CC BY
9УДК 621.316
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ОСВЕЩЕНИЕМ ПАРКОВОЙ ЗОНЫ
Сабитов Руслан Маратович, магистрант, направление подготовки 13.04.02 Электроэнергетика и электротехника, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: sabitovrm96@gmail.com
Научный руководитель: Семенова Наталья Геннадьевна, доктор педагогических наук, кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры автоматизированного электропривода, электромеханики и электротехники, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: ng_sem@mail.ru
Аннотация. В соответствии с федеральным законом № 261-ФЗ энергосбережение является одним из приоритетных вопросов развития электроэнергетики России, в связи с чем, разработка энергоэффективной системы управления наружным освещением парковой зоны представляет собой актуальную и значимую задачу. Целью исследования является создание энергоэффективной системы управления наружным освещением парковой зоны с использованием алгоритма управления, основанного на теории нечёткого вывода. В исследование представлен адаптированный нами алгоритм управления освещением парковой зоны, основанный на классическом алгоритме Mamdani. Разработанный алгоритм повышает энергоэффективность системы в сравнение с традиционными системами управления (по заданному графику).
Ключевые слова: Наружное освещение, парковая зона, энергосбережение, управление освещением, интеллектуальное управление, алгоритмы нечеткого вывода, алгоритм Mamdani.
Для цитирования: Сабитов Р. М. Энергоэффективная система управления освещением парковой зоны // Шаг в науку. - 2020. - № 4. - С. 47-52.
ENERGY-EFFICIENT SYSTEM FOR CONTROLLING THE LIGHTING OF THE PARK ZONE
Sabitov Ruslan Maratovich, postgraduate student, training program 13.04.02 Power industry and Electrical Engineering, Orenburg State University, Orenburg e-mail: sabitovrm96@gmail.com
Research advisor: Semenova Natalia Gennadievna, Doctor of Pedagogical Sciences, PhD in Technical Sciences, Associate professor, Professor of the Department of Automated Electric Drive, Electromechanics and Electrical Engineering Orenburg State University, Orenburg e-mail: ng_sem@mail.ru
Abstract. In accordance with Federal Law No. 261-FZ, energy conservation is one of the priority issues in the development of the electric power industry in Russia, in this connection, the development of an energy efficient control system for outdoor lighting in a park area is an urgent and significant task. The aim of the study is to create an energy efficient control system for outdoor lighting in a park area using a control algorithm based on the theory offuzzy inference. The study presents an algorithm for controlling the lighting of a park zone, adapted by us, based on the classic Mamdani algorithm. The developed algorithm increases the energy efficiency of the system in comparison with traditional control systems (according to a given schedule).
Key words: outdoor lighting, park area, energy saving, lighting control, intelligent control, fuzzy inference algorithms, Mamdani algorithm.
Cite as: Sabitov, R. M. (2020) [Energy-efficient system for controlling the lighting of the park zone]. Shag v nauku [Step into science]. Vol. 4, рр. 47-52.
Современные сети наружного освещения пред- ческой эффективности представляют собой прио-
ставляют собой достаточно энергоемкие объекты ритетные направления развития электроэнергетики
[2, 8]. В связи с требованиями федерального закона1 России, в связи с этим, развитие энергоэффективных
вопросы энергосбережения и повышения энергети- систем управления наружным освещением парковой
1 Федеральный закон №№ 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении измене-
ний в отдельные законодательные акты Российской Федерации», от 23.11.2009., [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://base. garant.ru/12171109/ (дата обращения: 21.04.2020).
зоны представляет собой актуальную и значимую задачу. Под энергоэффективной системой управления понимаем такую систему, которая обеспечивает нормативный уровень освещенности пешеходных дорожек парковой зоны при наименьшем потреблении электрической энергии светильниками [1].
На основе анализа научной технической литературы в области управления системами наружного освещения был сделан вывод о том, что наиболее предпочтительными являются алгоритмы управления, функционирующими с использованием методов искусственного интеллекта. В связи с этим, целью исследования является разработка энергоэффективной СУНО парковой зоны посредством алгоритма управления на основе теории нечёткого
Рисунок 1. Этапы алгоритма Mamdani
Согласно СНиП 23-05-952, СП 52.13330.20113 СУНО должна обеспечивать на площадках парковой зоны уровень освещённости равный или больший уровню нормативный освещенности. Для того, чтобы СУНО парковой зоны была энергоэффективной необходимо выполнение следующих условий:
- значение искусственной освещенности (освещенность светильниками) пешеходных дорожек парковой зоны должно зависеть от значения текущей естественной освещенности;
- при отсутствии посетителей в парковой зоне, допустимо поддержание на площадках минимального уровня освещения, регламентируемого СНиП.
В соответствии с вышесказанным, в качестве входных значений алгоритма СУНО парковой зоны, авторами предложено использовать значения естественной освещенности и данные по присутствию (перемещению) посетителей парка, снимаемых с датчиков освещенности и движения, соответственно.
Входные переменные в алгоритме нечеткого вывода представлены в виде следующих терм-множеств:
- «Уровень естественной освещённости»: Е = {высокий; средний; низкий};
- «Наличие посетителей»: N = {датчики движения неактивны; датчики движения активны}.
вывода. Нечеткий вывод представляет собой процесс формирования нечётких заключений об управляемом объекте, основанный на нечётких условиях и предпосылках, которые включают в себя информацию о состоянии объектов [3].
На сегодняшний день широко распространённым алгоритмом нечёткого вывода является алгоритм Mamdani. Алгоритм представлен в 1975 году английским математиком Е. Мамдани, как средство управления паровыми двигателями [5]. Данный алгоритм включает в себя несколько последовательно следующих друг за другом этапов, представленных на рисунке 1 [6]. При этом входные значения последующего этапа являются выходными значениями предыдущего.
Агрегирование лодуслоаий
V
Активизация подзаключенин
В качестве входных переменных приняты нечёткие множества М1 и М, определяемые следующим образом:
М, = {(мх(¥)-,¥ еХ,}; М2=({, Цмг (ЛО^еХД (1)
где
Е - терм-множество «Уровень естественной освещённости»;
ЦМ1(Е - функция принадлежности терм-множества Е к нечёткому множеству М1; Х1 - множественные значения терм-множества «Уровень естественной освещённости»; N - терм-множество «Наличие посетителей»;
- функция принадлежности терм-множества Т к нечёткому множеству М2; Х2 - множественные значения терм-множества «Наличие посетителей».
Выходной переменной алгоритма СУНО является минимальная мощность потребления электрической энергии светильниками, представленная в виде терм-множества:
- «Минимальная мощность питающей системы»: = {высокая; средняя; низкая}.
2 СНиП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение», [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://docs.cntd.ru/ document/871001026.html (дата обращения: 30.04.2020).
3 СП 52.13330.2011 «Естественное и искусственное освещение», [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://docs.cntd.ru/ document/1200084092 (дата обращения: 30.04.2020).
Выходным нечетким множеством М является:
Мз ={5,/з(5);5 6 Xз},
(2)
где
- терм-множество «Минимальная мощность питающей системы»;
- функция принадлежности терм-множества S к нечёткому множеству М3; Х3 - множественные значения переменной «Минимальная мощность питающей системы».
Фаззификация входных и выходной переменных осуществлена с помощью функций принадлежности нечетких множеств вида Гаусса, 2-линейной и сигмоидной, рисунок 2. Каждая переменная терм - множеств задаётся своим диапазоном значений.
Выбор минимальной мощности питающей сети осветительных установок осуществлялся путем объединения двух нечетких множеств:
/(у) = тах{( х1), /л1(х1)}. (3)
Рисунок 2. Функции принадлежности входных и выходной переменных
Для заданных входных и выходной переменных нами было сформирована база лингвистических правил, основные из которых представлены ниже:
1. ЕСЛИ Уровень естественной освещённости ЕСТЬ Высокий И Наличие посетителей ЕСТЬ Датчики движения неактивны ТОГДА Минимальная мощность питающей сети осветительных установок ЕСТЬ Низкая.
2. ЕСЛИ Уровень естественной освещённости ЕСТЬ Низкий И Наличие посетителей ЕСТЬ Датчики движения активны ТОГДА Минимальная мощность питающей сети осветительных установок ЕСТЬ Высокая.
3. ЕСЛИ Уровень естественной освещённости ЕСТЬ Средний И Наличие посетителей ЕСТЬ Датчики движения активны ТОГДА Минимальная мощность питающей сети осветительных установок ЕСТЬ Средняя.
Программная реализация алгоритма нечеткого вывода осуществлена на основе программного средства4 для нечеткого моделирования экспертных и/или управляющих систем [7].
Алгоритм позволяет, при разных комбинациях входных значений, определять наименьшую мощность питающей сети осветительных установок.
Доминантной входной переменной является наличие посетителей, в случае отсутствия посетителей мощность питающей сети принимает значение необходимое для создания минимально допустимой освещенности площадок парковой зоны согласно СНиП 23-05-95, СП 52.13330.2011. При наличии посетителей значение мощности питающей сети зависит от корректирующей входной переменной - уровня естественной освещённости. В связи с чем апробация разработанного алгоритма СУНО парковой зоны была произведена для ситуаций наличия и отсутствия посетителей, для которых функция принадлежности принимает значения 1 или 0, соответственно. Для обозначенных ситуаций входное значение «Уровень естественной освещенности» было принято равным 80*102 Лк (освещенность в солнечный день). Результаты апробации адаптированного алгоритма Mamdani для ситуаций наличия и отсутствия посетителей представлены на рисунках 3, 4, соответственно. Как видно из представленных графиков при наличии посетителей в парке потребление электрической энергии светильниками должно составлять 65,71% от номинального потребления, а при отсутствии посетителей - 13,39% от номинального потребления.
Рисунок 3. Скриншот окна программы с результатом для ситуации наличия посетителей
4 Семенов, А. М. Программное средство для нечеткого моделирования экспертных и/или управляющих систем [Электрон-
ный ресурс] : прикладная программа / А. М. Семенов, Р. Р. Мулюков. - Зарегистрировано в УФЭР ОГУ, № 955 от 10.04.2014. -Оренбург: ОГУ, 2014. - Режим доступа: Й1р:/А^ег^и.ш/Мех^р?орйоп= com_uferdbsearch&view=uferdbsearch&action=details&uf er_id=955. (дата обращения: 13.07.2020).
Рисунок 4. Скриншот окна программы с результатом для ситуации отсутствия посетителей
Рисунок 5. Макет парковой зоны
Экспериментальное тестирование системы управления электроснабжением светильников наружного освещения было осуществленно на разработанном макете парковой зоны, представленном на рисунке 5. Основной элементной базой макета являются: микроконтроллер Arduino Uno, ультразвуковой датчик HC-SR04, модульный датчик света LM393, светодиодные светильники.
В роли управляющего устройства выбран микроконтроллер Arduino Uno. Микроконтроллер имеет невысокую стоимость, небольшие размеры платы, гибкие возможности программирования, а также обладает совместимостью с большим количеством датчиков и устройств [4]. В качестве датчика движе-
ния выбран ультразвуковой датчик - HC-SR04, так как он обладает малой потребляемой мощностью и диапазоном измерения от 2 до 400 см. Для определения уровня естественной освещённости, выбран модульный датчик света LM393. Датчик способен определять освещенность в диапазоне от 1 до 70000 люксов. В качестве источников света используются светодиодные светильники. Световой поток одного светодиода составляет 6,5-7,5 лм, напряжение питания изменяется в диапазоне 2,8-3,4 В.
В ходе эксперимента были принято допущение о том, что парковая зона включает в себя одну зону с постоянным наличием посетителей. Апробация в течении суток разработанной СУНО на создан-
ном макете показала, что она позволяет уменьшить энергопотребление на величину до 20,33 % по сравнению с работой системы наружного освещения, работающей по заранее заданному графику «включено», «выключено».
Выводы
1. Адаптирован алгоритм управления наружного освещения парковой зоны на основе классического алгоритма Mamdani. Разработаны: терм-множества входных и выходной переменных, для
каждой из которых выбраны функции принадлежности; база лингвистических правил.
2. Адекватность алгоритма СУНО на основе нечеткого вывода Mamdani подтверждена тестированием программы и полученным результатом.
3. Апробация разработанной СУНО парковой зоны показала её энергоэффективность по сравнению с традиционными системами управления (по заданному графику). Снижение энергопотребления светильниками составило 20,33%
Литература
1. Валиуллин К. Р. Анализ способов управления уличным освещением по различным критериям [Электронный ресурс] // Электроэнергетика глазами молодежи : науч. тр. V междунар. науч.-техн. конф., (Томск, 10-14 нояб., 2014 г.). / - Томск, 2014. - С. 275-279.
2. Валиуллин К. Р., Семенова Н. Г. Анализ существующих систем управления уличным освещением. Энергетика, электромеханика и энергоэффективные технологии глазами молодежи: сборник трудов Российской молодежной научной конференции. В 2 т. // Томский политехнический университет. - Томск, 2013. Т. 2.- С. 64-69.
3. Крюков О. В., Применение теории нечётких множеств при прогнозировании и обработке данных // Вопросы электромеханики. Труды «ВНИИЭМ». - 2016. - № 2. - С. 18-26.
4. Петин В. А. Проекты с использованием контроллера Arduino. // Журнал изд. «БХВ-Петербург» -2014. - № 11. - С. 251-255.
5. Рассел С., Норвиг П. Искусственный интеллект: современный подход (AIMA) = Artificial Intelligence: A Modern Approach (AIMA) // Современный подход изд. «Вильямс». - 2007. - № 2. - С. 142-146.
6. Рутковская Д., Пилиньский М., Рутковский Л. Нейронные сети, генетические алгоритмы и нечеткие системы: сборник статей. - 2008. - № 3. - С. 235-238.
7. Штовба С. Д. Проектирование нечетких систем средствами MATLAB: сборник статей. - 2007. -№ 2 - С. 117-124.
8. Сапронов А. A., Никуличев А. Ю. Энергоэффективная система управления муниципальным освещением, [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.energosovet.ru/stat573.html (дата обращения: 4.07.2020).
Статья поступила в редакцию: 14.05.2020; принята в печать: 15.12.2020.
Автор прочитал и одобрил окончательный вариант рукописи.
