陸 齊，陳 瑾

(無(wú)錫市人民醫(yī)院，江蘇 無(wú)錫 214023)

引言

醫(yī)院照明系統(tǒng)在醫(yī)院運(yùn)行中有至關(guān)重要的作用，在智能照明系統(tǒng)普及之前，醫(yī)院的照明均采用手工控制開關(guān)的方式，設(shè)計(jì)粗糙且需人及時(shí)開關(guān)才能滿足照明需求，經(jīng)常出現(xiàn)忘記開關(guān)，導(dǎo)致電力資源浪費(fèi)的現(xiàn)象。且手工控制的照明系統(tǒng)不能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境調(diào)節(jié)光照度，照明環(huán)境舒適度不高且容易造成電能的浪費(fèi)。智能化照明系統(tǒng)的使用在保證照明質(zhì)量的同時(shí)提高了醫(yī)院照明系統(tǒng)的管理能力。

1 醫(yī)院照明系統(tǒng)智能化改造的必要性

1.1 智能化建設(shè)對(duì)醫(yī)院建設(shè)運(yùn)行的必要性

隨著信息時(shí)代的到來(lái)，各類智能化軟件系統(tǒng)在醫(yī)院建設(shè)運(yùn)營(yíng)和管理中發(fā)揮重要作用。醫(yī)院內(nèi)患者就診過(guò)程信息化、建筑設(shè)備智能化、醫(yī)療設(shè)備智能化等運(yùn)用不僅提高了醫(yī)院的運(yùn)營(yíng)效率，降低了人力成本，也有效地降低了醫(yī)院建筑設(shè)備的能耗。運(yùn)用智能化軟件直觀地展現(xiàn)醫(yī)院內(nèi)部能耗運(yùn)行情況有助于實(shí)現(xiàn)醫(yī)院能源管理的精細(xì)化。同時(shí)，智慧軟件提供的遠(yuǎn)程查閱和操作系統(tǒng)提高了工作管理的效率，使管理更加便捷、可靠。

1.2 醫(yī)院照明系統(tǒng)智能化改造對(duì)醫(yī)院節(jié)能運(yùn)行的意義

為響應(yīng)國(guó)家建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的號(hào)召，醫(yī)院作為社會(huì)上能耗需求的重要機(jī)構(gòu)，節(jié)能改造有至關(guān)重要的意義。由于醫(yī)院24 h運(yùn)營(yíng)的性質(zhì)及其醫(yī)療急救的功能性，醫(yī)院公共區(qū)域節(jié)能改造在醫(yī)院節(jié)能策略的實(shí)施效果上有非常顯著的成效。照明系統(tǒng)的節(jié)能改造能改善醫(yī)療環(huán)境，提高醫(yī)患就診舒適度和滿意度。

2 智能照明的控制方案應(yīng)用

2.1 智能照明方案設(shè)計(jì)

隨著物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的普及，智能化逐漸滲進(jìn)醫(yī)院項(xiàng)目的改造。本項(xiàng)目的智能照明系統(tǒng)采用分布式LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通訊的傳輸通道，運(yùn)用分布式無(wú)主站點(diǎn)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)等結(jié)構(gòu)、各節(jié)點(diǎn)地位對(duì)等，部分節(jié)點(diǎn)故障不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，提升了系統(tǒng)的傳輸速度和抗干擾性[1]。本系統(tǒng)以綠色照明節(jié)能運(yùn)行為目標(biāo)，采用分布式集中控制系統(tǒng)將照明系統(tǒng)進(jìn)行集中管理，利用LonWorks控制總線和LonMarker軟件、組態(tài)軟件遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)傳感器調(diào)節(jié)燈光的開關(guān)及情況，方便管理者實(shí)時(shí)掌握系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)情況。

醫(yī)院的照明設(shè)計(jì)對(duì)不同的場(chǎng)所有不同需求，例如手術(shù)室和治療室的光照度比候診大廳的過(guò)道和走廊的光照度需求要精密一些，控制方案也需要不同的配置，照明系統(tǒng)通過(guò)在各區(qū)域回路的不同亮暗設(shè)置，在給用戶提供舒適照明環(huán)境的同時(shí)根據(jù)照度需求關(guān)閉不需要的燈光節(jié)約能源?！夺t(yī)療建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ 312—2013)[2]及《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50034—2013)[3]等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)醫(yī)院建筑不同區(qū)域的照度標(biāo)準(zhǔn)值及照明功率密度限值都有相關(guān)規(guī)定，在對(duì)醫(yī)院照明系統(tǒng)改造的同時(shí)需滿足以下相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，具體要求見表1。

表1 醫(yī)院建筑照明標(biāo)準(zhǔn)值

為提供舒適的照明環(huán)境并兼顧醫(yī)院節(jié)能運(yùn)行的目標(biāo)，本次設(shè)計(jì)重點(diǎn)對(duì)門診樓的掛號(hào)大廳、候診室、走道等公共區(qū)域進(jìn)行智能照明方案設(shè)計(jì)，并針對(duì)不同地區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)配置相應(yīng)的照明控制方案，進(jìn)行分區(qū)域或分時(shí)段動(dòng)態(tài)調(diào)整。醫(yī)院其他區(qū)域如病房、手術(shù)室、化驗(yàn)室、護(hù)士站燈主要是給工作人員辦公的場(chǎng)所，室內(nèi)的燈光控制主要根據(jù)《醫(yī)療建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ 312—2013)[2]及《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50034—2013)[3]采用不同照度的燈具進(jìn)行恒光控制。

本次設(shè)計(jì)主要對(duì)醫(yī)院門診、醫(yī)技等公共區(qū)域的照明進(jìn)行不同的方案配置，各場(chǎng)所針對(duì)不同的場(chǎng)景對(duì)燈光和環(huán)境進(jìn)行互動(dòng)控制，包括白天工作模式、午休模式、晚上模式等照明控制方案，同時(shí)將照明的燈具設(shè)置為基本照明、補(bǔ)充照明和應(yīng)急照明，具體控制方案如下：

(1)白天工作模式。根據(jù)場(chǎng)所的日光照度，用光照度檢測(cè)探頭與日光照明相結(jié)合的模式，當(dāng)日光漸暗至一定照度時(shí)，光照感應(yīng)控制自動(dòng)啟動(dòng)，增開燈光；當(dāng)自然光漸亮至一定照度時(shí)，光照感應(yīng)控制自動(dòng)將過(guò)亮的照明關(guān)閉，保留部分燈光以保持適當(dāng)?shù)恼斩取?/p>

(2)午休模式。關(guān)閉大部分基本照明的燈光，根據(jù)場(chǎng)所人員活動(dòng)情況，采用紅外動(dòng)靜探頭，當(dāng)探頭檢測(cè)到人員活動(dòng)記錄，則人來(lái)燈亮，人走燈滅，隨走隨關(guān)，根據(jù)各場(chǎng)所的照度需求開啟補(bǔ)充照明。

(3)深夜模式。深夜時(shí)間人較少除應(yīng)急照明外其余燈光皆關(guān)閉，智能控制放到手動(dòng)模式，可根據(jù)場(chǎng)所實(shí)際情況開/關(guān)燈，進(jìn)入節(jié)能狀態(tài)。

(4)采用定時(shí)啟停控制與各場(chǎng)景控制模式相結(jié)合的方式。為保障醫(yī)院運(yùn)行過(guò)程中的照明需求，同時(shí)兼顧節(jié)能管理的要求，通過(guò)智能時(shí)鐘根據(jù)不同的運(yùn)營(yíng)時(shí)間控制定時(shí)器切換不同的場(chǎng)景模式，達(dá)到最大的節(jié)能效果。

光照度檢測(cè)控制照明模式與紅外檢測(cè)控制模式根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整場(chǎng)所燈光亮度的照明效果圖如圖1所示。在靠近天井的走廊和向陽(yáng)窗戶附近由于日光充足，可以利用自然光減少人工照明；而陰天或室內(nèi)靠里面的角落，自然光線不足無(wú)法達(dá)到光照度要求時(shí)，開啟人工照明來(lái)保證照明的質(zhì)量。

圖1 智能照明的兩種控制模式效果圖Fig.1 Effect diagram of two control modes for intelligent lighting

根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)醫(yī)院公共區(qū)域的走廊、過(guò)道、候診大廳等照明運(yùn)行情況制定工作日運(yùn)行時(shí)間任務(wù)，見表2。

表2 醫(yī)院公共區(qū)域照明系統(tǒng)工作日運(yùn)行時(shí)間任務(wù)表

該任務(wù)表的具體運(yùn)行時(shí)間會(huì)根據(jù)國(guó)家法定假日進(jìn)行調(diào)整，12：00—13：30為午休時(shí)間段，18：00—次日7：00是門診夜休時(shí)間段，保留應(yīng)急照明，現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)取消遠(yuǎn)程控制，可根據(jù)實(shí)際情況現(xiàn)場(chǎng)開啟。根據(jù)照明任務(wù)表設(shè)計(jì)的照明系統(tǒng)軟件運(yùn)行界面如圖2所示。

圖2 定時(shí)啟停配置運(yùn)行界面圖Fig.2 Timed start stop configuration operation interface diagram

2.2 智能照明系統(tǒng)的控制原理

本次智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用基于PID[4]控制的DDC[5]閉環(huán)控制方式。根據(jù)設(shè)定的光照度與實(shí)際光照度的偏差調(diào)節(jié)現(xiàn)場(chǎng)的照明光照度，使用光照度檢測(cè)，結(jié)合智能控制器的控制模塊，使用邏輯運(yùn)算，用繼電器控制現(xiàn)場(chǎng)照明設(shè)備。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)的光照度低于實(shí)際需要設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)DDC控制器比對(duì)、計(jì)算，觸發(fā)繼電器增加照明設(shè)備。反之，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)的光照度高于實(shí)際需要設(shè)定的光照度時(shí)，DDC控制器就會(huì)根據(jù)光照度補(bǔ)償差量關(guān)閉照明設(shè)備。

DDC控制器的核心是比例-積分-微分(PID)控制算法，帶PID控制的DDC控制器的控制原理框圖如圖3所示。它的數(shù)學(xué)模型為：

圖3 基于PID控制的照明系統(tǒng)控制框圖Fig.3 Control block diagram of lighting system based on PID control

e(t)=r(t)-b(t)

(1)

式中，r(t)表示給定信號(hào)，即輸入至控制系統(tǒng)的設(shè)定的光照度值對(duì)應(yīng)的電壓值；b(t)表示主反饋，即由現(xiàn)場(chǎng)采集的光照度值轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)；e(t)表示誤差，即設(shè)定值與現(xiàn)場(chǎng)反饋值之間的誤差值。

2.3 智能照明系統(tǒng)的硬件選擇

本方案采用LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)開展系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在硬件設(shè)計(jì)方面，主要分為I/O設(shè)備層和控制層。I/O設(shè)備層主要包括智能終端節(jié)點(diǎn)，如光控開關(guān)量控制器、聲控開關(guān)量控制器等作為執(zhí)行器使用，可以執(zhí)行上層網(wǎng)絡(luò)下達(dá)的各項(xiàng)指令。控制層主要包括LonWorks節(jié)點(diǎn)控制器，用于對(duì)智能終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)量包括運(yùn)行數(shù)據(jù)、報(bào)警信息、設(shè)備狀態(tài)、人工遠(yuǎn)程控制記錄等的采集、模式轉(zhuǎn)換和上傳。

在管理層上面，LonWorks網(wǎng)絡(luò)主要包括網(wǎng)絡(luò)接口、上位機(jī)和各種LON網(wǎng)絡(luò)接口等，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)上傳到上位機(jī)和給下位機(jī)下達(dá)控制指令。以DDC[5]為核心構(gòu)建的智能照明控制網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 智能照明網(wǎng)絡(luò)圖Fig.4 Intelligent lighting network diagram

在硬件主接線圖設(shè)計(jì)完好之后，就要挑選適合本方案的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，主要包括現(xiàn)場(chǎng)控制器、傳感器、變送器等，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備的需求，現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備選型主要考慮以下幾個(gè)方面的影響因素：

(1)現(xiàn)場(chǎng)電源電路安全。為保障照明系統(tǒng)的安全運(yùn)行，系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電路加裝了過(guò)電壓、欠電壓報(bào)警裝置，并通過(guò)組態(tài)控制軟件實(shí)時(shí)反饋現(xiàn)場(chǎng)電路的電壓情況，以保證供電線路的安全質(zhì)量運(yùn)行。

(2)現(xiàn)場(chǎng)控制器的控制范圍。為減少現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)中的總線的阻塞，加快系統(tǒng)的運(yùn)行速度，并且確保當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，有工作能力的DDC控制器對(duì)同組的設(shè)備仍能單獨(dú)服務(wù)運(yùn)行，用一個(gè)DDC控制器接收同一層面設(shè)備的輸入輸出信號(hào)。同時(shí)必須選擇配套的傳感器與變送器把現(xiàn)場(chǎng)采集到的電量和非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為DDC控制器可以接受的信號(hào)。

(3)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?。在照明配電柜里控制采集器與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，通過(guò)通信接口與專用控制器進(jìn)行通信。為保證控制效果，配電柜內(nèi)需增加光電隔離和繼電器等進(jìn)行實(shí)施，將采集到的數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，與共享數(shù)據(jù)庫(kù)形成關(guān)聯(lián)，形成集成系統(tǒng)總數(shù)據(jù)庫(kù)，為系統(tǒng)集成的方案運(yùn)行和系統(tǒng)維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。

(4)照明控制柜的控制相關(guān)參數(shù)配置。運(yùn)用與現(xiàn)場(chǎng)控制模式配套的照明控制軟件來(lái)控制該系統(tǒng)的運(yùn)行情況。為保證控制效果，照明控制柜內(nèi)的控制模式需與實(shí)際設(shè)置模式相符，才能保證現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)準(zhǔn)確地反饋到智能控制系統(tǒng)的上位機(jī)內(nèi)。

智能照明的典型控制功能模塊主要有以下幾個(gè)方面的選擇：

(1)節(jié)能燈調(diào)光控制器。通過(guò)電子整流器對(duì)節(jié)能燈調(diào)光，輸出調(diào)壓信號(hào)。

(2)場(chǎng)景控制模塊。與時(shí)鐘模塊結(jié)合，根據(jù)醫(yī)院的運(yùn)營(yíng)時(shí)間啟用定時(shí)啟停模塊設(shè)置工作日、夜晚、午休不同的場(chǎng)景，通過(guò)按鍵切換不同場(chǎng)景。對(duì)門診樓和醫(yī)技樓隨上下班時(shí)間調(diào)整燈光開關(guān)或亮度，上班時(shí)間放開權(quán)限，夜晚或休息日則根據(jù)實(shí)際需要改為手動(dòng)控制。

(3)紅外傳感器。對(duì)人體紅外線進(jìn)行檢測(cè)以達(dá)到對(duì)燈光的控制，如人來(lái)燈亮、人走燈滅。

(4)光亮照度傳感器。根據(jù)室內(nèi)和室外光線的強(qiáng)弱和醫(yī)院建筑照明的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)調(diào)整光線，如過(guò)亮關(guān)掉、過(guò)暗打開等。

在本方案中所用到的控制器是HW-BA5200系列DDC控制器，采用LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，主要用于智能照明系統(tǒng)各種信號(hào)的采集以及控制，可提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘輸出以及日程表控制輸出，對(duì)外提供標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)變量的實(shí)時(shí)時(shí)鐘接口及日程表控制輸出口接口，對(duì)改造中的573個(gè)照明點(diǎn)位設(shè)計(jì)了25個(gè)子網(wǎng)，控制器設(shè)置在每個(gè)子網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)布線簡(jiǎn)單、配置靈活、使用和維護(hù)簡(jiǎn)單、可靠性高，并支持自由拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可完成對(duì)各個(gè)場(chǎng)景照明控制系統(tǒng)的開關(guān)量信號(hào)及模擬量信號(hào)的采集和控制。

2.4 智能照明系統(tǒng)的軟件實(shí)施

在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)完成之后，運(yùn)用LonMarker軟件對(duì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行集成和控制。LonMaker是LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線的集成開發(fā)工具軟件，采用基于PLUGIN技術(shù)的配置程序，可通過(guò)圖形化的界面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行工程方案設(shè)計(jì)和調(diào)試，所以網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計(jì)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量的參數(shù)設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在底層的物理電路和硬件設(shè)備選擇設(shè)置好之后，通過(guò)LonMaker軟件可以創(chuàng)建需要連接的網(wǎng)絡(luò)，連接DDC節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行具體的功能模塊設(shè)置。系統(tǒng)單模塊照明結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 單模塊照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structural diagram of single module lighting system

在LonMaker軟件設(shè)計(jì)開發(fā)好智能照明的網(wǎng)絡(luò)配置后，將開發(fā)好的程序下載到HW-5000系列的現(xiàn)場(chǎng)控制芯片中，開啟各類場(chǎng)景模式，根據(jù)智能照明系統(tǒng)的設(shè)置方案啟動(dòng)。為滿足照度需求，光照度傳感器運(yùn)用調(diào)光模塊，輸入的電壓信號(hào)與輸出傳感器的光照度是線性對(duì)應(yīng)，根據(jù)實(shí)際光照度的大小實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)人工照明。經(jīng)LonWorks網(wǎng)絡(luò)連接，照明系統(tǒng)的控制可以實(shí)現(xiàn)APP遠(yuǎn)程，管理人員可以直觀地看到每個(gè)區(qū)域照明系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)況，并可以根據(jù)實(shí)際情況遠(yuǎn)程開關(guān)照明設(shè)備。

在對(duì)控制器下載好程序后運(yùn)用組態(tài)軟件開發(fā)對(duì)應(yīng)場(chǎng)景的應(yīng)用界面，采用基于C/S架構(gòu)的監(jiān)控軟件，畫面直觀、可操作性強(qiáng)，可直接監(jiān)測(cè)各個(gè)區(qū)域的照明情況，并統(tǒng)計(jì)出每個(gè)模式下的照明能耗情況，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控及遠(yuǎn)程操作功能。

3 醫(yī)院智能照明系統(tǒng)改造方案的效果分析

在國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召下，公立醫(yī)院能耗考核指標(biāo)逐漸嚴(yán)格。而醫(yī)院的運(yùn)行需考慮醫(yī)療急救、患者治療監(jiān)測(cè)、醫(yī)療設(shè)備操作需求、患者治療滿意度等多方面因素。因此，在醫(yī)院的醫(yī)療工作場(chǎng)所照明需非常穩(wěn)定且符合國(guó)家規(guī)范和醫(yī)療需求，降低醫(yī)院非醫(yī)療場(chǎng)所的公共區(qū)域能耗對(duì)醫(yī)院節(jié)能減排措施的實(shí)行有非常重要的意義。

該項(xiàng)目改造完成后，根據(jù)《建筑節(jié)能工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50411—2019)、《照明測(cè)量方法》(GB/T 5700—2008)[6，7]，醫(yī)院委托相關(guān)檢測(cè)單位對(duì)改造的場(chǎng)所進(jìn)行了光照度測(cè)試，大部分測(cè)試結(jié)果均符合《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50034—2013)[2]，對(duì)個(gè)別偏低偏高的點(diǎn)位也進(jìn)行了整改，調(diào)整了照明工具的功率。同時(shí)，醫(yī)院對(duì)掛號(hào)大廳、門診樓和醫(yī)技樓候診室、走廊、過(guò)道等醫(yī)療公共區(qū)域的照明能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和對(duì)比，發(fā)現(xiàn)醫(yī)療公共區(qū)域的照明能耗降低了約39.3%，改造前后能耗對(duì)比具體情況見表3。

表3 醫(yī)院改造前后公共區(qū)域能耗對(duì)比

4 結(jié)論

由于醫(yī)院的運(yùn)營(yíng)性質(zhì)以及對(duì)患者舒適度的考慮，醫(yī)院的建筑能耗一直比其他大部分企業(yè)的建筑能耗高。在我國(guó)醫(yī)院的能源消耗中電力消耗占比最高，而照明用電約占電力消耗中的20%，因此降低醫(yī)院的照明系統(tǒng)能耗對(duì)醫(yī)院的環(huán)保、舒適運(yùn)行有重要意義[8]。本文詳細(xì)地闡述了在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下醫(yī)院智能照明系統(tǒng)的運(yùn)行情況，該系統(tǒng)利用光照度和紅外傳感器對(duì)比監(jiān)測(cè)，在保證照明質(zhì)量的情況下實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)人工照明，改造后的公共區(qū)域用電能耗降低了39.3%，實(shí)現(xiàn)醫(yī)院部分公共區(qū)域照明系統(tǒng)的智能化和節(jié)能運(yùn)行。