Алгоритм выбора источников света в процессе проектирования светодиодных систем освещения малых помещений военного назначения

Введение

По мере вступления в действие Федерального закона [1], декларирующего постепенный переход на светодиодное освещение (СД) и запретившего продажу и применение ламп накаливания (ЛН) мощностью 100 Вт и более, началась замена морально устаревших ЛН и люминесцентных ламп светодиодными источниками света. Если в процессе разработки систем освещения на основе ЛН проектировщики учитывали две основные характеристики – электрическую мощность и напряжение питания лампы, то современные светодиодные источники света имеют девять основных независимых светотехнических характеристик в соответствии с разделом 5 ГОСТ [2], таких как тип кривой силы света, световая отдача, коррелированная цветовая температура, коэффициент пульсации светового потока, и целый ряд электротехнических и механических характеристик, каждую из которых требуется учитывать в процессе проектирования системы освещения.

1. Особенности малых помещений

В процессе сравнительного анализа систем освещения различных помещений выявлено, что малые обитаемые помещения военного назначения имеют ряд особенностей, которые приведены в таблице 1. Аналогичные особенности имеют место и при освещении других малых помещений: музейных, складских, театральных, а также на транспорте. Допустимы к применению светодиодные светильники с относительно малым световым потоком, не более 2000 лм, и улучшенными остальными световыми характеристиками: низким коэффициентом пульсаций, высоким коэффициентом цветопередачи, высокой энергоэффективностью и т.д., в зависимости от вида освещаемого помещения.

На фоне огромного числа моделей СД светильников для бытового и промышленного применения, достигающего десятков и сотен тысяч наименований, номенклатура СД источников света, допускаемых к применению в военной промышленности [3], остается ограниченной, что отражено на рисунке 1. Большинство предлагаемых моделей имеет узкоспециализированную область применения, без возможности питания от сети переменного тока 230 В, 50 Гц, что зачастую вынуждает разработчиков специализированных систем применять светильники общего назначения.

В сложившейся ситуации недостатка специальных моделей и почти безграничных общих предложений, разноплановых по уровням технических решений и экономическим показателям, у проектировщиков систем освещения специального назначения возникает ряд трудностей, обусловленных необходимостью объективного выбора моделей источников света для решения частных задач, усложняющийся необходимостью одновременного обеспечения большого числа требований к свойствам формируемого светового потока и технико-экономическим характеристикам, что подтверждается сформированной в ходе исследования классификацией показателей светильников, приведенной в таблице 2.

В ходе исследования выявлено, что светильники, применяемые в различных родах войск, имеют свои специфические требования, в том числе по перегрузкам, которые необходимо учитывать в процессе выбора ИС и проектирования систем освещения. То есть при проектировании систем освещения необходимо координировать не только совокупность показателей современных светильников, но и требования к системам освещения: от технико-экономических до эргономических, учитывающих свойства формируемых световых потоков и их изменение во времени.

Таким образом, выявлена проблемная ситуация, состоящая в противоречии между высокими требованиями к качеству и соблюдению сроков исполнения проектных работ на образцы систем освещения военной техники, содержащие обитаемые помещения, и возможностями научно-методического обеспечения, используемого при проектировании и организации производства систем освещения малых помещений.

Выполненное исследование посвящено разработке научно-методического аппарата, обеспечивающего рациональный выбор источников света, учитывающего особенности функционального назначения освещаемого объекта и соответствующие характеристики источников света.

2. Разработка критериев сравнения источников света

Принимая во внимание многообразие моделей светильников, способов крепления, технических, световых и экономических характеристик, с целью определения места конкретной модели светильника в общей совокупности всех моделей и получения возможности сравнения моделей светильников между собой и с эталоном, введено два понятия: идеальный светильник и оптимальный светильник.

Под идеальным понимается светильник, обладающий набором идеальных характеристик для любых случаев применения, при этом являющийся физически нереализуемым.

Под оптимальным понимается светильник, обладающий набором характеристик, наилучшим образом обеспечивающих решение конкретной задачи в соответствии с принятыми частными критериями и технологически осуществимый на рассматриваемый момент времени (с учетом новейших разработок в области светотехники).

Значения отдельных характеристик идеального и оптимального светильников приведены в таблице 3. В качестве примера оптимального светильника рассматривается светильник, предназначенный для установки в систему освещения малого стационарного помещения военного образца, функционирующего в нормальных климатических условиях, при отсутствии механических перегрузок.

Под наполненностью видимого спектра понимается присутствие всех необходимых частот в объеме, достаточном для выполнения комплекса предъявляемых к источнику света требований, при одновременном отсутствии нежелательных частот.

Равномерность светового потока определяется вычитанием величины коэффициента пульсаций светового потока из 100 %. При равномерности светового потока 100 % пульсации отсутствуют.

Максимальное действующее значение напряжения определено как 230 В + 10 %.

Относительная надежность – интегральное понятие – способность светильника выдерживать все запланированные в рассматриваемом случае перегрузки (вибрационные ускорения, удары, воздействие влаги и т.п.).

Срок службы идеального светильника равен бесконечности, срок службы оптимального светильника определяется исходя из запланированного срока службы освещаемого помещения.

Относительные суммарные затраты: сумма затрат на проектирование, изготовление, монтаж, эксплуатацию, ремонт и ликвидацию светильника.

На рисунке 2 приведена лепестковая диаграмма, иллюстрирующая соотношение характеристик идеального и оптимального светильников. При этом теоретически максимально возможное значение энергоэффективности 370 лм/Вт принято за исходное [4].

Основным отличием оптимального светильника от идеального является отсутствие возможности достижения оптимальным светильником максимального коэффициента энергоэффективности, что также описано в [4], и наличие материальных затрат на производство и эксплуатацию светильника.

Значения таких характеристик оптимального светильника, как полнота спектра и коэффициент цветопередачи, с одной стороны, достаточно близки к значениям характеристик идеального светильника, с другой стороны – постоянно возрастают в ходе совершенствования моделей светильников и могут быть изменены по мере уровня развития светотехники.

Специфика разработок изделий ВВСТ требует первоочередного применения комплектующих, изготовленных с индексом «ВП», в случае их отсутствия – комплектующих, изготовленных на территории РФ; в случае отсутствия компонентов, обладающих необходимыми характеристиками, в качестве исключения допускаются комплектующие зарубежного производства.

Одновременно фактически имеется значительное число комплектующих российского и импортного производства, имеющих относительно высокие характеристики, что допускает их к рассмотрению с научно-исследовательской точки зрения.

Теоретическое число моделей, пригодных для применения в нормальных условиях, достигает десятков и сотен тысяч вариантов. При этом многие модели имеют уникальные наборы световых и технических характеристик, позволяющих их работу в местах повышенных специфических перегрузок. Многообразие моделей увеличивает риск отсутствия применения (пропуска) моделей, максимальным образом соответствующих поставленной задаче.

В целях проведения исследований сформирована база данных, состоящая из светодиодных источников света производства России как наиболее распространенных и доступных в настоящее время, содержащая заявленные производителями характеристики [5] и включающая в себя на данный момент около 400 моделей из числа моделей идентичного назначения, выпускаемых на двух предприятиях России.

Максимальные и минимальные значения наиболее показательных с точки зрения разработки методик проектирования систем освещения характеристик светильников сведены в таблицу 4.

В эту же таблицу, помимо определенных максимальных и минимальных значений характеристик, включены величины разброса значений характеристик, по которым определены коэффициенты весомости единицы приращения каждого показателя относительно всего диапазона изменения показателя.

При этом весь разброс диапазона изменения каждой характеристики принят за 100 %. Значение коэффициента весомости приращения для каждого показателя качества определяется по формуле

(1)

где k_Bi – значение коэффициента весомости приращения i-го показателя качества; Q_{max i} – наибольшее значение i-го показателя качества в рассматриваемой совокупности данных; Q_{min i} – наименьшее значение i-го показателя качества в рассматриваемой совокупности данных.

Например, значение коэффициента весомости в случае увеличения срока службы на один месяц относительно необходимого определяется как [ 1/115(мес.)] = 0,0087 ед./мес.

Коэффициенты весомости приращения показателей применены в дальнейшем в алгоритме выбора.

В таблице 4 энергоэффективность (световая отдача) светового потока определяется по формуле [6]

Сэ = Ф / P, (2)

где Сэ – энергоэффективность светового потока, лм/Вт; Ф – световой поток источника света, лм; P – потребляемая электрическая мощность, Вт.

Величина, обратная коэффициенту пульсации светового потока, принимается как равномерность светового потока и определяется по формуле

k_равн. = 100 – k_п, (3)

где k_равн. – коэффициент равномерности светового потока, %; k_п – коэффициент пульсации светового потока, %.

Коэффициент цветопередачи R_a определяется предприятием-изготовителем, значение заносится в сопроводительную документацию.

Значения продолжительности сроков службы элементов N, определяемые изготовителем, занесены в таблицу в пересчете на месяцы.

Экономия за максимальный срок эксплуатации – Э_к определяется по формуле (5) после определения интегрального показателя цены, который рассчитывается по формуле

Ц = С + Р_экспл. + Р_рем. + Р_зам., (4)

где Ц – интегральный показатель цены, руб.; С – стоимость элемента, руб.; Р_экспл. – расходы в процессе эксплуатации, в том числе: стоимость потребляемой электроэнергии; Р_рем. – расходы в процессе плановых и текущих ремонтов; Р_зам. – расходы, связанные с заменой комплектующих в процессе срока эксплуатации.

При этом значение максимального срока эксплуатации системы, относительно которого ведется определение интегральной цены, принято равным 20 годам (240 месяцев, 7200 дней, 216 000 часов).

Например, после определения минимального (1 тыс. руб.) и максимального (101 тыс. руб.) интегральных показателей цен для элементов, включенных в ранее созданные БД, значение экономии для выбранного элемента Эк определяется по формуле

Эк = Ц_max + Ц_эл., (5)

где Ц_max – максимальный определенный интегральный показатель цены элемента в исследуемой совокупности данных; Ц_эл. – интегральный показатель цены выбранного элемента.

Максимальная экономия, условно равная 100 тыс. руб., достигается в случае применения элемента, имеющего минимальную интегральную цену.

Лепестковая диаграмма (рис. 3) наглядно отражает области изменения значений основных характеристик рассматриваемой совокупности светодиодных светильников.

3. Алгоритм выбора элементов

Применявшиеся в эпоху ламп накаливания и люминесцентных ламп методики проектирования систем освещения в настоящее время являются непригодными, так как, с одной стороны, не позволяют сформировать достоверную световую картину, создаваемую светодиодными источниками света, с другой стороны – доступная к применению номенклатура источников света настолько велика, что осуществление объективного, оптимизированного по многим параметрам выбора источников светабез компьютеризации работ не представляется возможным.

С учетом потребности в современном методическом аппарате, предназначенном для создания систем освещения специального назначения, разработана авторская методика проектирования систем освещения, основу которой составляет алгоритм многокритериального выбора элементов из большого числа элементов идентичного назначения (рис. 4).

Создание алгоритма выбора элементов обосновано многообразием числа моделей СД источников света, а также необходимостью учета большого числа взаимонезависимых влияющих факторов при проектировании систем светодиодного освещения специального назначения.

Выбор элементов из баз данных в процессе проектирования системы освещения начинается с выявления частных требований к проектируемой системе, учитывающих в том числе условия эксплуатации системы, которые формулируются в виде вектора-строки Bj и последовательно сравниваются в блоке сравнения с элементами из заранее выбранной оператором базы данных, хранящейся в матричном виде. Если хотя бы один элемент соответствует всем предъявляемым к системе требованиям, то в блоке расчета показателей надежности выполняется контроль на соответствие характеристик предъявляемым для данного частного случая требованиям по надежности.

В случаях отсутствия элементов, соответствующих предъявляемым требованиям (i = 0 или m = 0), информация передается оператору для принятия решения. При наличии элементов, пригодных к применению в проектируемой системе, для каждого элемента по разработанной формуле (6) определяется суммарный показатель превышения качества

k_прев.m = Σⁿ_j=0 |a_ij − b_j| × k_Bj, (6)

где a_ij – значение j-й характеристики отобранного i-го элемента; b_j – значение j-й характеристики вектора-строки предъявляемых к системе требований; k_Bj – коэффициенты весомости, определяемые заранее по формуле (1).

В зависимости от потенциала имеющейся расчетной системы и решения оператора для m_В выбранных элементов, обладающих наибольшим вычисленным суммарным показателем качества, осуществляется расчет уровней освещенности.

Наиболее распространенной программой расчета световых картин в настоящее время является программа Dialux, модифицированные версии которой позволяют выстраивать цветные пространственные картины освещенности для открытых пространств и различных видов помещений на основе задаваемых начальных условий и «образов» светодиодных источников света в виде ies-файлов, предоставляемых изготовителями источников света. Программа Dialux может быть установлена на компьютеризированном рабочем месте разработчика систем освещения или на отдельном ПК.

Оператор вручную выбирает варианты моделей источников света, их число и пространственное расположение (в данном случае – из числа имеющих наибольшие значения показателей превышения качества) и задает характеристики помещения, после чего осуществляется программный расчет световой картины. В случаях достижения заданных уровней освещенности в контрольных точках выводится информация о необходимом количестве светильников выбранных моделей, которая может сопровождаться распечаткой отчета.

При недостаточной или избыточной освещенности в одной или нескольких контрольных точках оператор изменяет начальные условия и задает повторение циклов расчетов до достижения желаемого результата.

Для каждого из полученных вариантов осуществляется полный расчет стоимости системы, включающий остальные комплектующие элементы, стоимость обслуживания и замены элементов в процессе заданного срока эксплуатации системы освещения.

Затем выбирается вариант системы, имеющий наименьшую стоимость, и выдается решение о возможности изготовления системы.

Учитывая, что шаги алгоритма сформулированы в общем виде, допустимо практически бесконечное (ограниченное имеющейся информацией и возможностями вычислительных систем) увеличение номенклатуры рассматриваемых элементов, их характеристик и числа предъявляемых к системе требований. Этап контроля элементов на соответствие частным характеристикам надежности может быть заменен другим функциональным этапом или аннулирован в зависимости от требований, предъявляемых к проектируемой системе.

По мере продолжения исследований применение алгоритма, созданного для выбора светодиодных источников света, распространено на решение идентичных задач многокритериального выбора, особенно в случаях необходимости выбора из большого числа элементов, имеющих идентичное назначение и большое число взаимонезависимых характеристик.

С целью практической проверки работоспособности алгоритма разработана программа ранжирования элементов [7], предназначенная для работы с базой данных [5] или другой аналогично организованной базой данных.

По запросу отдела охраны труда АО «Обуховский завод» в одном из цехов предприятия выбраны три производственных участка, обладающих недостаточными уровнями освещенности. Для каждой из трех задач сформулированы частные требования, после чего осуществлен выбор светильников из расширенной базы данных [5] в соответствии с разработанным алгоритмом на основе применения программы ранжирования элементов. Базовые картины освещенности создавались в программе Dialux силами предприятий – изготовителей выбранных моделей светодиодных светильников, после чего перепроверялись также в программе Dialux специалистами АО «Обуховский завод».

На рисунке 5 представлены фрагменты отчета программы Dialux, выполненные специалистами предприятий – изготовителей светильников в соответствии с предоставленным планом помещения и требованиями к уровням освещенности поверхностей. Далее осуществлены последние этапы алгоритма, завершившиеся выбором проектов с минимальной стоимостью.

Разработанный научно-методический инструментарий также успешно апробирован при проектировании систем освещения изделий военного назначения, выпускаемых АО «Обуховский завод».

Выводы

1. Задача рационального выбора источников света в процессе проектирования систем освещения специального назначения при наличии широкой номенклатуры идентичных источников решена посредством создания алгоритма выбора элементов, учитывающего частные требования к системам освещения и адаптированного к современному уровню развития светотехники.
2. Разработанный методический аппарат может быть распространен на решение задач выбора из большого числа комплектующих идентичного функционального назначения посредством формирования рэнкингового ряда элементов с помощью алгоритма многокритериальной оптимизации, учитывающего совокупность частных требований.