学报 (自然科学版) , 2009 (04) .

[2]郭兰英, 梁波.公路隧道照明控制系统研究与实现[J].微计算机信息, 2009 (07) .

数字照明篇3

我们成功地应用了AMS系统,该系统用来控制鸟巢和水立方等设施所在的奥林匹克公园的户外灯。本文对构成该系统的设备之一——管理单元进行介绍。

管理单元用于检查和管理构成AMS的各子区域里的各节点是否发生异常情况。1台管理单元,可以对各子区域里区域单元所控制的单元(包含区域单元)最多50台进行警报和设定数据的保存和管理。

2 功能介绍

管理单元具有以下两种独特功能:

2.1 警报信息的保存和确认功能

将子区域里发生的警报信息保存、显示在管理单元里,并向中心服务器发出通知的功能。在管理单元内存中可以保存最多1万条警报发生记录,可以通过管理单元的WEB画面确认保存在管理单元中的各种警报数据。

2.2 设定数据收集功能

定期收集所管理的对象设备的设定数据并保存到管理服务器的功能。当对象单元(区域单元、照明控制单元、计量管理单元)发生故障时,运用保存在管理单元里的设定文档和专用工具,可以迅速恢复到正常使用状态。

2.3 警报信息保存和确认功能

管理单元所管理的警报信息种类如下。

含有各单元发来的异常信息在内的信息经过区域单元集中到管理单元。

当初由于考虑到区域单元有可能需要与其他公司的控制单元相连接,因此在该区域单元与其下属单元(如图2为照明控制单元和计量管理单元)之间的通信采用了BACnet(1)方式。

下面,按照图2中的警报流程对警报发生时的动作进行说明。

(1)当区域单元下属的各单元(图2中的照明控制单元和计量管理单元)检查出本机或其下属设备发生异常或发生通信异常时,根据BACnet协议规定,向区域单元发出异常通知。同时,在发出异常通知时,为防止警报通知误漏,会要求区域单元回信确认。

(2)收到警报的区域单元再根据syslog(2)协议把警报的相关信息传送给管理单元。这里的syslog不是标准的UDP,是为了防止警报通知漏发,设定成按TCP形式发送。

(3)管理单元把警报保存到自己的数据库里,再向中心服务器发出从区域单元收到的警报的通知。

另外,区域单元通过上面的syslog,定期地向管理单元发送运行通知。管理单元会察看是否有从区域单元发来的syslog通信,以便检查出区域单元的运行/通信异常。

管理单元内部保存的各种警报信息,可通过管理单元的WEB界面对其进行确认。图3是警报信息一览界面,显示各单元的最新警报信息,通过这个界面可以掌握每个单元是否发生警报。

图4是动作记录一览界面,这个界面可以按时间序列显示发生的警报信息。通过右上方的按键,可以按发生顺序显示。也可以在管理的单元上限定显示动作记录。还可以采用CSV文档格式输出内部保存的所有警报信息。

3 结束语

数字照明篇4

我们成功交付使用了AMS系统(以下简称为本套系统),该系统用来控制鸟巢和水立方等设施所在的奥林匹克公园用的外景灯。

本文对组成该系统的设备之一——中央服务器进行介绍。

2 系统构成

本系统采用分布式的模块构成。比如,使用以传送单元为核心的全2线系统实现照明控制系统的构建,同时利用以多回路电力计为核心的电力计量系统也能检测出用电量。当需要综合成一个群体管理时,可以把照明控制单元、计量管理单元和区域单元建成一个子区域。每个单元都有Web服务器功能,通过浏览器打开相应界面就可进行子区域管理。

另外,相对本套系统,奥林匹克公园面积非常大,只用一个子区域无法实现对公园的整体性管理。所以我们整合了这些子系统,开发出了能够监控整个公园的中央服务器。因为区域单元、管理单元具备由中央服务器进行整合的上级通信功能,所以该做法是可行的。操作人员通过浏览器,调用中央服务器的内容(Web界面),进行监控管理工作。

3 服务器构成

中央服务器由不间断运行的4台服务器设备构成。

后端服务器

其功能在于,通过担任子区域照明控制系统和计量管理系统的管理任务的区域单元、以及通过对子区域中各单元的运转是否正常进行监控的管理单元之间的信息传递,收集信息,并存入数据库或发出指示。

前端服务器

回应管理员PC(浏览器)的要求,打开数据库里保存的信息界面,或打开供设置编辑用的界面。

数据库服务器

存储后端服务器收集的照明系统控制状态和计量信息(用电量)。另外还存储系统运行所需的信息(信息设置)以及由子区域模式组合成的公园整体照明控制用模式。

数据库备份服务器

一天一次拷贝数据库服务器的数据做备份。如果数据库设备发生损坏,可保证恢复到最近一次备份时的状态。并且,每台服务器设备都用RAID做了硬盘冗余。

4 服务器功能

中央服务器通过与区域单元、管理单元等单元的配套使用,主要提供以下功能。