知的照明システムにおける照度センサの高機能化

Multi-functionalization of Illuminance Sensors in the Intelligent Lighting System

Keigo MACHIDA^** , Mitsunori MIKI^*, Shohei MATSUSHITA^** , Ryohei JONAN^** and Hiroto AIDA^*

(Received July 9, 2015)

In the present Intelligent Lighting System, the seat’s presence/absence and target illuminance was changed by web user interface. However, changing target illuminance through web browser is consuming, and it was a stress for the users. On the other hand, the signal transduction is possible by digitalizing an illuminance sensor using ethernet packet transmission. In this research, we experimentally produced the digital illuminance sensor mounting seat presence/absence button and illuminance changing button and done the verification test in the Shin Marunouchi Building, Tokyo. From the log data which were obtained from the building, the seat presence rate has improved by 30％. Therefore, we can say that usability in operation has been improved by using the digital illuminance sensor.

Key words：intelligent lighting system, lighting control, illuminance sensor キーワード ：知的照明システム,照明制御,照度センサ

知的照明システムにおける照度センサの高機能化

町田 啓悟,三木 光範,松下 昌平,上南 遼平,間 博人

1 はじめに

近年，電力コストの低減や環境への配慮といった観点 から消費エネルギーを削減する取り組みが行われてお り，オフィスにおいても省エネルギー性の向上が広く検 討されている．オフィスにおける照明の消費電力は全体 のおよそ20 %を占めており¹⁾，照明環境を改善するこ とで，消費電力を大きく削減し省エネルギーに貢献する ことができる²⁾．また，オフィス環境が執務者に及ぼす 影響に関する研究が広く行われており，オフィス環境を 改善することにより，知的生産性が向上することが報告 されている²⁾．中でも，オフィスの照明環境に注目した 研究では，執務に最適な明るさ（照度）を提供すること

* Graduate School of Science and Engineering,Doshisha University,Kyoto Telephone:+81-774-65-6924, E-mail:kmachida@mikilab.doshisha.ac.jp

** Department of Science and Engineering,Doshisha University,Kyoto

Telephone:+81-774-65-6930, Fax:+81-774-65-6716, E-mail:mmiki@mail.doshisha.ac.jp,

が執務者の知的生産性の向上につながることが報告され ている³⁾．

このような背景より，我々は，執務に最適な照度を個 別に提供することが可能な知的照明システムを提案して いる⁴⁾．既にその有効性が認められ東京都内および福 岡の複数の実オフィスにおいて検証実験が行われている

5, 6, 7, 8)．実オフィスにおいて必要な場所に必要な照度 を提供することに成功し，かつ高い省エネルギー性を実 現した⁸⁾．

実オフィスに導入したシステムに関し，執務者は在席/ 離席の切り替えならびに目標照度の変更を，webのユー ザインタフェースを通して行う必要があった．しかし，

在離席変更ならびに目標照度の変更に際しPCを立ち上 げwebユーザインタフェースを介するため，事務作業

といった主に紙を用いる作業を行うユーザにとっては，

それらの変更が手間となっている．

一方，照度センサの配線に関し大規模なオフィスに導 入する際，照度センサの数が増加し配線が複雑になると いう課題があった．これは照度センサと制御ＰＣとの通 信にアナログ通信を行っていることが原因であり，我々 は照度センサのディジタル通信化の研究を行なっている

9)．照度センサのディジタル化に伴い，イーサネットを 用いてパケット通信を行うことで，照度情報以外の情報 伝達が可能になった．そこで，我々はディジタル通信を 行う照度センサに在離席変更ボタンならびに目標照度の 変更ボタンを搭載した照度センサを試作した．以後新た に作成した照度センサを多機能照度センサと呼称する．

これにより従来手間がかかっていた

web

ユーザインタ フェースを介していた在離席ならびに目標照度の変更に 関し，簡易に変更可能なユーザインタフェースを提供す る．また，

2014

年の

4

月には多機能照度センサを新丸 の内ビルディングに導入し，実証実験を行っている．

本稿では，照度センサのディジタル化による配線の簡 易性ならびに，多機能化による，在離席管理の操作容易 性の向上を報告する．

2 知的照明システム

2.1 知的照明システムの概要

知的照明システムは照度センサが設置された場所に，

要求された照度を最小限の消費電力で実現するシステム

である．

Fig. 1

に示すように，照明器具，照度センサ，

電力センサおよびそれらをつなぐネットワークから構成 されている．照明には

1

台ごとに制御プロセッサが搭載 されており，各照明は自律的に動作する．各照明は照度 センサおよび電力センサから取得できる情報から，最適 化手法を用いて執務者に感知されない範囲¹⁰⁾で光度を 変化させる．これを繰り返すことで，執務者の要求する 照度を省電力で実現する．

2.2 照度制御アルゴリズム

知的照明システムの制御には，

Simulated Annealing

（

SA

）を基盤とした適応的近傍アルゴリズム

(Adap- tive Neighborhood Algorithm using Regression Coef- ficient

：

ANA/RC

¹¹⁾

)

を用いる．適応的近傍アルゴリズ

ム（

ANA/RC

）では，設計変数を各照明の光度，制約条

件を各照度センサの目標照度とし，目的関数を照明全体

Power Meter

Network

Illuminance Sensor

Lighting Fixture Electric Power Line

Control Device

290 w

Fig. 1. Configuration of an intelligent lighting system.

の消費電力とする最適化問題を各照明ごとに自律分散的 に解いている．各照明の目的関数は式

(1)

で表される．

fi

=

P

+

ω×

∑n

j=1

gij

(1)

gij

=

{

0 (Ic

j−Itj

)

≥

0

r_ij×

(Ic

_j−It_j

)

²

(Ic

_j−It_j

)

<

0

(2)

i:照明番号

,

j:センサ番号

,

ω:重み

[W/lx

²

]

P

:

消費電力

[W],

Ic:現在の照度

[lx]

It:目標照度

[lx],

L:光度

[cd],

rij

:

照明 iの光度と照度センサ j の照度の回帰係数 式

(1)

に示す目的関数は，部屋全体の消費電力P と照 度制約gijから構成され，各照明毎に計算する．

2.3 在離席および目標照度の変更

知的照明システムは現在，都内数か所のオフィスで実 証実験を行っている．この実証実験において，執務者は 出社ならびに退社時および会議などでいったん離席する 際には，

PC

から

web

ユーザインタフェースにアクセス し在離席の変更を行っている．離席中の執務者の周りの 照明は消灯する．このため，在離席の切り替えは消費電 力の観点から重要となる．

また，その時の気分によって，目標の明るさを変えた い場合にも

PC

から

web

ユーザインタフェースにアク セスし変更する必要がある．

しかし，退社時などは

PC

をシャットダウンしてしま うため，在離席を離席状態にしてから退出する執務者は 少ない．また，

VDT(Visual Display Terminals)

作業以 外の紙とペンを用いた作業が多い，

PC

を自席に持たな い執務者にとって，これらの変更に際し

web

ユーザイ

ンタフェースへのアクセスは容易ではなく，ストレスと なっていた．

この問題を解決するため，執務者の机上面に一人に一 つ必ず設置される照度センサに，在離席変更ボタンなら びに目標照度の変更ボタンを搭載した多機能照度センサ を試作した．

3 多機能照度センサ

3.1 照度センサにおける通信方式

従来，知的照明システムで用いている照度センサは イーサネットケーブルを用いた電圧伝送方式によるアナ ログ通信を行っていた．以後，アナログ通信を行う照度 センサをアナログ照度センサと呼ぶ．

アナログ照度センサを用いる場合，制御

PC

に取り込 む前に

A/D

変換器を用いディジタル値に変換する必要 があるため，

A/D

変換器への集線が複雑になっていた．

さらに，大規模なオフィスになるにつれ，制御

PC

と照 度センサを繋ぐ

LAN

ケーブルが長くなり，電圧降下が が起こるため正確な照度がとれなくなるという問題が あった．アナログ照度センサを用いる時の配線図を

Fig.

2

に示す．

A/D convertor

・ ・

・

・ ・

・

analog illuminance sensor control pc RS485

lighting fixture analog communication

Fig. 2. Connection diagram of illuminace sensor using analog communication.

アナログ通信における配線の複雑性ならびに

LAN

ケー ブルによる電圧降下を解消するため，我々は内部に

A/D

変換器を組込むことで，イーサネット通信を可能にした ディジタル照度センサ⁹⁾を提案している．ディジタル 照度センサの配線図を

Fig. 3

に示す．

ディジタル照度センサではたとえば，対向島型のオ フィスにおける島ごとにスイッチングハブを置くこと で，配線の分散が可能になる．また，内部に

A/D

変換 器を搭載し，ディジタルの数値をパケット通信で送信す るため，アナログ通信のようなケーブル長に依存する電

control PC switching hub

digital illuminance sensor

degital communication (Ethernet)

・ ・

・

・ ・

・

・ ・

・

・ ・

・

luminace controllable device

・ ・

・

RS485

lighting fixture

Fig. 3. Connection diagram of illuminace sensor using digital communication.

圧降下は発生しない．さらに，アナログ照度センサでは 電圧の変化による照度情報のみの通信であったのに対し，

ディジタル照度センサはパケット通信のため，パケット の中身を変更することで，照度情報以外の通信が可能と なった．

本稿で提案する多機能照度センサは，照度情報以外の 在離席情報ならびに目標照度情報の通信を行うことを目 標としているため，ディジタル通信を行うディジタル照 度センサに分類される．

3.2 多機能照度センサの概要

多機能照度センサとは，従来照度情報の取得のみに用 いていた照度センサに，在離席変更ボタンならびに目標 照度の変更ボタンを搭載した照度センサである．多機能 照度センサは知的照明システムにおいて，必ず設置する 照度センサに，在離席変更ボタンならびに目標照度の変 更ボタンを搭載する．これにより，従来の

web

ユーザ インタフェースよりも簡易な変更が可能になると考えら れる．多機能照度センサの製作は，株式会社セコニック に依頼した．多機能照度センサを

Fig. 4

に示す．現在 の照度状況は

Fig. 4

に示すように，液晶部分に目盛で

Fig. 4. Digital illuminance sensor.

表示される．

次に，

Fig. 5

に示したように在離席変更ボタンは上部

に付いている．在離席変更ボタンを押すと左についてい る

LED

が在席時に緑，離席時にオレンジで点灯する．

また，

Fig. 6

に示したように目標照度変更ボタンは横部

に付いている．目標照度変更ボタンを一度押すと，前部 の液晶が目標照度変更モードに変わり，その後「明るく，

暗く」のボタンを押していくことで現在の目標照度より も明るくするか暗くするかを決定する．

Fig. 5. Switch of presence/absence .

Fig. 6. Switch of changing target illuminance.

また，試作した多機能照度センサを新丸の内ビル・エ コッツェリアに導入し，その有効性を検証した．

4 新丸の内ビル・エコッツェリアによる実証実験

4.1 実験概要

2014

年

4

月以前には，アナログ照度センサならびに

web

ユーザインタフェースを用いていた新丸の内ビル・

エコッツェリアに対し，試作した多機能照度センサを導 入し，実証実験を行った．実験内容は，従来の

web

ユー

ザインタフェースと比較したときの多機能照度センサの 操作性に関するアンケートと稼働ログデータの解析を行 うことで，従来の

web

ユーザインタフェースのみ用いて いたときと比較したユーザビリティの変化を確認する．

本実験で用いた実験期間は以下の通りである．導入後 ３ヶ月間，動作テスト期間ならびに操作練習期間を設け たため，多機能照度センサの解析期間は

2014

年

7

月と している．

• ^{アナログ照度センサ：}

2013

年

1

月～

2014

年

3

月

• ^{多機能照度センサ：}

2014

年

7

月～

2015

年

2

月 アンケートの実地は

2015

年

2

月に行い，対象はエコッ ツェリアで働いている執務者の方

10

名とした．アンケー ト内容は，エコッツェリアで働いている期間などの基本 情報，多機能照度センサの各ボタンの操作性，主に用い るユーザインタフェース，液晶表示の見やすさならびに 自由記述の全

17

項目を用意した．

また，稼働ログデータの解析では，導入前後における 在離席の変更回数，ならびに目標照度の変更回数を比較 する．

4.2 エコッツェリアの環境

新丸の内ビル・エコッツェリアは照明

24

台，照度セ ンサ

13

台の環境である．エコッツェリアにおける照明 と照度センサの配置図を

Fig. 7

に示す．

Lighting fixture Illuminance sensor

北

Fig. 7. Top view of ecozzeria.

また，エコッツェリアで用いている

web

ユーザイン タフェースを

Fig. 8

に示す．

4.3 実証実験の結果

はじめに，稼働ログデータから解析期間中の在離席の 変更回数を調べた．多機能照度センサ導入前後の在離席 の変更回数の平均を

Fig. 9

に示す．

Fig. 8. Web user interface.

Analog Multi-functionalization

Fig. 9. Frequencies of presence and absence.

Fig. 9

の結果から在離席変更回数に関し，導入前の平

均が

213

回，導入後の平均が

269

回と

26

％の在離席の 変更回数の増加を確認した．これは，多機能照度センサ の在離席変更ボタンによって，従来在離席の変更を面倒 に感じていた執務者が操作が容易になったことで，変更 を行うようになったからだと考えられる．アンケート結 果からも「導入前よりも操作回数が増えた」と回答され ていた方が

10

名中

2

名存在した．また，「在離席変更に 主に用いるユーザインタフェース」に関しては，

6

名が 多機能照度センサ，

1

名が

web

ユーザインタフェース，

3

名の方が無回答だった．この結果から，ほとんどの方 が手元にある多機能照度センサで変更を行っていること がわかる．

web

ユーザインタフェースを主に用いる

1

名 の方はおそらく

PC

作業が多く

web

ユーザインタフェー スを使う方が操作が早いため

web

ユーザインタフェー スを用いていると考えられる．また，自由記述において

も「

ON/OFF

がしやすくなったのでこまめに消したり

つけたりすることができるようになった」，「都度，

PC

画面を立ち上げる必要があった頃にくらべれば，操作が しやすくなった」という好意的な意見を頂いた．

次に稼働ログデータから解析期間中の目標照度の変更 回数を調べた．多機能照度センサ導入前後の目標照度の 変更回数の平均を

Fig. 10

に示す．

Analog Multi-functionalization

Fig. 10. Frequencies of changing target illuminance.

Fig. 9

の結果から月ごとの平均目標照度変更回数に関

し，導入前の平均が

6.6

回，導入後の平均が

4.5

回と変 更回数が減少していることがわかる．また，在離席の変 更に比べ，目標照度の変更は圧倒的に回数がすくないこ とがわかる．これに関する理由としては「すでに好みの 照度で設定されているからあまり変えない」という意見 があった．アンケート結果では，「導入前よりも操作回数 が増えた」と回答されていた方が

10

名中

1

名，「減った」

と回答されている方も

10

名中

1

名存在した．また，目 標照度の変更に主に用いるユーザインタフェースは

10

名中

6

名が多機能照度センサ，

3

名が

web

ユーザイン タフェース，

1

名が無回答と在離席変更と比較して

web

ユーザインタフェースを用いる人が増えていた．この理 由として，「多機能照度センサの目盛表示がわかりづら い，数字の方が良かった」という意見を頂いた．多機能 照度センサで目盛表示を採用している理由は以前別のオ フィスにおいて「数字で細かい値を出されてもわかりづ らい」という意見があったためである．これは，エコッ ツェリアというオフィスはオフィス設計の専門家の多い 環境であるためだと考えられる．専門家にとっては照度

は

50 lx

刻みの目盛表示よりも数字による詳しい値に興

味があり，詳しくない人にとっては目盛で大体の値がわ かれば良いということだと考えられる．

5 おわりに

本稿では，webユーザインタフェースを用いて変更し ていた在離席ならびに目標照度に関し，簡易的に行うこ とができる新たなユーザインタフェースとして多機能照 度センサを作成した．多機能照度センサを新丸の内ビル・

エコッツェリアに導入し，webユーザインタフェースの みを用いる場合と操作性に関し比較を行った．結果とし て，毎日頻繁に行う在離席の変更は操作が容易になった ことで，従来操作を面倒に感じていたユーザが操作する ようになった．しかしながら，月に数回しか行わない目 標照度の変更といった操作は，ユーザごとに好みのユー ザインタフェースがあることがわかった．このため，目 標照度の変更といったユーザインタフェースの好みが分 かれる操作に関してはスマートフォンを用いて様々な種 類のユーザインタフェースを作成し，その中から執務者 が選択するという形式が良いと考えられる．

本研究の一部は，同志社大学ハリス理化学研究所研究 助成金の助成を受けて行われた．

参考文献

1) 財 団 法 人 省 エ ネ ル ギ ー セ ン タ ー ，“ オ フィス ビ ル に お け る 照 明 の 消 費 エ ネ ル ギ ー 比 率 ” ， http://www.eccj.or.jp/office bldg/01.html

2) 大林史明，冨田和宏，服部瑶子,河内美佐，下田宏，石井 裕剛，寺野真明，吉川榮和，“ オフィスワーカのプロダク ティビティ改善のための環境制御法の研究 ‐ 照明制御法 の開発と実験的評価 ”，ヒューマンインターフェースシ ンポジウム，1(1322)，151-156(2006)．

3) P. Boyce，N. Eklund，N. Simpson，“Individual Light- ing Control Task Performance, Mood, and Illumi- nance”，J. of the Illuminating Engineering Society，

29(1)，131-142(2000)．

4) 三木光範，“ 知的照明システムと知的オフィス環境コン ソーシアム ”，人工知能学会誌，22(3)，399-410(2007)．

5) 鈴木真理子，三木光範，田中慎吾，吉見真聡，中川明彦，齋 藤敦子，福田麻衣子，“オフィス内フレームを用いた知的 照明システムの構築(オフィスインフォメーションシステ

ム，e-ビジネスモデリング，特集学生論文)”，電子情報通

信学会論文誌. D情報・システム，95(3)，549-558(2012)．

6) 小野景子，三木光範，吉見真聡，西本龍生，近江哲也，足 立宏，秋田雅俊，笠原佳浩，“Led照明を用いた知的照 明システムの実オフィスへの導入 ”，電気学会論文誌. A, 基礎・材料・共通部門誌= Thetransactions of the Insti- tute of Electrical Engineers of Japan. A，A publication

of Fundamentalsand Materials Society，131(5)，321- 327(2011)．

7) 三木光範，加來史也，廣安知之，吉見真聡，田中慎吾，谷 澤淳一，西本龍生，“ 実オフィス環境における任意の場 所にユーザが要求する照度を提供する知的照明システム

の構築(情報・システム基礎)”，電子情報通信学会論文

誌. D，情報・システム，94(4)，637-645(2011)．

8) 大学法人同志社大学，株式会社三井物産戦略研究所，平成 20年度～平成22年度成果報告書エネルギー使用合理化技 術戦略的開発/エネルギー有効利用基盤技術先導研究開発/

自律分散最適化アルゴリズムを用いた省エネ型照明システ ムの研究開発，Technical Report 20110000000875,独立 行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構,（2011）．

9) 三木光範,吉田健太,平野祐也，“ 分散制御照明システム におけるディジタル照度センサの試作 ”，情報処理学会第 74回全国大会講演論文集，96(10)，2398-2405(2013)．

10) 鹿 倉 智 明 ，森 川 宏 之 ，中 村 芳 樹 ，“ オ フィス 照 明 環 境 に お け る 明 る さ 変 動 知 覚 に 関 す る 研 究 ” ， J.Illum.Engng.Inst.Jpn，85(5)，346-351(2001)．

11) 後藤和宏，“ 知的照明システムのための回帰係数を用いた 自律分散最適化アルゴリズム ”，照明学会 全国大会講演 論文集，40，123-124(2007)．