Použití umělé inteligence pro návrh optiky svítidla veřejného osvětlení
Mgr. Zuzana Drázdová | SATHEA VISION s. r. o. | https://sathea.cz
Vývoj optické části pro svítidlo je zdlouhavý a náročný proces. Bylo by možné celý postup automatizovat pomocí moderních postupů tak, aby výsledek splnil všechny požadavky a zároveň se ušetřil čas a náklady na opakované vytváření prototypů a testování? Ve své diplomové práci s názvem Evoluční algoritmy pro návrh optické části svítidla se tomuto tématu věnovala studentka oboru Umělá inteligence na Matematicko-fyzikální fakultě Univerzity Karlovy. Cílem bylo vyvinout počítačový program, který bude do velké míry autonomně navrhovat optickou část pro svítidla veřejného osvětlení. Proces automatizovaného návrhu optiky zde bude stručně představen.
Obr. 1. Soustava veřejného osvětlení v Zooparku v Chomutově
Při navrhování optické části pro svítidlo je nutné brát v potaz mnoho různých požadavků, zjednodušeně od rovnoměrného osvětlení komunikace pod svítidlem až po efektivitu celého zařízení. Každou navrženou optiku je třeba vyrobit a otestovat, aby bylo možné zhodnotit, jak podle všech kritérií obstojí. Tento postup je časově i finančně náročný, výsledek vývoje je navíc často velmi nejistý. Jakožto studentce informatiky mi to přišlo neefektivní a zastaralé v době, kdy počítače mohou nejen vyhodnotit stovky modelů během několika málo minut, ale jsou i schopny optickou část rovnou samy navrhovat. Proto jsme se s vývojáři svítidel ze společnosti SATHEA VISION s. r. o. rozhodli spolupracovat, abychom společně představili úplně nový přístup k návrhu optiky.
Zabývali jsme se návrhem reflektorové optiky pro LED svítidla. Ta je tvořena z postříbřeného hliníkového plechu s velmi vysokým činitelem odrazu (výrobce ALANOD GmbH & Co. KG). Kolem každé elektroluminiscenční diody je umístěno několik odrazných plošek, které směrují světelné paprsky. Cílem bylo pomocí přístupu inspirovaného evolucí navrhnout tvar a rozměry jednotlivých odrazných ploch tak, aby svítidlo s danou optikou dosahovalo co nejlepších výsledků při použití v praxi.
Evoluční algoritmy
Evoluční přístup je jednou z technik řešení problémů, které spadají do oboru umělé inteligence. Algoritmy jsou inspirované evolucí a mechanismem přirozeného výběru. Podobně jako v přírodě mezi sebou jedinci soupeří o zdroje, a do další generace se tak dostanou jen potomci těch nejlepších, v evolučních algoritmech pracujeme s množinou různých kandidátů a snažíme se pomocí genetických operací a mechanismů selekce vyvinout co nejvhodnější řešení pro zadaný problém.
V našem případě jsme pracovali s populací, která se skládala z různých variant optiky pro dané svítidlo. Na počátku jsme náhodně vygenerovali první generaci. To znamená, že u každého jedince v ní se kolem jednotlivých diod umístily odrazné plošky různých rozměrů, které svíraly různé úhly se základnou, na které je LED umístěna (obr. 2). Poté jsme v průběhu několika set generací aplikovali různé operace, které jednotlivé návrhy modifikovaly a kombinovaly dohromady. Příkladem genetické operace je crossover (křížení) (obr. 3).
Obr. 2. Náhodné generování reflektorové optiky
Obr. 3. Crossover (křížení) dvou reflektorků, Obr. 4. Svítidlo Satheon L
Zatímco zde na ilustracích je jen několik zjednodušených příkladů, při vývoji se pracuje se stovkami variant. Všechny návrhy jsme průběžně hodnotili podle požadavků a do dalších generací jsme vždy brali ty nejslibnější jedince. Požadavky na optiku byly shrnuty do tří základních kritérií: efektivita, redukce rušivého světla a v tomto případě co největší rovnoměrnost osvětlení na komunikaci třídy P pod svítidlem. Při výpočtech se berou v potaz dvě na sebe kolmé roviny proložené svítidlem – napříč komunikací a podél komunikace.
Evoluce komponent
Při navrhování komponent pro průmyslové nebo vědecké použití byly evoluční algoritmy už v minulosti úspěšně použity. Například NASA je využila pro návrh antény pro misi ST5. Anténa zkonstruovaná podle návrhu vytvořeného evolucí dosáhla v testování mnohem lepších výsledků než zařízení navržené tradičními postupy a byla při misi použita jako první počítačem vyvinuté zařízení ve vesmíru.
Program na vývoj optiky byl napsaný univerzálně, a lze jej proto použít jak na vylepšení optiky pro už existující svítidlo, tak pro navržení úplně nového řešení. Kvalitu a použitelnost našeho postupu jsme vyzkoušeli na svítidle Satheon L od výrobce SATHEA VISION s. r. o. (obr. 4), kde jsme vzali již existující konstrukci a pro ni jsme navrhli novou optickou část.
Do parametrů programu jsme zadali údaje o počtu LED ve svítidle a jejich vlastnostech i přímo rozměry svítidla. Další potřebné údaje zahrnovaly např. výšku, v jaké svítidlo bude, šířku komunikace nebo rozteč mezi svítidly. Při výpočtech se pracuje s paprsky, které z LED vycházejí, a jsou simulovány jejich odrazy od reflektorku (obr. 5 a obr. 6). Na základě toho se vypočítává intenzita, s jakou jednotlivé paprsky dopadají na komunikaci, a zjišťuje se, jak svítidlo s danou optikou splňuje stanovené požadavky.
Obr. 5. Vizualizace směrování paprsků ze svítidla – průřez svítidlem
Obr. 6. Vizualizace směrování paprsků ze svítidla
Podle programem vygenerovaných hodnot pro rozměry a tvar reflektorků jsme následně na stroji CNC vyrobili výřez z odrazného plechu. Ten jsme ohnuli do požadovaného tvaru na formách, které byly také vyřezané na strojích CNC, aby bylo dosaženo co nejpřesnějších výsledků (obr. 7).
Vyrobený reflektorek byl namontován do svítidla (obr. 8), jehož optika byla následně změřena jednoosým goniofotometrem. Je evidentní, že výsledek (obr. 9) není symetrický. Domníváme se, že tento problém byl způsoben nedostatečným upevněním reflektorků ve svítidle. Navržená optika a její vlastnosti byly konzultovány s dalšími profesionály z oboru světelné techniky. Při vyhodnocení jsme se zaměřili hlavně na rovnoměrnost osvětlení podél komunikace. Přestože měla vyrobená optika několik nedostatků, byla hodnocena vcelku pozitivně, obzvlášť s ohledem na to, že to byl teprve první prototyp vzniklý úplně novým postupem a navržený pouze počítačovým programem.
Obr. 7. Ohýbání reflektorku podle forem vyrobených na míru, Obr. 8. Vyrobené reflektorky namontované do svítidla Satheon L
Obr. 9. Výsledek měření optiky na goniofotometru
Při práci na automatizovaném vývoji optiky jsme se potýkali s různými problémy. Úskalí plynula např. z nedostatečně exaktní specifikace zadání. U cíle, který spojuje tak moc odlišná odvětví jako evoluční algoritmy a veřejné osvětlení, je naprosto klíčová úzká spolupráce mezi programátory a světelnými techniky. Navrhnout celý evoluční algoritmus tak, aby věrně reprezentoval vývoj reálné komponenty, je totiž velmi složité. Když se celý program navrhne dobře, lze jej využít k urychlení a zefektivnění vývoje. Algoritmy navíc nejsou zatížené běžným přístupem k daným úkolům, a vytvářejí tudíž úplně nové koncepty.
Další výzvou byla výroba navržené komponenty (obr. 10). Při ní vznikají nepřesnosti a do budoucna by bylo dobré s tím počítat již při navrhování programů na automatizovaný vývoj. Obdobně je také třeba si předem rozmyslet, jak se bude komponenta upevňovat do zařízení, brát na to ohled a pomocí parametrů vhodně omezit maximální rozměry komponenty.
Obr. 10. Autorka vyrábí prototyp svítidla s novou optikou
Závěr
Automatizovaný návrh optiky pro svítidla veřejného osvětlení je první experiment svého druhu. Při vývoji jsme narazili na mnoho problémů a vidíme, že do budoucna je zde ještě hodně prostoru, jak celý proces vylepšit. Nicméně celkově šlo o zdařilý pokus. Využití automatizace při vypracovávání návrhu průmyslových komponent má velký potenciál. V současné době je tradiční proces návrhu nové komponenty časově i finančně náročný. Se stále rostoucí rolí automatizace ve všech odvětvích je jen otázkou času, než se začne více projevovat i v návrhu komponent pro svítidla.