具有双向学习能力的智慧阅读灯功能设计

卫邦强，董玉汉，邹念育，王智森

(大连工业大学，信息科学与工程学院，辽宁 大连 116034)

具有双向学习能力的智慧阅读灯功能设计

卫邦强，董玉汉，邹念育，王智森

(大连工业大学，信息科学与工程学院，辽宁 大连 116034)

为了阅读灯能够实现对使用者身体健康的保障和作业效率的提升，通过对光生物效应的研究，提出双向学习模型并进行智慧阅读灯的功能设计。使用CLA和C/P评价模型对一天中的自然光作用于人体的光生物效应进行量化分析，并得出CS值和C/P值的动态比例范围，通过建立双向学习模型，进行智慧阅读灯功能设计，保障在阅读灯下作业的使用者的健康并提高作业效率。为健康高效的阅读灯智慧照明研究提供理论依据。

光生物效应；双向学习模型；智慧阅读灯；功能设计；健康高效

引言

阅读灯作为相对独立空间下的照明载体，除了具备照明功能外，还将成为人与自然在信息空间中的深度交互终端。阅读灯的功能逐渐体现出人性化、个性化和智能化的特点，即智慧化。智慧阅读灯的作用主要是对使用者的身心健康保障和作业效率的提升。

光对于人体的影响可分为视觉效应和非视觉效应，其中光信号作用于本征视网膜神经节细胞(ipRGCs)参与人体激素分泌、生理特征变化等过程，并将这一过程称为光生物效应[1-2]。

光生物效应不直接受控于作业环境中的照度，而是由进入人眼的光线控制[3]，与光环境中的光照强度、色温、光谱功率分布、空间分布、接受光照时刻和持续光照时间具有直接关系[4]；人体血液中的褪黑素和皮质醇浓度是不同照明环境下生理状态的重要指标[5]；照度为500 lx、色温为4 500 K的LED照明环境[6]是相对最佳的学习和办公环境。

本文首先选择CLA和C/P[7-9]两种评价模型对自然光作用于人体的光生物效应影响进行量化分析，并以此为基础提出双向学习模型，根据双向学习模型进行智慧学习灯的功能设计。

1 实验测试及分析

人类自演化以来，长期适应自然所形成的昼夜节律与人体的健康息息相关。“日出而作，日落而息”的社会活动和相关行为的时间规律是人类健康生活、高效作业的前提和保障，为绿色照明研究提供了本质性的参考。自然光是昼夜节律最稳定的激励因素，本文选择对自然光进行测量并使用评价模型量化自然光作用于人体的光生物效应的影响。

1.1实验内容

本文选择对本地夏天某日，室内无人工照明条件下，日出、日落期间每整点时刻的自然光光谱功率分布(Spectral Power Distribution, SPD)数据和照度进行测量。实验环境数据如表1所示。

由于测量时天气晴朗多云，故色温值整体较高，除日出时刻外，其余时刻均在5 000 K以上。此外，还测量了晚上8点时无室内人工照明状态条件下的光谱数据和照度值。

表1 实验环境数据

1.2实验分析原理

图1 三种光谱灵敏度曲线Fig.1 Three spectral sensitivity curves

本文选择CLA评价模型和C/P评价模型，以此量化分析自然光的作用于人眼的光生物效应。

1.2.1 CLA(昼夜刺激)评价模型

CLA评价模型由Rea团队在2005年提出，本文采用的是经过其改进之后的评价模型，如式(1)～式(3)所示。该模型基于人眼视网膜的神经解剖学和神经生物学，旨在量化光源在角膜处的光谱辐射分布，即人眼对于光源的灵敏度。

式中k=0.261 6；ab-y=0.620 1；arod=3.234 7；Pλ为光源光谱辐射功率分布；Mcλ为视黑素灵敏度曲线；Sλ为基于S-锥体细胞的灵敏度曲线；mpλ为黄斑区色彩透过率。

1.2.2C/P评价模型

C/P评价模型是通过参考光通量的计算方法，以计算光生物效应的等效光通，利用C/P值来评价光源的光生物效应的强弱，如式(4)、式(5)所示。

式中，Φc为等效的光生物效应通量；Kc为非视觉光通下的最大光谱光效函数，Kc=3 616。

1.2.3 分析方法

从上述两种光源光生物效应量化分析模型中可以看出，测得光源的Pλ(SPD)即可得出所需的CS值和C/P值。

1.3实验结果分析

根据前文所述的评价模型对自然光数据进行分析后结果如图2所示。

图2 CLA和C/P模型的相对值变化曲线Fig.2 The variation curves of relative valus between CLA and C/P

从计算结果以及图2看出，CS值和C/P值曲线相似，在日出后呈现上升趋势；在18点后开始呈现下降趋势；在7点至17点区间内，CS值处于稳定状态，极值差距小于0.048，C/P值在除上午8点和9点外，也处于稳定状态，极值差距小于0.68，8点和9点时的C/P值有一定程度的上升。该实验所采用的方法可为人工照明条件下模拟日间自然光提供参考，也将作为本文中智能调光功能的基础进行智慧阅读灯的功能设计。

2 双向学习模型

根据前面的理论和实验的结果，提出以阅读灯为主体的双向学习模型，建立人与自然和谐的关系，如图3所示。

图3 双向学习模型Fig.3 Bidirectional learning pattern

从光的角度考虑，物理空间的差异性主要体现在地理和气候的区域特征(异地)与光照、天气、时间、季节的易变性(同地)；而个体的差异性主要体现在年龄和性别的不同，以及血液中褪黑素浓度、心率、瞳孔大小、体温等具体的生理特征差异。

双向学习模型的核心价值是为物理空间的差异性和生命个体的差异化特征，以光为主体建立一座信息化桥梁。光作为一种储媒，成为连接人与自然的媒介，使得阅读灯终端能够成为人与自然在物理空间和信息空间中的深度交互的节点。阅读灯终端作为信息空间的交互点，结合前文理论和实验分析结论，以光的辐射通量与SPD为变量、照度和色温为主要输出，进行智慧学习灯功能设计。

3 智慧阅读灯的设计

智慧阅读灯的功能业务层主要包括：人体生理状态检测、环境状态检测、智能调光和其他需求，智慧阅读灯-功能结构图如图4所示。

图4 智慧阅读灯-功能结构图Fig.4 Intelligent table lamp-function structure diagram

3.1功能业务层

1)人体状态检测功能。该功能的主要作用是通过外部设备采集人体心率及呼吸数据，与人机交互功能下的信息显示装置联合，可实现使用者对身体状态便携式感知和作为主动调整作业状态的信号，是实现阅读灯个性化的基础。

2)环境状态检测功能。该功能是实现阅读灯人性化的重要组成部分。主要检测光环境(照度、SPD)数据，空气循环流通数据和温湿度数据。其中光环境数据作为照明调节的依据和参考；空气循环流通和温湿度检测主要是作为使用者对外部环境的状态识别。该功能和人体状态检测功能组成最基本的信息输入，是实现智能化的基础。

3)智能调光功能。该功能是阅读灯智能化的重要体现。智能调光功能满足系统照明自调节和人为主观自调节。

4)其他功能。阅读灯作为人与自然在物理空间和信息空间的深度交互节点，具有对于信息空间的信息交流能力。该部分的功能主要满足人为主观下的需求，例如对相关历史数据(如心率、体温)的读取或者在互联网端搜索相关信息。

3.2数据信息层

智慧阅读灯功能的数据流关系图如图5所示。

图5 智慧阅读灯-功能关系图Fig.5 Intelligent table lamp-function relationship diagram

数据流分为三个模块：数据输入、数据处理和数据输出。其中，数据输入由人体生理状态检测装置、环境状态检测装置以及其他需求信息输入装置共同构成；数据处理由MPU(微处理器单元)执行，其主要功能是完成智慧系统的数据整理计算和任务执行决策；数据输出由智能调光装置和视听装置组成。

3.3网络层

电子逻辑信息空间(以互联网为代表)作为人类的“公共外脑”[10]，很大程度上减轻了人脑对于碎片信息的存储记忆。

由功能业务层产生的数据可选择性的存储至网络层或者反向选择下载部分数据。互联网端的存储服务和远程通信功能可提高智慧阅读灯的运行效率，便于完善以及更好的为使用者提供便利。

4 总结

本文从照明的光生物效应出发，通过测量一天中自然光的SPD和照度等数据，使用CLA和C/P评价模型对不同时段的自然光作用于人体的光生物效应进行量化分析，得出了动态比例范围，可以此作为人工照明模拟自然光的参考指标。

根据以上这些内容提出了双向学习模型，以阅读灯为主体，光储媒的两端连接起人和自然环境，并以此模型进行了智慧阅读灯功能设计，使阅读灯可成为人与自然在信息空间的深度交互终端。本论文的研究内容可为阅读灯的智慧照明研究提供了理论研究思路和依据。

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[3] BOMMEL W J M V. Non-visual biological effect of lighting and the practical meaning for lighting for work[J]. Applied Ergonomics, 2006, 37(4):461-466.

[4] PECHACEK C S, ANDERSEN M, LOCKLEY S W. Preliminary Method for Prospective Analysis of the Circadian Efficacy of (Day) Light with Applications to Healthcare Architecture[J]. Leukos,2013, 5(1):1-26.

[5] 崔哲, 郝洛西, 林怡. 昼夜节律生理机制最新国际研究动态[J]. 照明工程学报, 2014,25(3):4-12.

[6] 牛萍娟, 方晶璐, 田会娟,等. 基于光生物效应的LED办公照明环境研究[J]. 照明工程学报, 2014,25(4):23-28.

[7] REA M S, FIGUEIRO M G, BIERMAN A, et al. Modeling the spectral sensitivity of the human circadian system[J]. Lighting Research & Technology, 2012, 44(4):386-396.

[8] 居家奇, 陈大华, 林燕丹. 照明的非视觉生物效应及其实践意义[J]. 照明工程学报, 2009, 20(1):25-28.

[9] BELLIA L, SERACENI M. A proposal for a simplified model to evaluate the circadian effects of light sources[J]. Lighting Research & Technology, 2013, 46(5):493-505.

[10] 张龙, 刘俐, 杜薇薇,等. 基于观测者视角的信息外构[J]. 情报学报, 2016, 35(8):817-825.

FunctionDesignforIntelligentLearningLampwithBidirectionalLearningAbility

WEI Bangqiang, DONG Yuhan, ZOU Nianyu, WANG Zhisen
(SchoolofInformationScienceandEngineering,DalianPolytechnicUniversity,Dalian116034,China)

In accordance with analysis and research of the photobiological effects, this paper submits a bidirectional learning pattern and intelligent table lamp, which aims to protect the user’s health and improve the user’s working efficacy. It quantitatively analyzed the photobiological effects by natural light through CLAandC/Pevaluation modules and calculated the CS andC/Pvalues in the proportion of dynamic range. The bidirectional learning pattern was constructed which was the precondition to design the function of the intelligent system of a table lamp to achieve the core target. Above all, this paper provides the theoretical reference for researching of table lamp on intelligent lighting which aims to achieve health and efficiency.

photobiological effects; bidirectional learning pattern; intelligent table lamp; function design; health and efficiency

TM923.44

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.05.014