R e a l - t i m e M o d e l - b a s e d L i g h t i n g C o n t r o l b y I m p r o v e d P S O a n d
L a m b e r t i a n - R B F N N
Wa SI
2015 11
2
L i g h t i n g o c c u p i e s a l a r g e p r o p o r t i o n o f t h e t o t a l e n e r g y c o n s u m p t i o n a l l o v e r t h e w o r l d ; h o w e v e r, c o n s i d e r a b l e p r o p o r t i o n o f t h e l i g h t i n g e n e r g y i s a c t u a l l y r e d u n d a n t . M o r e o v e r, s t u d i e s h a v e s h o w n t h a t l i g h t i n g s a t i s f a c t i o n c a n i m p r o v e t h e p r o d u c t i v i t y o f t h e o c c u p a n t s . T h u s , l i g h t i n g c o n t r ol b e c o m e s a v e r y p r o m i s i n g w a y t o s a v e e n e r g y a n d i m p r o v e u s e r s a t i s f a c t i o n .
G e n e r a l l y, L i g h t i n g C o n t r o l S y s t e m ( L C S) i s a n e t w o r k b a s e d l i g h t i n g c o n t r o l s o l u t i o n t o m e e t v a r i o u s u s e r n e e d s b y c o n t r o l l i n g t h e l a m p s . Wi t h t h e p u r p o s e o f p r o v i d i n g s a t i s f a c t o r y l i g h t i n g e n v i r o n m e n t w i t h m i n i m u m e n er g y, r e c e n t L C S s c o n t r o l d i m m a b l e l a m p s a c c o r d i n g t o v a r i o u s a s p e c t s , s u c h a s : o c c u p a n c y, d a yl i g h t , a n d l i g h t i n g c o e f f i c i e n t s ( i l l u m i n a t i o n f r o m d i f f e r e n t l a m p s t o d i f f er e n t t a r g e t p o s i t i o n s ) . H o w e ve r, t h e f o l l o w i n g t h r e e p r o b l e m s s t i l l e x i s t i n c u r r e n t L C S s : 1 ) p r e s e n t l i g h t i n g c o n t r o l m e t h o d s d o n o t c o n s i d e r t h e d i s c r e t e a n d n o n - l i n e a r f e a t u r e s o f l i gh t i n g s y s t e m s , t h u s c a n n o t a c h i e v e o p t i m a l e n e r g y s a v i n g a n d co n t r o l a c c u r a c y ; 2 ) c u r r e n t m o d e l i n g m e t h o d s f o r a r t i f i c i a l l i g h t c a n o n l y c a l c u l a t e l i m i t e d p o i n t s , o r n e e d t o o m a n y s e n s o r s f or t r a i n i n g p r o c e d u r e ; 3 ) e x i s t i n g d a y l i gh t m o d e l i n g m e t h o d s h a v e l o w a c c u r a c y, a n d n e e d t o o m u c h t r a i n i n g t i m e .
A i m i n g a t s o l v i n g t h e a b o v e - m e n t i o n e d p r o b l e m s , w e h a v e d e v e l o p e d a p r ot o t y p e o f r ea l - t i m e L C S b a s e d o n m o d e l s o f b o t h a r t i f i c i al l i g h t a n d d a y l i g h t . T h e p r o t o t y p e c o n t a i n s a l i g h t i n g c o n t r o l a l g o r i t h m n a m e d L i n e ar P r o g r a m m i n g i n i t i a l i z e d P a r t i cl e S w a r m O p t i m i z a t i o n ( L P P S O ) , a n a r t i f i c i al l i g h t m o d e l i n g m e t h od n a m e d L a m b er t i a n - R a d i a l B as i s F u n c t i o n N e u r a l N e t w o r k ( L - R B F N N ) , a n d a R e a l - t i m e D a y l i g h t M o d e l i n g ( RT D M ) m e t h o d .
T h i s d i s s e r t a t i o n c o n s i s t s o f t h e f o l l o w i n g 6 c h a p t e r s .
C h a p t e r 1 [ I n t r od u c t i o n ] i n t r o d u c e s t h e r e s e a r c h b a c k g r o u n d t h a t e x p l a i n s t h e i m p o r t a n c e o f l i g h t i n g c o n t r o l , a n d d i s c u s s e s a b o u t t h e e x i s t i n g L C S s . I t a l s o e x p l ai n s o u r m o t i va t i o n a n d o b j e c t i ve s , a n d e l a b o r a t e s t h e o v e r v i e w a n d o r g a n i z a t i o n o f t h i s d i s s e r t a t i o n.
C h a p t e r 2 [ O v e r v i e w o f C u r r e n t R e s e a r c h e s ] d e s c r i b e s t h e c u r r e n t s t a t u s o f s t u d i e s o n l i g h t i n g co n t r o l . I t a n a l y z e s v a r i o us L C S s a c co r d i n g t o t h e i r d i ff e r e n t c o n t r o l a l g o r i t h m s , d a t a c o l l e c t i o n m e t h o d s , a n d d a y l i g h t h a r v e s t i n g s t r a t e g i e s ; d i s c u s s e s c u r r en t p r o b l e m s ; a n d t h e n e x p r e s s e s t h e m a i n a p p r o a c h e s o f t h i s d i s s e r t a t i o n .
I n C h a p t e r 3 [ N o n - l i n e ar a n d D i s c r e t e L i g h t i n g C o n t r o l B a s e d o n L P In i t i a l i z e d P S O ] , w e f o r m u l a t e l i g h t i n g c o n t r o l p r o b l e m a s a d i s c r e t e a n d n o n - l i n e a r c o n s t r a i n e d o p t i m i z a t i on p r o b l e m , s u c c e s s f u l l y a p p l y P a r t i c l e S w a r m O p t i m i z a t i o n ( P S O ) t o l i g h t i n g c o n t r o l , a n d p r o p o s e a n L P P S O me t h o d b y u s i n g L i n e a r P r o g r a m m i n g ( L P ) m e t h o d t o i n i t i al i z e t h e p o p u l a t i o n o f P S O . S i m u l a t i o n s i n b o t h m i d d l e - s i z e d ( 9 l a m p s a n d 5 o c c u p a nt s ) a n d l a r g e - s i z e d ( 6 4 l a m p s a n d 3 6
3
o c c u p a n t s ) o ff i c e m o d e l s s h o w t h a t L P P S O c a n p r o v i d e s a t i s f y i n g i l l u mi n a n c e a n d s a v e co n s i d e r ab l e e n e r g y. S i m u l a t i o n s i n 8 s c e n a r i o s ( w h i c h c o n s i d e r d i f f e r e n t c o n d i t i o n s o f d a y l i g h t a n d o c c u p a n c y ) s h o w t h a t L P P S O c a n a l w a y s a c h i e v e m o r e e n e r gy s a v i n g t h a n L P a n d c o n v e n t i o n a l P S O . Av e r a g e l y, t h e en e r g y s a v i n g p r o p o r t i o n b y L P P S O i s 3 2 . 7 % h i gh e r t h a n t r a d i t i o na l h o m o g e n e o u s d i m m i n g m e t h od , 4 . 0 % h i g h e r t h a n L P m e t h o d a nd 1 0 . 1 % h i g h e r t h a n c o n v e n t i o n a l P S O . M o r e o v e r, t h i s s u p e r i o r i t y o f L P P S O i s m o r e o b v i o u s w h e n t h e r e a r e m o r e l a m p s i n t h e l i g h t i n g s ys t e m .
I n C h a p t e r 4 [ L a m b e r t i a n - R B F N N f o r M o de l - b a s e d C o n t r o l o f A r t i f i c i a l L i g h t ] , w e a p p l y R a d i a l B as i s F u n c t i o n N e u r al N e t w o r k ( R B F N N ) t o m o d e l i n g t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n p o s i t i o n a n d i l l u m i n a n c e , a n d p r o p o s e a no v e l L - R B F N N t o a c h i e v e h i g h e r m o d e l i n g a c c u r a c y. U n l i ke t h e c o n v e n t i o n a l s t r u c t u r e o f R B F N N , t h e L - R B F N N h a s : o n e L a m b e r t i a n n e u r o n , w h i c h i s e q u i v a l e n t t o a L a m b e r t i a n F u n c t i o n ( L F ) ( L F i s a w i d e l y u s e d m o d e l f o r t h e i l l u m i n a t i o n p a t t er n o f l a m p ) , t o r e p r e s e n t t h e r o u g h t h e o r e t i c a l i l l u m i n a n c e d i s t r i b ut i o n o f t h e l a m p ; a n d m o d i f i e d R B F n e u r o n s , w h i c h f i t t h e n a t u r e o f l a mp i l l u m i n a n c e d i s t r i b u t i o n . T h u s , c o m p a r e d w i t h c o n v e n t i o n a l R B F N N , t h e pr o p o s e d L - R B F N N p r o v i d e s m o d e l i n g r e s u l t s w i t h h i g h e r a c c u r a c y a n d a c h i e ve s m o r e s t a b l e m o d e l i n g p e r f o r ma n c e . S i m u l a t i o n s o f bo t h s i n g l e l a m p m o d e l i n g a n d m u l t i - l i g h t m o d e l i n g p r o v e t h a t t h e L - R B F N N c a n p r o vi d e l i g h t i n g c o e ff i ci e n t s a n d o v e r a l l i l l u m i n at i o n m o d e l i n g w i t h v e r y s m a l l m o d e l i n g e r r o r, w h i c h i s u n p e r c e i v a b l e f o r h u ma n . C o m p a r i s o n s w i t h o t h e r m e t h o d s ( L F, n or m a l i z e d L F, C u b i c S p l i n e I n t e r po l a t i o n ( C S I ) a n d c o n v e n t i o n a l R B F N N ) s h o w t h a t L - R B F N N h a s b e t t e r m o d e l i n g p e r f o r m a n c e . T h e m e a n d i f f e r e n c e w i t h t h e r e a l i l l u m i n a t i o n d i s t r i b u t i o n i s 1 3 . 5 % l o w e r t h a n L F, 2 . 0 % l o w e r t h a n n o r m a l i z e d L F, 1 . 1 % l o w e r t h a n C S I , a n d 0 . 5 % l o w e r t h a n c o n v e n t i o n a l R B F N N . M o r e o v e r, L - R B F N N m o d e l i n g r e d u c e s t h e n u m b er o f t r a i n i n g s e n s o r s t o b e t h e s a m e a s n u m b e r o f l a mp s . A f t e r t h e t r a i n i n g , t h e p r o p o s e d m e t h od d o e s n ot r e q u i r e a n y s e n s o r s w h e n mo d e l i n g ; t h u s i t i s a p p l i c a b l e t o l i g h t i n g s y s t e m s w i t h l a r g e t a r ge t a r e a .
I n C h a p t e r 5 [ R e a l - t i m e M o d e l - b a s e d L i g h t i n g C o n t r o l I n t e g r a t ed w i t h Da y l i g h t ] , w e p r o p o s e a n RT D M m e t h o d t o r e a l i z e r e a l - t i m e m o d e l i n g o f d a y l i gh t i n t h e w h o l e t a r g e t a r e a b y o n l y a f e w s e n s o r s . RT D M u s e s s e n s o r m e a s u r e m e n t s o f d a y l i gh t i n t a r ge t a r e a t o t r a i n a p r e - s t o r ed R B F N N , s o t h a t t h e R B F N N r e p r e s e n t s t h e r e l a t i o n s h i p b e t w ee n p o s i t i o n a n d da y l i g h t i l l u m i n a n c e i n t h e t r a i n i n g s c e n a r i o ; w h e n m o d e l i n g r e a l - t i m e d a y l i g h t , RT D M u s e s a f e w s e n s o r s ' m e a s u r e me n t s t o r e g u l at e t h e p r e - s t o r ed R B F N N , a n d c a l c ul a t e s t h e r e a l - t i m e d a y l i g h t i l l u m i n a n c e i n t a r g e t a r e a . S i m u l a t i o n s o f 1 0 d a y l i g h t s c e n a r i o s i n a m i d d l e - s i z e d o ff i c e mo d e l s h o w t h a t : b y u s i n g o n l y 3 s e n s o r s , RT D M p r o v i d e s d a y l i g h t m o d e l i n g w i t h t h e s t a n d a r d d e v i at i o n a r o u nd 6 0 l x a n d t h e m e a n d i ff e r e n c e a r o u nd 6 % . C o m p a r e d
4
w i t h o t h er e x i s t i n g m e t h od s , w h i c h h a v e t h e s t a n d a r d d e v i a t i o n o f 5 0 ~ 4 5 0 l x a n d t h e a v e r a ge e r r o r o f 2 0 % , t he p r o p o s e d RT D M a c h i e v e s m u c h h i g h e r a cc u r a c y.
M o r e o v e r, s i n c e t h e RT D M t r a i n s o n l y o n e p r e - s t o r e d R B F N N , i t g r e a t l y r e d u c e s t h e t r a i n i n g t i m e c o m p a r e d w i t h o t h e r m e t h od s t h a t n e e d t r a i n i n g t i m e f r o m 1 2 d a y s t o 6 m o n t h s .
T h e n , w e d e v e l o p a p r o t ot y p e o f r ea l - t i m e m o d e l - b a s e d L C S b y c o m b i n i n g RT D M , R B F N N a n d L P P S O . T h e L C S p r o t o t y p e u s e s RT D M a n d L - R B F N N t o c a l c ul a t e c o n t r o l i n p u t s ( w h i c h a r e d a y l i g h t i l l u mi n a n c e a n d l i g h t i n g c o e f f i ci e n t s ) , a n d t h e n u s e s L P P S O t o g e t t h e o p t i m a l di m m i n g p a r a m e t e r s f o r t h e l a m p s . S i m u l a t i o n s o f a w o r k i n g d a y ( w i t h c h a n g i n g d a y l i g h t a n d o c c u p a n c y ) i n a m i d d l e - s i z e d o f f i c e mo d e l s h o w t h a t t h e p r o p o s e d s ys t e m a p p r o p r i a t e l y c o n t r o l s t h e l a m p s a c c o r d i n g t o d a y l i g h t a n d o c c u p a n c y, p r o v i d e s s a t i s f a c t o r y i l l u m i n a t i o n i n t a r g e t p o s i t i o n s , a n d s a v e s c o n s i d e r a b l e e n e r g y. C o m p a r i s o n b e t w e e n o u r m o d e l - b a s e d L C S a n d a s e n s o r - b a s e d L C S ( w h i c h u s e s s e n s o r s i n a l l t a r g e t p o s i t i o n s ) s h o w t h a t : t h e p r o p o s e d L C S c a n a c h i e v e a l m o s t t h e s a m e e n e r g y s a v i n g ; a n d t h e d i ff er e n c e o f c o n t r o l l e d i l l u m i n a n c e i n t a r g e t p o s i t i o n s b e t w e e n t h e t w o L C S s i s a l w a y s l o w e r t h an 8 . 0 % , wh i c h i s un p e r c e i v a b l e f o r h u m a n . O n t h e o t h e r h a n d , o u r L C S i s c a p a b l e of c o n t r o l l i n g a n y p o s i t i o n i n t h e t a rg e t a r e a w i t h o u t s e n s o r, a n d r e q u i r e s mu c h f e w e r s e n s o r s f o r l i gh t i n g c o n t r o l .
C h a p t e r 6 [ C o n c l u s i o n s , A p p l i c a t i o n s a n d F u t u r e Wo r k s ] c o n cl u d e s t h e r e s e a r c h o f t h i s d i s s e r t at i o n , i n t r o d u c e s s o m e r e l a t e d r e a l - w o r l d a p p l i c a t i o n s , a n d d i s c us s e s a b o u t t h e f u t u r e w o r k s .
I n s u m m a r y, c o m p a r e d wi t h e x i s t i n g l i g h t i n g c o n t r o l m e t h o d s a n d s y s t e ms , t h i s d i s s e r t a t i o n ha s t h e o r i g i n a l i t y o f : 1 ) i mp r o v i n g t h e e n e r g y s a v i n g c a p a c i t y o f l i g h t i n g c o n t r ol b y a n L P P S O a l g o r i t h m , w h i c h t a k e s t h e n o n - l i n e ar a n d d i s c r e t e f e a t u r e s o f l i g h t i n g s y s t e m s i n t o a c c o u n t ; 2 ) r e a l i z i n g o v e r a l l m o d e l i n g o f t h e t a r g e t a r e a , r e d u ci n g r e q u i r e d n u m b e r o f s e ns o r s , a n d a c h i e v i n g h i g h e r a c c u r a c y i n a r t i f i c i a l l i gh t m o d el i n g b y d e v e l o p i n g a n o v e l L - R B F N N , w h i c h c o m b i n e s t h e o r e t i c a l l i g h t i n g m o d e l w i t h a c t u a l s e n s o r d a t a ; 3 ) g r e a t l y r e d u ci n g t h e m o d e l i n g e r r o r a n d t r a i n i n g t i m e o f d a y l i g h t m o d e l i n g b y a n RT D M m e t h o d , w h i c h u s e s o n l y a f e w s e n s o r s t o r e a l i z e r e a l - t i m e m o d e l i n g o f d a y l i g h t . T h e s e n o t o n l y c o n t r i b u t e t o t h e l i g h t i n g i n d u s t r y i n t h e r e s e a r c h a r e a s o f c o n t r o l m e t h o d o l o g y a n d i l l u mi n a t i o n m o d e l i n g , b u t a l s o m a k e t h e p r o p o s e d r e a l - t i m e m o d el - b a s e d L C S a p r o m i s i n g p r o t o t y p e o f f u t u r e L C S wi t h h i g h e n e r g y s a v i n g c a p a c i t y a n d c o n t r o l a c c u r a c y.
