謝苗苗, 李華龍

(1. 安徽大學(xué) 江淮學(xué)院, 安徽 合肥 230031; 2. 中國科學(xué)院 合肥智能機(jī)械研究所, 安徽 合肥 230031;3. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 研究生院, 安徽 合肥 230026)

現(xiàn)代社會的發(fā)展已經(jīng)使得室內(nèi)環(huán)境從“功能性”向“舒適性”轉(zhuǎn)變,舒適的工作環(huán)境既有利于身心健康,又能提高工作效率.讓室內(nèi)辦公環(huán)境維持在高舒適度水平的同時,還可以降低辦公室的能耗,進(jìn)而降低辦公大樓的能耗.將多源信息融合技術(shù)引入到智能辦公,有著廣泛的應(yīng)用前景.本文提出了一種室內(nèi)辦公環(huán)境在線評價與調(diào)控系統(tǒng),將溫度、濕度、光照度、甲醛、CO和PM2.5六種傳感器采集到的關(guān)鍵室內(nèi)環(huán)境信息進(jìn)行多參數(shù)融合后給出舒適度決策結(jié)果,據(jù)此實時控制辦公室內(nèi)相關(guān)設(shè)備,實現(xiàn)對室內(nèi)辦公環(huán)境在線評價與精準(zhǔn)調(diào)控.例如,可以根據(jù)室內(nèi)光環(huán)境的變化,自動控制電動窗簾的開關(guān)和照明設(shè)備的亮度;根據(jù)在工作時間內(nèi)室內(nèi)溫度和濕度的情況,控制空調(diào)的開關(guān)或者調(diào)節(jié)到合適的溫度;當(dāng)辦公室PM2.5或者甲醛濃度高的時候,啟動空氣凈化系統(tǒng)或者新風(fēng)系統(tǒng)等.本文首先將各室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測傳感器的異常數(shù)據(jù)剔除后進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)融合,然后再進(jìn)行模糊控制算法處理,對室內(nèi)辦公環(huán)境的舒適度狀況進(jìn)行綜合評判.評判結(jié)果考慮了室內(nèi)6種環(huán)境因子之間的相互影響,克服了只考慮單個環(huán)境因子評價室內(nèi)環(huán)境舒適度不準(zhǔn)確的缺點,使得決策結(jié)果更加可靠,同時可以將評判結(jié)果回送主控單元,控制室內(nèi)相關(guān)設(shè)備,實現(xiàn)對室內(nèi)辦公環(huán)境實時在線調(diào)控.

1 系統(tǒng)構(gòu)成

圖1為室內(nèi)辦公環(huán)境的測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖.系統(tǒng)設(shè)置溫度、濕度、光照度、甲醛、CO和PM2.5六種傳感器,通過無線傳輸方式傳至上位機(jī)(電腦或手機(jī))顯示,對所測得的環(huán)境數(shù)據(jù)經(jīng)過自適應(yīng)加權(quán)平均和模糊控制算法融合后,息顯示出來并同時將決策結(jié)果返回給主控中心,控制室內(nèi)空調(diào)、照明設(shè)備、空氣凈化系統(tǒng)等設(shè)備的工作,從而調(diào)節(jié)室內(nèi)工作環(huán)境達(dá)到最佳狀態(tài),多傳感器測量技術(shù)克服了用單一傳感器測試結(jié)果有偏差導(dǎo)致判別結(jié)果不準(zhǔn)確的情況.

將當(dāng)前的環(huán)境信

圖1測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

Fig.1 Structure diagram of the measurement and control system

2 自適應(yīng)加權(quán)融合算法

2.1 拉依達(dá)準(zhǔn)則和自適應(yīng)加權(quán)融合算法

室內(nèi)辦公環(huán)境裝設(shè)的6類傳感器,可以實現(xiàn)多個室內(nèi)辦公區(qū)域環(huán)境參數(shù)的測量.原始測量數(shù)據(jù)經(jīng)過相關(guān)算法處理后,得到室內(nèi)辦公環(huán)境的舒適度評價結(jié)果,回送給主控單元,工作人員可以根據(jù)決策結(jié)果自動或者手動控制啟停相關(guān)設(shè)備來改善室內(nèi)環(huán)境.為了使得監(jiān)測結(jié)果更加精確,對傳感器采集的數(shù)據(jù)先進(jìn)行一級局部融合,再根據(jù)局部融合后的結(jié)果利用模糊綜合評判進(jìn)行決策評判,通過兩級融合算法,能夠提高室內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及對室內(nèi)環(huán)境判斷的精確性.

且滿足

2.2 算法驗證

下表1是夏天某辦公大樓中3個辦公室某時刻所監(jiān)測到的溫度和濕度數(shù)據(jù),一共有18個測試點.

表1 某時刻溫度和濕度測試結(jié)果

3 模糊控制理論

實際工作時,處在室內(nèi)辦公環(huán)境中的人們對所測得的數(shù)據(jù)并不是很關(guān)心,而更關(guān)心自己所處環(huán)境的舒適度,所以在經(jīng)過自適應(yīng)加權(quán)一級融合之后,還需要進(jìn)一步建立多因子的模糊綜合評價模型[4],建立室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的隸屬度函數(shù),對各類傳感器因子隸屬關(guān)系進(jìn)行模糊變換,據(jù)此得到室內(nèi)辦公環(huán)境的綜合評價結(jié)果,反饋給主控中心的控制單元.

3.1 模糊綜合評判模型的建立

模糊綜合評價方法是對受多個因素影響的對象做出綜合評判的一種有效的決策方法[5]. 根據(jù)模糊控制原理和最大隸屬度原則. 大致步驟[6]為:

(1) 確定因素集U.因為本系統(tǒng)中有6類傳感器,取所有傳感器的測量參數(shù)為因素集.即建立因素集合U={u1,u2,u3,u4,u5,u6},其中u1代表溫度,u2代表濕度,u3代表光照度,u4代表甲醛質(zhì)量濃度,u5代表PM2.5質(zhì)量濃度,u6為代表CO質(zhì)量濃度.

(2) 建立評價集合V.本系統(tǒng)中建立評價集V={v1,v2,v3},v1表示舒適,v2表示較舒適,v3表示不舒適.

(3) 建立模糊關(guān)系矩陣R

本文在實際環(huán)境人體舒適度體驗的實驗基礎(chǔ)上,采用模糊統(tǒng)計的方法[7]來確定溫度、濕度、光照度3個評價因子的隸屬度.PM2.5質(zhì)量濃度、甲醛質(zhì)量濃度、CO質(zhì)量濃度均采用梯形隸屬函數(shù).驗證性實驗中選取了172人對室內(nèi)環(huán)境溫濕度和亮度的舒適度體驗,表2是這3個評價指標(biāo)的隸屬度一覽表.

系統(tǒng)中PM2.5質(zhì)量濃度、CO質(zhì)量濃度和甲醛質(zhì)量濃度對于評價集的隸屬度函數(shù),選用梯形分布函數(shù)[8-9]的以下3個公式來表示.

其中,a,b,c,d分別代表表2中3個因素所對應(yīng)評價集元素舒適、較舒適和不舒適的分界點.μ1,μ2,μ3分別對應(yīng)評價集中的3個元素舒適、較舒適和不舒適.由上述公式,可以計算出甲醛、CO質(zhì)量濃度和PM2.5質(zhì)量濃度的隸屬度.表3中列出某一天上午11∶00采集的數(shù)據(jù),可以求得r41=1,r42=0.6,r43=0;r51=1,r52=0.666 7,r53=0;r61=0,r62=0.571,r63=0.

表2 室內(nèi)環(huán)境溫度、濕度、光照度評價指標(biāo)隸屬度

表3 某天11∶00采集的數(shù)據(jù)信息Table 3 Data collected at 11∶00 am. someday

表4列出了人體舒適度對于甲醛質(zhì)量濃度、CO質(zhì)量濃度和PM2.5質(zhì)量濃度3個評價指標(biāo)體系.

(4) 建立因素權(quán)重集W

根據(jù)相關(guān)專家經(jīng)驗,影響室內(nèi)環(huán)境人體舒適度的因素指標(biāo)分別為溫度、濕度、光照度及甲醛、PM2.5質(zhì)量濃度和CO質(zhì)量濃度,每一種指標(biāo)對于評價等級的影響程度不同,用權(quán)重來表示.選用指數(shù)超標(biāo)比法[10]確定這6種因素舒適度評價的權(quán)重.

表4 甲醛質(zhì)量濃度、CO質(zhì)量濃度和PM2.5質(zhì)量濃度評價指標(biāo)體系

由此,可以建立模糊關(guān)系矩陣

計算公式如下:

(4)

根據(jù)式(4)得到權(quán)重集

(5) 構(gòu)建模糊評判模型,進(jìn)行綜合評價

根據(jù)模糊變換關(guān)系,將W與多因素評判矩陣R合成得到模糊綜合評判的結(jié)果向量[11]

通過結(jié)果可知,b1的值最大,根據(jù)最大隸屬度原則,可判斷當(dāng)前室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)為舒適.

4 結(jié) 論

本文的室內(nèi)辦公環(huán)境在線評價調(diào)控系統(tǒng)結(jié)合自適應(yīng)融合算法和模糊控制方法,可以對室內(nèi)辦公環(huán)境狀況進(jìn)行實時評價和調(diào)控,采用自適應(yīng)加權(quán)融合和模糊綜合評判結(jié)合的方法對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,評判結(jié)果融合考慮了多種參數(shù)因子的影響,克服了只考慮單因子影響評價室內(nèi)環(huán)境舒適度不精確的缺點.現(xiàn)有的很多方法都是直接將傳感器數(shù)據(jù)通過模糊綜合評判等方法對室內(nèi)熱環(huán)境、光環(huán)境或者聲環(huán)境舒適度進(jìn)行評價,未考慮傳感器虛假數(shù)據(jù)可能導(dǎo)致評判估計不準(zhǔn)確的現(xiàn)象,本文的方法先對傳感器的信源數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理,去除異常數(shù)據(jù)后計算自適應(yīng)融合估計值,再結(jié)合模糊控制算法進(jìn)行綜合評判,可以提高數(shù)據(jù)融合的可靠性.實驗表明,該方法提高了系統(tǒng)對室內(nèi)環(huán)境舒適度綜合評判的準(zhǔn)確性和可靠性,也可以將此方法用在智能辦公大樓的設(shè)計和控制中,具有廣泛應(yīng)用前景.

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