黃洪宇

(中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司 北京 100040)

1 前言

在鐵路客站建設(shè)中，鐵路總公司要求突出客站的地域文化、功能、智能、經(jīng)濟(jì)和綠色節(jié)能環(huán)保，使每座車(chē)站都成為精品智能客站。然而，目前鐵路客站空調(diào)系統(tǒng)存在難以根據(jù)室內(nèi)人數(shù)按需供給、能耗較高且舒適性不佳的問(wèn)題[1－3]。

隨著新基建戰(zhàn)略的提出，新一代信息技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用都呈加速態(tài)勢(shì)。鐵路客站的智能運(yùn)維系統(tǒng)需與衛(wèi)星通訊、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、5G等新一代信息技術(shù)深度融合，進(jìn)一步提升鐵路客站的智慧感知和智慧控制能力[4－5]。

針對(duì)上述問(wèn)題和需求，提出了一種基于雙目攝像人體識(shí)別的室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用雙目攝像人體識(shí)別室內(nèi)人員數(shù)量，進(jìn)而通過(guò)算法實(shí)時(shí)計(jì)算室內(nèi)負(fù)荷，并根據(jù)實(shí)時(shí)室內(nèi)負(fù)荷對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行智能控制。

2 基于雙目攝像人體識(shí)別的室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)介紹

在室內(nèi)空調(diào)冷負(fù)荷的組成中，尤其是在鐵路客站的無(wú)玻璃幕墻或無(wú)窗內(nèi)區(qū)，人員發(fā)熱和新風(fēng)需求是室內(nèi)候車(chē)大廳的主要冷負(fù)荷源。當(dāng)室內(nèi)人員變化時(shí)，人員發(fā)熱和新風(fēng)需求發(fā)生變化，而這種變化會(huì)緩慢通過(guò)空氣傳熱傳質(zhì)傳遞到常規(guī)技術(shù)的空調(diào)溫控器處，無(wú)法被室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)及時(shí)感知，導(dǎo)致室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)延遲，室內(nèi)環(huán)境惡化，室內(nèi)人員在空調(diào)系統(tǒng)做出反應(yīng)前會(huì)感覺(jué)不舒適。此外，人員減少時(shí)，室內(nèi)負(fù)荷降低，常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)也無(wú)法及時(shí)感知并降低供冷或新風(fēng)量，無(wú)法及時(shí)進(jìn)行節(jié)能運(yùn)行，在夏季也會(huì)發(fā)生過(guò)冷現(xiàn)象[6－10]。

針對(duì)這些情況，提出了一種基于雙目攝像人體識(shí)別的室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 基于雙目攝像人體識(shí)別室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)可通過(guò)雙目攝像頭識(shí)別采集到進(jìn)入房間的人數(shù)，進(jìn)而通過(guò)邊緣計(jì)算控制器準(zhǔn)確計(jì)算房間冷負(fù)荷和新風(fēng)量，再迅速對(duì)空調(diào)設(shè)備進(jìn)行精確預(yù)調(diào)節(jié)，從而避免室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)延遲、室內(nèi)環(huán)境惡化、室內(nèi)人員在空調(diào)系統(tǒng)做出反應(yīng)前會(huì)感覺(jué)不舒適等情況，并實(shí)現(xiàn)人少減量、人走停機(jī)的系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行。

2.2 系統(tǒng)運(yùn)行策略

以夏季供冷工況為例，一種基于雙目攝像人體識(shí)別的室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)運(yùn)行策略如下:

(1)空調(diào)末端裝置接受室邊緣計(jì)算控制器的指令根據(jù)房間實(shí)時(shí)負(fù)荷調(diào)整送風(fēng)量、供冷量，從而不會(huì)出現(xiàn)“超調(diào)”和“欠調(diào)”現(xiàn)象，還能保證系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定[11－12]。

(2)人員集中就坐，分區(qū)負(fù)荷高時(shí)，溫控優(yōu)先。即溫控監(jiān)測(cè)到該區(qū)域溫度超過(guò)設(shè)定值，自動(dòng)將該區(qū)域盤(pán)管的風(fēng)速或者VAV-BOX的送風(fēng)量提高一個(gè)檔位。

(3)人員進(jìn)入房間前5 min人數(shù)優(yōu)先，5 min后室內(nèi)環(huán)境溫度整體降低后，后期控制交給分區(qū)溫控。人員大量離開(kāi)時(shí)觸發(fā)人數(shù)控制，降速直至關(guān)閉風(fēng)盤(pán)或VAV-BOX。

(4)根據(jù)室內(nèi)溫度控制器的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)，通過(guò)送風(fēng)機(jī)的高、中、低擋風(fēng)速調(diào)節(jié)，水閥的通斷調(diào)節(jié)從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度的調(diào)控。

(5)室內(nèi)人數(shù)精確控制新風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)健康、節(jié)能。

(6)墻面溫控器有人員操作時(shí)，以墻面溫控器操作為準(zhǔn)，可進(jìn)行個(gè)性化運(yùn)行。

3 應(yīng)用實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

在某大型樞紐鐵路客站的一間無(wú)外窗和玻璃幕墻的內(nèi)區(qū)房間進(jìn)行該系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。按照預(yù)定設(shè)計(jì)方案從硬件、軟件、運(yùn)行等方面對(duì)房間內(nèi)基于雙目攝像人體識(shí)別的室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。集中空調(diào)系統(tǒng)的主要相關(guān)設(shè)備如表1所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)安裝雙目攝像頭和控制器

表1 集中空調(diào)系統(tǒng)的主要相關(guān)設(shè)備

3.2 運(yùn)行實(shí)驗(yàn)方案

針對(duì)基于雙目攝像人體識(shí)別的室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，為驗(yàn)證其智能和節(jié)能特性，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案如下:

(1)兩個(gè)雙目攝像頭分別安裝于房間大門(mén)上方，開(kāi)啟各設(shè)備電源后，對(duì)進(jìn)出室內(nèi)大門(mén)的人員數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和運(yùn)算，經(jīng)實(shí)驗(yàn)，該設(shè)備可準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)室內(nèi)進(jìn)出和停留的人員數(shù)據(jù)。

(2)雙目攝像頭將所統(tǒng)計(jì)的人數(shù)發(fā)送到邊緣計(jì)算控制器，進(jìn)而邊緣計(jì)算控制器準(zhǔn)確計(jì)算房間冷負(fù)荷和新風(fēng)量，再迅速對(duì)空調(diào)設(shè)備(風(fēng)機(jī)盤(pán)管和新風(fēng)機(jī)組)進(jìn)行精確預(yù)調(diào)節(jié)，以提供合適的供冷量和新風(fēng)量。

(3)室內(nèi)新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)按30 m3/h·人取值。

(4)在不同的室內(nèi)人員數(shù)量下，測(cè)量風(fēng)機(jī)盤(pán)管出口風(fēng)速，進(jìn)而計(jì)算風(fēng)機(jī)盤(pán)管風(fēng)量。

(5)室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤(pán)管內(nèi)部電機(jī)為單相電容調(diào)速電機(jī)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)輸入電壓使風(fēng)量分為高、中、低三檔，進(jìn)而相應(yīng)地調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)盤(pán)管的供冷量?？紤]到室內(nèi)的舒適性，本系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)盤(pán)管優(yōu)先置于低檔運(yùn)行，當(dāng)冷負(fù)荷升高，8臺(tái)風(fēng)機(jī)盤(pán)管仍無(wú)法達(dá)到所需供冷量時(shí)，才考慮升檔運(yùn)行。

分別在相同人數(shù)條件下對(duì)常規(guī)溫控器控制與雙目攝像人體識(shí)別智能控制的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在空調(diào)開(kāi)啟后的1 200 s內(nèi)，每隔10 s測(cè)定一次室內(nèi)環(huán)境溫度，最后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在基于雙目攝像人體識(shí)別的室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)開(kāi)啟的情況下，房間進(jìn)入人員后，風(fēng)機(jī)盤(pán)管、新風(fēng)機(jī)組在停機(jī)狀態(tài)下成功啟動(dòng)，隨著人員增多，風(fēng)機(jī)盤(pán)管的啟動(dòng)臺(tái)數(shù)和風(fēng)速、新風(fēng)機(jī)組的新風(fēng)量均有所提高，該系統(tǒng)可全自動(dòng)智能化運(yùn)行。如圖3所示，室內(nèi)冷負(fù)荷和風(fēng)機(jī)盤(pán)管供冷量與人數(shù)關(guān)系基本符合線性分布[13]，驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的有效性。如圖4所示，新風(fēng)系統(tǒng)的新風(fēng)量與人數(shù)關(guān)系也基本符合線性分布。如圖5所示，風(fēng)機(jī)盤(pán)管送風(fēng)量相對(duì)人數(shù)符合線性分布，其中陡降段為風(fēng)機(jī)盤(pán)管為增加供冷量而升檔運(yùn)行(由低檔變?yōu)橹袡n)，但運(yùn)行臺(tái)數(shù)減少導(dǎo)致風(fēng)量減小。

圖3 實(shí)測(cè)空調(diào)冷負(fù)荷、供冷量與室內(nèi)人數(shù)相關(guān)性

圖4 新風(fēng)量與室內(nèi)人數(shù)相關(guān)性

圖5 風(fēng)機(jī)盤(pán)管風(fēng)量與室內(nèi)人數(shù)相關(guān)性

圖6和圖7分別為基于雙目攝像人體識(shí)別的室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)不開(kāi)啟、采用常規(guī)墻面溫控器(或DDC控制器)控制的空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果和基于雙目攝像人體識(shí)別的室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)開(kāi)啟運(yùn)行的室內(nèi)溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)圖6和圖7的數(shù)據(jù)，基于雙目攝像人體識(shí)別的室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)可降低室內(nèi)溫度波動(dòng)62%，節(jié)約綜合能耗(包括風(fēng)機(jī)盤(pán)管電耗和冷熱源系統(tǒng)電耗)17%。

圖6 常規(guī)墻面溫控器控制的空調(diào)系統(tǒng)的室內(nèi)溫度

圖7 基于雙目攝像人體識(shí)別室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)的室內(nèi)溫度

針對(duì)室內(nèi)由于人數(shù)突然增減而導(dǎo)致的空調(diào)負(fù)荷變化，常規(guī)溫控器控制運(yùn)行空調(diào)系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定溫度的速度較慢，且室內(nèi)溫度劇烈波動(dòng)，嚴(yán)重影響了室內(nèi)舒適度。而基于雙目攝像人體識(shí)別室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)可迅速根據(jù)人數(shù)和智能計(jì)算出的室內(nèi)負(fù)荷控制空調(diào)系統(tǒng)的供冷量，調(diào)節(jié)系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定溫度，反應(yīng)迅速，溫度波動(dòng)小，室內(nèi)舒適度高，且沒(méi)有溫度超調(diào)的現(xiàn)象(空調(diào)供冷量過(guò)大，導(dǎo)致室內(nèi)溫度過(guò)低)，節(jié)能效果好。

首先分析空調(diào)系統(tǒng)反應(yīng)速度產(chǎn)生差異的原因。常規(guī)溫控器控制運(yùn)行空調(diào)系統(tǒng)的溫控器位于距離人員活動(dòng)區(qū)較遠(yuǎn)的墻面，人員活動(dòng)區(qū)室內(nèi)溫度變化時(shí)，溫控器沒(méi)有及時(shí)感應(yīng)溫度變化，空調(diào)系統(tǒng)無(wú)法立即動(dòng)作，存在明顯的滯后現(xiàn)象。而基于雙目攝像人體識(shí)別室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)，不但可通過(guò)智能計(jì)算出的室內(nèi)負(fù)荷準(zhǔn)確向室內(nèi)供給充足的冷量，而且在房間內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)設(shè)有兩個(gè)分布式溫控器，可及時(shí)、準(zhǔn)確地反饋室內(nèi)溫度變化，空調(diào)系統(tǒng)隨之立即改變供冷量，從而能夠更好地滿(mǎn)足舒適度要求。

其次分析室內(nèi)溫度波動(dòng)幅度產(chǎn)生差異的原因。常規(guī)溫控器通過(guò)人工設(shè)定控制空調(diào)溫度，由于人體感覺(jué)和溫控器溫度以及空調(diào)供冷量無(wú)法形成人員可實(shí)時(shí)獲知的控制策略或要求，這種控制常常會(huì)出現(xiàn)忽冷忽熱、過(guò)冷過(guò)熱的現(xiàn)象，并且不能及時(shí)根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷變化來(lái)啟停風(fēng)機(jī)和改變電動(dòng)水閥的開(kāi)度，會(huì)造成室內(nèi)環(huán)境不舒適且產(chǎn)生不必要的能源浪費(fèi)。而基于雙目攝像人體識(shí)別室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)，可根據(jù)實(shí)時(shí)空調(diào)負(fù)荷智能按需供給室內(nèi)冷量，調(diào)節(jié)運(yùn)行更加穩(wěn)定，在保證舒適度的前提下，可達(dá)到節(jié)能降耗的作用。

4 結(jié)論

本文提出的基于雙目攝像人體識(shí)別的室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將雙目攝像人體識(shí)別獲取的實(shí)時(shí)室內(nèi)人員數(shù)量通過(guò)智能算法計(jì)算獲取室內(nèi)空調(diào)實(shí)時(shí)負(fù)荷，并根據(jù)室內(nèi)空調(diào)實(shí)時(shí)負(fù)荷對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行智能控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)相較采用常規(guī)溫控器控制的系統(tǒng)，溫度波動(dòng)減少了62%，綜合能耗減降低17%，顯著提高了室內(nèi)人員的舒適性，有效降低了系統(tǒng)的綜合能耗，并且系統(tǒng)可全自動(dòng)智能化運(yùn)行，大大提高了空調(diào)系統(tǒng)的智能化程度。該系統(tǒng)已申請(qǐng)專(zhuān)利11項(xiàng)，在3個(gè)項(xiàng)目中得到應(yīng)用，將來(lái)在精品智能客站和各種高標(biāo)準(zhǔn)公共建筑中均有著廣闊的應(yīng)用前景。