建筑內(nèi)人員在室情況測(cè)量方法綜述

趙 斌 王貴強(qiáng)

沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院（110168）

0 引言

目前我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，在全世界處于領(lǐng)先的地位。而在這一過(guò)程中我國(guó)的能源消耗量也在逐年增加。 石化燃料的頻繁使用產(chǎn)生了大量的溫室氣體，在我國(guó)即將在2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和的大背景下，降低能耗刻不容緩。在同一建筑物內(nèi)不同房間中的人員在室規(guī)律并不完全相同，建筑內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)若能與人員的在室規(guī)律相對(duì)應(yīng)，將會(huì)大幅節(jié)約系統(tǒng)的能耗。 在室人數(shù)和時(shí)長(zhǎng)是指在一段時(shí)間內(nèi)，房間內(nèi)人員總?cè)藬?shù)及停留的時(shí)長(zhǎng)，在室狀態(tài)指房間內(nèi)是否有人存在。 暖通空調(diào)系統(tǒng)在進(jìn)行運(yùn)行控制時(shí)，在室人數(shù)及時(shí)長(zhǎng)影響了室內(nèi)所需的冷熱負(fù)荷量，在室狀態(tài)則決定了系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)。 Yang[1]等人將在室人數(shù)信息和建筑內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)控制進(jìn)行結(jié)合，改良后的方案可以節(jié)約近兩成的能耗。 因此，建立精確的在室人數(shù)信息可降低建筑能耗，對(duì)解決能源問(wèn)題有重要的意義。

目前國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)人員在室情況進(jìn)行了深入地研究，已有多種測(cè)量方法應(yīng)用于實(shí)際的生產(chǎn)生活中。 這些方法的測(cè)量方式和應(yīng)用場(chǎng)合各有不同，根據(jù)測(cè)量參數(shù)是否與室內(nèi)人員相關(guān)，可將這些測(cè)量方式分為直接測(cè)量法和間接測(cè)量法。文章將基于這兩種分類，對(duì)現(xiàn)有的測(cè)量方法進(jìn)行歸納分析，比較各種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，從而在后續(xù)研究遇到相應(yīng)具體情況時(shí)可以進(jìn)行合理的選擇。

1 直接參數(shù)測(cè)量法

直接參數(shù)測(cè)量法是利用與人員在室行為直接相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。 主要包括圖像測(cè)量法，接觸測(cè)量法，紅外線測(cè)量法，Wi-Fi 信號(hào)測(cè)量法和超聲波測(cè)量法。

1.1 圖像測(cè)量法

圖像測(cè)量法的基本原理是利用建筑用戶的圖像信息來(lái)檢測(cè)室內(nèi)的人員狀況，通常情況下使用攝像機(jī)或3D 深度探測(cè)器測(cè)得圖像信息后，對(duì)獲得的圖像進(jìn)行處理得到在室人數(shù)、 人員位置及人員的活動(dòng)軌跡等數(shù)據(jù)。 Petersen[2]等人利用房間入口處天花板上攝像機(jī)所記錄的紅外深度幀圖像， 對(duì)圖像進(jìn)行多種技術(shù)處理， 檢測(cè)并記錄房間內(nèi)在室人員的進(jìn)出次數(shù)，從而計(jì)算出房間人數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果表明，這種方法檢測(cè)室內(nèi)在室人數(shù)的誤測(cè)率低于1%。 Benezeth[3]等人在試驗(yàn)房間的入口附近放置一臺(tái)攝像機(jī)來(lái)獲得室內(nèi)的圖像信息，并在常見(jiàn)光環(huán)境中更新背景以實(shí)現(xiàn)變化檢測(cè)，對(duì)移動(dòng)的物體進(jìn)行跟蹤，最終根據(jù)得到的用戶圖像特征對(duì)圖像中物體進(jìn)行識(shí)別。 圖像測(cè)量法最大的優(yōu)點(diǎn)在于其檢測(cè)精確度高， 使用攝像機(jī)對(duì)室內(nèi)人數(shù)及人員在室狀態(tài)等進(jìn)行檢測(cè)可以獲得相對(duì)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，但是這種方法也存在一些問(wèn)題，比方說(shuō)對(duì)在室人員隱私的侵犯，因需儲(chǔ)存大量的圖像而對(duì)設(shè)備的要求較高，以及處理相關(guān)的圖像信息耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)等。

1.2 接觸測(cè)量法

接觸測(cè)量法是利用壓力傳感器檢測(cè)人員作用于室內(nèi)物體的壓力變化情況，從而得出室內(nèi)人數(shù)及人員活動(dòng)狀態(tài)。 Labodan[4]等人通過(guò)在會(huì)議室的每個(gè)座位放置壓力傳感器，檢測(cè)座位的壓力變化來(lái)得出室內(nèi)人數(shù)。 接觸測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)是可以精確獲得接觸傳感器在室人員所在位置及活動(dòng)軌跡，缺點(diǎn)是無(wú)法測(cè)得未與傳感器接觸的人員，故而無(wú)法得出確切的室內(nèi)人數(shù)。

1.3 紅外線測(cè)量法

紅外線測(cè)量法是利用被動(dòng)式紅外線傳感器（PIR），對(duì)附近的紅外熱輻射能量進(jìn)行感知，從而判斷人員的活動(dòng)情況。 Wahl[5]等人通過(guò)對(duì)PIR 傳感器的定位對(duì)整個(gè)辦公樓進(jìn)行監(jiān)測(cè)， 識(shí)別出室內(nèi)人員的進(jìn)出情況， 進(jìn)而得出室內(nèi)人數(shù)。 這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)是可以精準(zhǔn)得知室內(nèi)有人與否的情況， 而且PIR傳感器的成本較低， 測(cè)量方便。 其缺點(diǎn)在于計(jì)算誤差較大。 由于PIR 傳感器主要是通過(guò)輻射熱能進(jìn)行感知，當(dāng)人員距離傳感器較遠(yuǎn)或傳感器被其他物體遮擋時(shí)便無(wú)法準(zhǔn)確得出結(jié)果，容易做出錯(cuò)誤的判斷。

1.4 Wi-Fi 信號(hào)測(cè)量法

Wi-Fi 信號(hào)測(cè)量法是利用室內(nèi)人員連接Wi-Fi的情況得出人員數(shù)量，Wang[6]等人通過(guò)WiFi 信號(hào)強(qiáng)度建立事件觸發(fā)器與Wi-Fi 探針檢測(cè)信號(hào)，對(duì)某大型會(huì)議室的人員在室數(shù)量進(jìn)行檢測(cè)，與傳統(tǒng)方式相比檢測(cè)精準(zhǔn)度明顯提高。 這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以利用現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行測(cè)算，不需要添加其他試驗(yàn)器材。 缺點(diǎn)在于存在一人擁有多臺(tái)移動(dòng)設(shè)備以及設(shè)備低電量關(guān)機(jī)的情況，故而存在遺漏的情況，無(wú)法精確反映室內(nèi)的人數(shù)。

1.5 超聲波測(cè)量法

超聲波測(cè)量法是通過(guò)超聲波傳感器感知區(qū)域內(nèi)超聲波密度變化，從而獲得室內(nèi)人員的位置和在室狀態(tài)。 該方法基于多普勒效應(yīng)，人員靠近傳感器時(shí)頻率增加，遠(yuǎn)離時(shí)則頻率減小。 Tarzia[7]等人利用超聲波傳感器，通過(guò)傳感器主動(dòng)發(fā)射超聲波并接收反射回的超聲波判斷超聲信號(hào)密度變化，得到人員在室狀態(tài)及在室位置。 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是超聲波不受障礙物阻擋，可以相對(duì)準(zhǔn)確獲得室內(nèi)人員的信息情況， 缺點(diǎn)在于超聲波容易受到其他聲波的干擾，將室內(nèi)其他設(shè)備產(chǎn)生的聲波錯(cuò)誤的識(shí)別為人員，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果存在較大誤差。

2 間接參數(shù)測(cè)量法

間接參數(shù)測(cè)量法是利用與室內(nèi)人員間接相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。 主要包括室內(nèi)環(huán)境參數(shù)測(cè)量法和建筑能耗測(cè)量法。

2.1 室內(nèi)環(huán)境參數(shù)測(cè)量法

這種方法是通過(guò)測(cè)量室內(nèi)環(huán)境參數(shù)變化來(lái)關(guān)聯(lián)室內(nèi)人員情況，通常使用溫濕度傳感器及二氧化碳傳感器，測(cè)得室內(nèi)溫度、濕度、二氧化碳濃度進(jìn)行計(jì)算，從而得出室內(nèi)人員數(shù)量。Chen[8]等人通過(guò)試驗(yàn)房間的溫度、濕度、二氧化碳濃度等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)變化，計(jì)算出辦公室在室人數(shù)范圍和在室狀態(tài)。 Candanedo[9]等人在房間各點(diǎn)放置溫濕度傳感器及二氧化碳傳感器，根據(jù)各個(gè)點(diǎn)位測(cè)得的溫度、濕度、二氧化碳濃度數(shù)據(jù)，使用線性判別分析、決策樹(shù)、隨機(jī)森林三種算法分別測(cè)算室內(nèi)人員的在室狀態(tài)。 這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)是不與人員直接接觸，從而保障了用戶的隱私不受侵犯。 其缺點(diǎn)在于環(huán)境參數(shù)的采集具有一定的延遲，無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確地反映室內(nèi)實(shí)時(shí)的人員情況，而且二氧化碳的濃度易受門窗開(kāi)啟等因素影響，難以得出準(zhǔn)確的結(jié)果。

2.2 建筑能耗測(cè)量法

這種方法是通過(guò)用戶的電表測(cè)量室內(nèi)電器的使用功率從而得出室內(nèi)的人員情況。Kleiminger[10]等人對(duì)整幢居民樓的電表使用情況進(jìn)行調(diào)查，利用所獲數(shù)據(jù)計(jì)算出樓內(nèi)人員的在室情況。 這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以直接利用已有的設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，無(wú)須增加其他的測(cè)量設(shè)備，可以有效地節(jié)約成本。 且測(cè)量過(guò)程不接觸人員，不涉及用戶的隱私。 缺點(diǎn)在于無(wú)法對(duì)不使用電的用戶進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，測(cè)量所得結(jié)果的準(zhǔn)確度較低。

3 結(jié)語(yǔ)

文章通過(guò)對(duì)不同的人員在室測(cè)量方法進(jìn)行分析，將各種測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。 目前來(lái)看，建筑人員在室情況的測(cè)量方法、測(cè)量設(shè)備等方面的發(fā)展已經(jīng)相對(duì)比較成熟，但怎樣根據(jù)各種測(cè)量方式的優(yōu)點(diǎn)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合卻很少提及。 人員在室檢測(cè)方法和空調(diào)系統(tǒng)控制結(jié)合的方向上依然具有很大的發(fā)展空間，比如紅外線測(cè)量法可以確定室內(nèi)人員是否存在，當(dāng)室內(nèi)沒(méi)有人時(shí)空調(diào)系統(tǒng)就可以停止運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能的目的。 而多種測(cè)量方式結(jié)合應(yīng)用可以有效地降低測(cè)量誤差，比如紅外線測(cè)量和室內(nèi)環(huán)境參數(shù)測(cè)量法結(jié)合使用，利用兩者各自的優(yōu)點(diǎn)，既保證了即時(shí)性又實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定性，這也是一個(gè)非常值得研究的方向。