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采用专家系统开发户外照明的控制系统

Selcuk Atis a , Nazmi Ekren b

a马尔马拉大学职业技术学院电气和能源部，34722土耳其伊斯坦布尔

b马尔马拉大学电气与电子工程系技术系 34722土耳其伊斯坦布尔

摘要

在这项研究中，开发了一种可以用于绿色建筑和智能建筑功能的智能节能户外照明控制系统，通过更有效地利用更多的电能和日光保护，有助于减少二氧化碳排放。智能节能照明控制系统是基于专家系统的人工智能技术之一，具有四项功能实时运行。第一个功能是控制和监控灯组。第一个功能是控制和监控灯组。 其他功能是连接到灯组的灯和电源线以及灯组的负载估计中的故障诊断。 专家系统通过使用基于知识的规则编写在两个独立的基于计算机和微控制器的环境中。

实时控制和监控功能的规则库包含213条规则。在执行实时监控和监测功能的教育学期运行模式下，能源消耗平均节省了33％。

该系统是第一个专家系统应用，专家系统用于控制和监控室外照明，以及执行负载估计和故障诊断。

copy;2016 Elsevier B.V.保留所有权利。

1. 介绍

如今越来越多地了解可持续发展的重要性，能源效率工作的价值以同样的速度增长。在这个框架下提高能源效率，防止无意识使用和耗散，在部门基础或宏观层面上降低能源强度是能源生产和传输到最终消费的各个阶段的国家能源政策的重要组成部分。

作为能源效率的指标，换句话说，“能源强度”，即国内生产总值消耗的一次能源消耗量是最重要的指标之一。 根据2013年国际能源署能源统计，经济合作与发展组织（OECD）国家的能源强度平均为0.13，欧盟（28个国家）平均为0.11，而土耳其的比例为0.18（2005年为美元）。 这些比率表明，土耳其比经合组织和欧盟国家的能源效率低下。当考虑这些比例时，需要采用不同的方法来实现能源效率和节约，并在国家范围内扩展到所有使用能源的领域。

在个人和企业广泛参与下，能源效率更高的领域之一就是照明。

在全球范围内，基于电网的电气照明消耗了全球电力总产量的19％，比欧洲经济合作组织欧洲国家的电力略多于所有用途。 照明需要与所有燃气发电量相同的电力，比水电或核电产生的电力多出15％。包括能源，照明设备和劳动力在内的这项服务的年度成本为3600亿美元，约占全球GDP的1％。

全球照明相关二氧化碳排放量估计为15.58亿吨（Mt），基于电网的照明灯具，190万吨燃料照明灯具和181万吨车辆照明灯具。 这使得二氧化碳总计达到了1.9亿吨，这是轻型乘用车全球排放量的70％。

2005年全球大部分户外固定照明用电量估计为218 TWh，约占照明用电量的8％左右。

在室内和室外照明，由

：bull;选择适合目的的元素，

bull;使用在执行相同任务时消耗较少能量的灯，

bull;利用更多的日光，

bull;使用控制和监视系统，

可以在能源消耗方面实现可观的节约，有助于减少二氧化碳排放。在这些方法中，最重要的方面之一是控制和监测照明。在不受控制的照明系统中，实现节能是非常困难的。照明控制系统用于通过运行集成到楼宇自动化系统中或作为独立单元来控制和监视照明系统。

近年来对室内照明能源效率和经济使用情况进行了分析，主要关注的领域可概括为：建筑节能照明的标准，基于传感器网络设计照明的新方法工业建筑控制系统。寻求办公空间照明控制的适应性控制策略，目的在于降低能耗并提供乘客舒适度，商业建筑中使用的各种照明控制系统的节省以及影响他们的因素性能影响照明控制系统能量性能的因素分析。

当对室外照明能源效率和经济使用情况进行分析时，主要关注的领域可归纳为：创新的灯光设计模型框架，为户外照明设计提供优质的泛光灯，外部照明系统的综合方法“基于正式的图形模型和方法的控制和设计，关于影响路灯节能的因素的可能方法和建议，以及户外照明能源效率需要考虑的主要因素 。

在照明和人工智能一起使用的研究中，主要重点是照明系统设计和能源管理。

还有关于在照明控制系统中使用电力线通信技术的文献研究。

当所有相关研究审查时，都指出，需要研究重点是智能节能门外照明控制系统，可以通过使用更节能的电力来减少二氧化碳排放，并且可以 还可以最大限度地减少现有户外照明控制系统的缺点。室外照明控制系统中三种主要的灯具控制方法。

这些是基于照度级（光电池）的灯控制，通过使用模块化时钟的灯控制，最后通过运动传感器进行灯控制。然而，这三种方法都不足以节能。用于控制灯具的这些方法的不利之处可列举如下：

bull;通常高水平的电力消耗，无法在光电管中设置模态时钟和有限的设置范围，

bull;安全方面的潜在风险，

bull;无法干扰系统故障，

bull;无法生成能源消耗报告，

bull;施工不灵活，

bull;从特定中心进行控制和监控困难。

bull;缺乏通信技术，

bull;无法融入大楼管理系统。

在这项研究中，人工智能技术之一，专家系统（ES）被选中并用于室外照明的各种功能，以转换智能系统。这也证明了人工智能在不同室外照明功能中的可行性。开发的智能节能户外照明控制系统的功能在基于计算机和微控制器的两个独立环境中运行。开发的系统是专家系统用于控制和监控室外照明系统的第一专家系统并执行负载估计和故障诊断。

专家系统使用人机界面（HMI）和微控制器自己的软件开发平台中的编程语言编写。

虽然在计算机环境中创建的系统称为中央实时专家系统（CRTES），但是在微控制器环境中开发的系统被称为基于专家系统的智能控制节点（ESICN）。该系统由CRTES和ESICN系统组成，被命名为智能高效户外照明控制系统（IEEOLCS）。

由于CRTES室外照明区域大，所以采用现场总线技术。 通过可编程控制器（PLC）和现场总线连接的I / O模块是用于运行CRTES所需的输入和输出连接的接口。 现场总线（位串行现场总线 - 现场总线）是工业通信网络的通用名称。在CRTES中实现的四个功能的目的如下：

bull;为减少二氧化碳排放量做出贡献,使用电能更有效地节约和日光，

bull;在基于人机界面，手册，日光，实时的最合适的时间段，通过相位角技术（30倍至100％的三端双向可控硅）控制灯具，大学校园在当年特定时段的使用情况 （教育学期，周末和国定假期运作模式），安全等级和动议，

bull;要监视灯组是否被激活，

bull;要诊断灯组连接的电源线故障，

bull;要诊断灯组各灯中的故障，

bull;估计连接到特定阶段的负载。

在IEEOLCS的结构中，如果现场总线技术具有中央控制结构的故障或现场总线上的停用模块，则CRTES功能不能在信号被切断的块或块中执行。 在这种情况下，为了确保户外照明的连续性，基于微控制器的电路被放置在每个建筑物的块中。 通过将ES规则写入微控制器，安装了基于专家系统的智能控制节点，可以独立于中心控制户外照明。

ESICN系统的目的是：

bull;通过更有效地利用电能节约和日光来减少二氧化碳排放量，

bull;根据实时和运动在最合适的时隙中手动控制灯。 开发的IEEOLCS在马尔马拉大学Goztepe校区的5个大楼内实施。

2。材料和方法

2.1。 IEEOLCS设置

这项研究在伊斯坦布尔马尔马拉大学，技术教育学院（TEF）和职业技术学院（TBMYO）建筑物的外部照明系统中得以实施。 建筑物的布置见图。 1。

在系统安装初期，绘制了现有户外照明系统建设项目。 然后，户外照明系统的功耗记录一年，直到后续阶段完成。

同时，确定了将在IEEOLCS中使用的输入/输出元素以及变量。 这些包括数字输入，来自运动和光电传感器的数字信号，由用于确定环境环境照度的光伏面板产生的模拟电压（0..10V DC），实时数据，数字 灯连接的电源线上的故障数据，灯故障模拟电流数据（0. .20 mA）和PLC的模拟输出，用于灯的相位角控制（4.。20 mA）。

为了能够调节灯的光通量，使用三端双向可控硅开关技术开发了灯二极管电路。 该电路根据PLC的4 - 20 mA模拟输出信号控制30％至100％的相位角。 然后将这些灯分为三组，分别在一年中的某些时段采用日光，实时，安全级别和大学校园的使用情况。 组I：在相机控制期间被称为最适合时间段的灯组被称为CTS（连续）灯组，由CRTES或ESICN通过相位调节从50％调节到100％。第二组：通过相位控制直到23:00调节50％至100％，23:00后相位控制从30％到100％激活的灯组称为23灯组。组III：最后，当通过相位控制从50％调节到100％来检测到运动时被激活的灯组称为运动灯组。

通过分析IEEOLCS中确定的投入/产出数量，现场面积和成本分析，选择了现场总线系统。使用了现场总线标准，称为通用远程输入/输出（URIO）。RIO具有中央控制结构。该系统的缺点是，当主设备停止工作时，整个系统暂停。在开发的系统中，通过安装ESICN克服了RIO标准的这种不利影响。然后，PLC和分布式I / O组装在现场总线上。作为PLC，选择了Allen-Bradley的SLC​​ 500/03编码器件。对于与RIO标准中的主设备兼容的从站和分布式I / O，选择了Allen-Bradley的Flex模块。基于这些选择，IEE-OLCS实现领域中使用的元素的分布如图1所示。2.具有中央控制结构的RIO标准中的主设备被放置在块D中，而用作从属和分布式I / O的模块安装到其他块。

之后，通过选择最合适的位置组装检测运动的运动传感器，光电传感器和光伏面板来测量环境光照度的变化水平。光伏面板的安装点如图3所示。如果现场总线被禁用或出现故障，CRTES功能不能在现场总线信号被切断的点处运行。 在这种情况下，照明控制使用基于微控制器的电路执行ESICN功能。图4显示了面板上单片机板（1），电源板（2）和故障板（3）的位置。可编程控制器，分布式I / O，RIO标准的主从模块，微控制器板，故障板，电源板等硬件以合适的方式放置在五个独立的面板上。两块板的连接板 如图5和图6所示。

CRTES和ESICN功能是用软件包编写的。然后启动了IEEOLCS的模拟阶段。 在这个阶段，测试了在计算机和微控制器环境中设计的所有ES规则。在仿真实现理想结果后，控制面板组装在五栋建筑的适当位置。图7显示了仿真过程中使用的设置。IEEOLCS中的现场总线系统，智能控制节点以及设备在块中的分布可以在图8中看到，而图9显示了IEEOLCS的一般框图。

2.2。 研究工具

2.2.1。 可编程控制器

PLC作为CRTES的软件和硬件接口。作为可编程控制器的处理器模块，使用了Allen-Bradley的SLC 500/03模块。

2.2.2.附件

在现场总线系统中，有一个从属单元根据管理中央控制结构中通信的主控单元的命令运行连接到其上的模块上的操作。RIO标准具有中央控制结构。此时，使用了Allen-Bradley的1794-ASB RIO适配器，以实现与RIO标准中的1747-SN RIO扫描仪的通信。

2.2.3。 分布式I / O

这些是连接到适配器模块的输入/输出模块。该字段中的输入和输出元件连接到这些模块。作为输入/输出模块，使用了Allen-Bradley的代号为1793-IB4,1793-OW4,1793OE2和1793-IE4的产品。

2.2.4。 电流互感器

为了用ES诊断CRTES中的灯故障，需要测量灯组的电流。为了将A类CTS灯组的相电流减小到允许连接到电流传感器的电平，使用了电流互感器。电流互感器的初级电流为10A，二次电流5A为10VA，等级为0.5级。

2.2.5传感器

传感器将其输入端的电信号转换为标准模拟信号。 该系统中的电流传感器将CRTES中A组CTS灯组的相电流电流互感器输出转换为标准0-20 mA模拟信号，而分布式I / O连接到相应的模拟量输入模块。

2.2.6。 光伏板

在CRTES中，这用于测量环境中的照度。然后将基于日光的光伏面板产生的模拟电压施加到模拟量输入模块的相关通道输入端。基于照度变化的水平，灯组被激活或去激活。太阳能电池的最大输出电压为10V，其最大电流为160mA。

2.3。 中央实时专家系统（CRTES）

在CRTES的范围内，ES在四个不同的领域开发。 这些领域是控制，监控，故障诊断和负载估计。其功能如下：

bull;实时控制和监控，

bull;实时灯故障诊断，

bull;电力线实时故障诊断，

bull;实时负载估计。

专家系统由两个主要组成部分组成。这些是推理机和知识库。本研究的知识库在CRTES中分三个步骤创建。这些是：

bull;每个字段的说明，

bull;获取每个领域的知识，

bull;在字段中选择知识表示模型。

专家的知识和经验，数学模型，用户和经验的事件被用作知识的来源。

在创建CRTES函数时，使用知识代表模型之一，生产规则模型来形成对象并识别这些对象之间的关系。这个模型是用If··Then规则来实现的。

然后通过回顾知识库中包含的所有功能的ES结构的工作记忆中的现有事实以及知识库中的If··Then规则，将前向链接方法用于推论。

PLC支持CRTES的接口和户外照明控制功能。通过PLC和分布式I / O的输入/输出和日志模块来读取和写入数据。

2.3.1。实时控制和监控（RTCOM）

在CRTES的上下文中设计用于实时控制和监控室外照明的ES框图如图10所示。<!--

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