TIc 2011 - case LightBulbs

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Факультет инноватики
Курс: «Теория инноваций»
Многокритериальный анализ
Проект
«Выбор искусственного источника света»
Автор проекта:
Савина И.Я, группа 4221/2, ФИ
Преподаватель:
Бобылев Н.Г., доц. каф. ТОИ, ФИ
Санкт-Петербург
2011г.
Оглавление
Краткая информация о проекте / Project summary ............................................... 3
Контактная информация / Contact information ..................................................... 4
Постановка задачи многокритериального анализа / Formulation of the problem
of multi-criteria analysis .......................................................................................... 4
Цель / Goal................................................................................................................ 7
Критерии / Criteria ................................................................................................... 7
Альтернативные решения / Alternatives ................................................................ 9
Программное обеспечение / Software.................................................................. 10
Описание модели / Model description .................................................................. 11
Анализ чувствительности / Sensitivity analysis .................................................. 15
Анализ результатов проекта / Results & Discussion ........................................... 17
Список литературы / List of references ................................................................ 18
2
Краткая информация о проекте / Project summary
Название
Title
Выбор искусственного источника света для
квартиры
The choice of light source for living quarters
Описание задачи
Problem description
Выбрать наилучший источник освещения
квартиры с точки зрения потребителя
энергии
Choose the best lighting source of living
quarters in terms of consumer energy
Математический инструмент
Метод Анализа Иерархий (МАИ)
Mathematical tool
Analytic Hierarchy Process (AHP)
Программное обеспечение
Super Decisions
Software
http://www.superdecisions.com/
Количество альтернатив
6
Number of alternatives
Количество критериев
7
Number of criteria
Количество итераций
1
Number of iterations
Основной результат
Main result
Самый выгодный искусственный источник
освещения жилого помещения
The most profitable artificial lighting source of
living quarters
Возможный заказчик
Любой потребитель энергии
Potential clients
Any consumer of energy
3
Контактная информация / Contact information
Автор / Author
Савина Ирина Яковлевна /
E-mail: iriwamelnikova@gmail.com
Savina Irina Jakovlevna
Преподаватель / Lecturer
Доц. Бобылев Николай Геннадьевич / E-mail: nikolaibobylev@daadalumni.de
Bobylev Nikolaj Gennad'evich, Ph. D.
Автор согласен с использованием проекта в учебных и научных целях.
The author agrees to make the project available for educational and scientific
purposes.
Постановка задачи многокритериального анализа /
Formulation of the problem of multi-criteria analysis
Когда солнце садится, на помощь человеку приходит искусственное
освещение. Самым первым из используемых людьми в своей деятельности
источником света был огонь (пламя) костра. С течением времени появились
свечи, факелы и различные виды ламп.
Долгое время для искусственного освещения жилья применялись
исключительно лампы накаливания - тепловой источник света, спектр
которого отличается от дневного света преобладанием желтого и красного
излучения и полным отсутствием ультрафиолета.
Лампы накаливания неэффективны, их коэффициент полезного
действия составляет 2-6%, а срок службы весьма невелик - около 1 000 часов.
С этими лампами невозможно добиться высокого технического уровня
освещения. Поэтому вполне объяснимо появление люминесцентных ламп разрядного источника света, у которого светоотдача в 5-10 раз больше, чем у
лампы накаливания, а срок службы больше в 8-15 раз.
4
Несмотря на высокую стоимость, в последнее время все большую
популярность
приобретают
компактные
люминесцентные,
или
энергосберегающие, лампы. Но у них есть и ряд недостатков. Один из них –
чувствительность к прерывистому циклу, то есть включению-выключению.
Частая коммутация значительно сокращает срок службы лампы.
Предпочтительно постоянное включение или редкая коммутация, что не
всегда удобно, например, в быту.
Кроме стандартных ламп накаливания и люминесцентных,
энергосберегающих на рынке представлены другие варианты искусственных
источников света. Поэтому я посчитала вопрос выбора источника освещения
жилого помещения достаточно актуальным на сегодняшний день.
Ниже приведена сравнительная характеристика рассматриваемых в
данной задачи источников света по их основным параметрам.
When the sun goes down artificial light comes to the aid of mankind. The
very first of the men used light source was a fire (flame). As the time flows
candles, torches and various kinds of lamps were invented.
For a long time incandescent bulbs only have been used which is a thermal
light source whose spectrum differs from daylight with predominance of yellow
and red emission and the complete absence of UV light.
Incandescent bulbs' efficiency is only 2-6% and the lifetime is about 1000
hours. These lamps cannot achieve a high technical level of illumination. It is
therefore quite understandable occurrence of fluorescent lamps - the discharge
light source whose light output is 5-10 times higher than incandescent lamps as
well as the lifetime which 8-15 times higher.
Despite the high cost compact fluorescent lamps (or energy saving lamps) in
recent years become increasingly popular. But they have some drawbacks. One of
them is sensitivity to intermittent cycle, i.e. on-off switch. Frequent switching
significantly reduces the lamp life. Preferably, the constant or rare switching on but
it is not always convenient, for example, at home.
In addition to standard incandescent, fluorescent and energy-efficient there
are other options for artificial light sources which are presented on the market. So
choosing artificial light source for living quarters is an issue today.
Below is a comparative analysis of a few kinds of light sources based on their
parameters.
5
Таблица 1.Технические характеристики типовых источников света
Table 1. Technical characteristics of typical light sources
Световая отдача,
Люмен/Ватт
Лампа
накаливания
Люминесцент
ная лампа
Светодиод
Газоразряд
ная лампа
Галогенная
лампа
Incandescent
light bulb
Fluorescent
lamp
LED, Lightemitting
diode
10-15
60-100
100
Свеча
Gasdischarge
lamp
Halogen
lamp
60-120
40-110
10-30
0,3
80-100
75-85
20-85
99-100
100
2400-2700
2700-6500
2300-8200
3000-6000
2800-4200
12001800
2-5
8-20
30-90
10-30
1-3
0,04
1000-2000
2000-20000
25000-60000
3000-20000
2000-4000
0,3-20
Высокая
Высокая
Отсутствует
Высокая
Высокая
Отсут
ствует
5-15
100-500
150-800
100-500
15-500
10-300
Candle
Luminous
efficiency, lm/w
Цветопередача,
(Ra)
Color
reproduction, (Ra)
Цветовая
температура, К
Color
temperature,K
КПД %
Efficiency, %
Средний срок
службы, час.
Average life, h
Чувствительность
к частым
включениям
Sensitivity to the
frequent inclusion
Цена, руб.
Price, rub
6
Цель / Goal
Целью решения данной задачи является выбор самого выгодного
искусственного источника освещения жилого помещения с точки зрения
потребителя.
The purpose of solution this problem is the choice of light source for living
quarters in terms of consumer energy.
Критерии / Criteria
Перечень критериев, рассматриваемых в данной задаче, и краткое их
описание представлено в таблице 2.
The list of criteria considered in this task and a brief description is given in
Table 2.
Таблица 2. Описание критериев
Table 2. Criteria description
Название, рус.
Название, англ.
Краткое описание
Световая отдача,
Люмен/Ватт
Luminous
efficiency, lm/w
Световая отдача источника света — отношение
излучаемого источником светового потока к
потребляемой им мощности. Служит
характеристикой источников как таковых и их
экономичности, показывая какое количество
затраченной энергии переходит в тепло или какиелибо другие виды энергии кроме
электромагнитной.
Цветопередача,
(Ra)
Color
reproduction,
(Ra)
Индекс цветопередачи (коэффициент
цветопередачи, CRI) — параметр,
характеризующий уровень соответствия
естественного цвета тела видимому (кажущемуся)
цвету этого тела при освещении его данным
источником света. Ra - индекс для внутренних
помещений должен быть выше 80, а для хорошей
цветопередачи - выше 90. Максимальная величина
индекса цветопередачи принимается как 100
7
Цветовая
температура, К
Color
temperature,K
Цветовая температура (спектрофотометрическая
или колориметрическая температура; обозначается
Тс) — характеристика хода интенсивности
излучения источника света как функции длины
волны в оптическом диапазоне. Согласно формуле
Планка цветовая температура определяется как
температура абсолютно черного цвета, при
которой оно испускает излучение того же
цветового тона, что и рассматриваемое излучение.
Измеряется в кельвинах и миредах. Цветовая
температура варьрируется от 2000К до 7400К.
Температура 3500-4000K считается как
нейтрально белая. Цветовая температура ниже
3500К считается теплой, а выше 4000К –
холодной.
КПД, %
Efficiency, %
Коэффициент полезного действия (КПД) —
характеристика эффективности системы в
отношении преобразования или передачи энергии.
Определяется отношением полезно
использованной энергии к суммарному количеству
энергии, полученному системой. Обозначается
обычно η. Является безразмерной величиной и
часто измеряется в процентах.
Средний срок
службы, час.
Average life, h
Средний срок службы источника света.
Измеряется в количестве часов горения.
Чувствительность
к частым
включениям
Sensitivity to the
frequent inclusion
Чувствительность лампы к частым включениям и
выключениям.
Цена, руб.
Price, rub
Средняя стоимость лампы.
8
Альтернативные решения / Alternatives
Сейчас на рынке представлен большой выбор искусственных
источников света. Но не все из них можно применять в жилых помещениях.
Поэтому я выбрала 4 самых популярных на сегодняшний день вида ламп:
 лампа накаливания,
 люминесцентная лампа,
 светодиодная лампа,
 галогенная лампа.
Кроме того, я решила включить в рассмотрение ещё один вид ламп,
который используется в основном в декоративном наружном освещений,
магазинах и офисах. Это газоразрядная лампа, а именно металлогалогенная,
натриевая и ртутные лампы.
И, наконец, для того, чтобы получить полную картину возможных
источников освещения, в качестве последнего альтернативного решения я
выбрала обыкновенную свечу.
Currently, wide selection of artificial light sources is presented on the market.
But only few of them can be used in the living quarters.
That's why I chose 4 most popular kinds of lamp:
 Incandescent light bulb;
 Fluorescent lamp;
 LED, Light-emitting diode;
 Halogen lamp.
Moreover, I decided to consider another kind of lamp which is usually used
as decorative outdoor lighting and indoor lighting of shops and offices. It is gasdischarge lamp, specifically sodium- and mercury-vapor lamps.
Finally, to get a full picture, a candle is considered as an alternative solution.
9
Программное обеспечение / Software
Для решения задачи многокритериального анализа я использовала
программное обеспечение Super Decisions. Эта программа реализована на
основе метода анализа сетей (Analytic Network Process, ANP), разработанного
профессором Томасом Саати. Super Decisions расширяет метод анализа
иерархий (МАИ), который использует те же фундаментальные понятия,
основанные на расстановке приоритетов с помощью суждений экспертов. В
МАИ элементы расположены в иерархической структуре, в то время как ANP
использует один или несколько плоских сетей кластеров, содержащих
элементы. Большинство методов принятия решений допускают
независимость между критериями принятия решений и альтернатив этих
решений. ANP не ограничивается такими предположениями.
Метод анализа сетей был опубликован в первой книге Томаса Саати по
принятию решений – «Метод анализа иерархий». В 2001 году вышла книга
по методу анализа сетей под названием «Метод анализа сетей: принятие
решений с зависимостью и обратной связью».
The Super Decisions software is used for decision-making with dependence
and feedback (it implements the Analytic Network Process, ANP, developed by
Thomas L. Saaty). Such problems often occur in real life. Super Decisions extends
the Analytic Hierarchy Process (AHP) that uses the same fundamental
prioritization process based on deriving priorities through judgments on pairs of
elements or from direct measurements. In the AHP the elements are arranged in a
hierarchic decision structure while the ANP uses one or more flat networks of
clusters that contain the elements. Most decision-making methods assume
independence between the criteria of a decision and the alternatives of that
decision, or simply among the criteria or among the alternatives themselves. The
ANP is not limited by such assumptions. It allows for all possible and potential
dependencies.
The ANP was briefly introduced in Saaty’s first book on decision making,
The Analytic Hierarchy Process. There is now a book on the Analytic Network
Process (new edition 2001) by Saaty, The Analytic Network Process: Decision
Making with Dependence and Feedback. It is available from RWS Publications,
4922 Ellsworth Avenue, Pittsburgh, PA 15213; Telephone: 412-414-5984; Fax:
412-681-4510.
http://www.superdecisions.com/
10
Описание модели / Model description
На рис.1 представлена главная схема задачи. Она включает в себя цель,
перечень критериев, возможные альтернативы и связи между каждым узлом
соответствующих кластеров.
Figure 1 shows the main scheme of the task. It includes goal, criteria list,
alternatives and connections between each node of the clusters.
Рис. 1. Главная схема задачи (цель, критерии, альтернативы)
Fig.1. The main scheme of the task (goal, criteria, alternatives)
На рис.2 представлены весовые коэффициенты критериев. Так,
например, весовой коэффициент критерия «Цена» составляет примерно 0,39
по сравнению со всеми другими критериями.
Figure 2 shows priorities of criteria. For example, priority of Price is 0.39
compared to the other criteria in its cluster.
11
Рис. 2. Весовые коэффициенты критериев
Fig. 2. Priorities of criteria
На рис.3 приведен результат попарного сравнения альтернатив по
критерию «Световая отдача». Так, например, световая отдача
люминесцентной лампы значительно превышает световую отдачу лампы
накаливания (на шкале сравнений поставлено 7 баллов). В подтверждение
этой и всех остальных оценок может служить таблица технических
характеристик рассматриваемых альтернатив, приведенная выше.
Figure 3 shows the result of pairwise comparison of alternatives on the
criteria of Luminous efficiency. For example, the luminous efficiency of
fluorescent lamp is extremely more important than incandescent light bulb (7
points delivered on the scale comparisons). In support of this and all other ratings
is a table of technical characteristics of the alternatives considered above.
12
Рис. 3. Сравнительные оценки искусственных источников света по одному из
критериев (Световая отдача)
Fig. 3. Comparative evaluation of artificial light source on one of the criteria
(Luminous efficiency)
Окончательный результат попарных сравнений представлен на рис.4.
Отсюда следует, что победителем становится альтернатива №3 – светодиод.
Таким образом, окончательная ранжировка альтернатив имеет следующий
вид:
1. Светодиод;
2. Люминесцентная лампа;
3. Лампа накаливания;
4. Свеча;
5. Галогенная лампа;
6. Газоразрядная лампа.
13
The final result of pairwise comparison is shown in Figure 4. This implies that
the winner is the alternative number 3 – LED. Thus, the final ranking of
alternatives is as follow:
1. LED;
2. Fluorescent lamp;
3. Incandescent light bulb;
4. Candle;
5. Halogen lamp;
6. Gas – discharge lamp.
Рис. 4. Окончательная ранжировка искусственных источников света
Fig. 4. The final ranking of artificial light source
14
Анализ чувствительности / Sensitivity analysis
Для определения влияния каждого из критериев модели на
оптимальное решение задачи,
проведен анализ чувствительности. В
результате
анализа,
проведенного
с
использованием
критерия
"цветопередача", видно, что если приоритет для критерия меньше 50%, то
оптимальным решением будет альтернатива №3 – светодиод, если приоритет
находится в диапазоне от 50 до 67%, то оптимальное решение – альтернатива
№1 – лампа накаливания, а если больше 67%, то альтернатива №5 –
галогенная лампа (см. рис. 5.1 и 5.2). Таким образом, критерий
«Цветопередача» играет большую роль в определении оптимального
решения данной задачи.
Sensitivity analysis has been performed for determining the influence of the
model criteria to the problem solution. As a result of analysis with color
reproduction criterion one can see that if the priority of the criterion is less than
50% than optimal solution is an alternative №3 (LED); if the priority is between 50
and 67% than the optimal solution is №1 (incandescent light bulb) and if it is more
than 67% than number 5 is optimal (halogen lamp) (see fig. 5.1 and 5.2).
Therefore, color reproduction criterion plays important role in determining optimal
solution.
Рис. 5.1. Анализ чувствительности
по критерию «Цветопередача» = 20%
Fig. 5.1. Sensitivity analysis
at Color Reproduction = 20%
15
Рис.5.2. Анализ чувствительности по
критерию «Цветопередача» = 61%
Fig. 5.2. Sensitivity analysis at Color
Reproduction = 61%
Рис.5.3. Анализ чувствительности по
критерию «Цветопередача» = 82%
Fig. 5.3. Sensitivity analysis at Color
Reproduction = 82%
16
Анализ результатов проекта / Results & Discussion
В результате выполнения данного проекта была решена задача
многокритериального анализа, целью которой был выбор самого выгодного
искусственного источника освещения жилого помещения. Таковой оказалась
светодиодная лампа. Второе место заняли популярные на сегодняшний день
люминесцентные лампы. С небольшим отрывом от них идут «родные и
незаменимые» лампы накаливания. Как это ни странно, но вслед за ними
следует обыкновенная свеча. Предпоследнее место заняли галогенные
лампочки. Ну и наконец, хуже всех для освещения жилого помещения
оказались газоразрядные лампы, которые в этих целях итак не используются.
Таким образом, проведенный анализ подтвердил сложившуюся на
сегодняшний день ситуацию на рынке искусственных источников
освещения. По мнению большинства специалистов, будущее освещение – за
лампами и светильниками на светодиодах. На данный момент они ещё не так
востребованы на рынке, как люминесцентные лампы или лампы
накаливания, и в основном применяются в архитектурном, ландшафтном и
декоративном освещении.
С повсеместным распространением светодиодных, энергосберегающих
и других ламп, проблема выбора источника освещения коснулась каждого
потребителя энергии. Поэтому, я думаю, результаты проделанных мною
работ могут оказаться полезными для любого современного человека.
As a result of this project, multicriteria analysis problem has been solved,
the aim of which is to find the most profitable lighting source for living quarters. It
has been shown that LED is the best choice. The second place went to fluorescent
lamps which are popular today, though incandescent lamps are very close to them.
It may look strange that candle is very close to incandescent lamp. The penultimate
place was taken by halogen lamp. Finally, the worst lighting of premises were gasdischarge lamps, which not used for this purpose anyway.
Therefore, this analysis confirmed the current date on the situation in the
market of artificial light sources. According to most experts, the future lighting
source is LED. At the moment they are not in demand in the market as a
fluorescent or incandescent lams, and are mainly used in architectural, landscape
and decorative lighting.
Due to the rapid spread of the LED, energy saving lamps and other, the
problem of selection of the light source has touched every consumer of energy. So,
I think the results of this work may be useful for any modern man.
17
Список литературы / List of references
1. http://www.superdecisions.com/ Сайт программы Super Decisions для
принятия решений / Website of Super Decisions Software for Decision-Making
2. http://ru.wikipedia.org Википедия / Wikipedia
3. http://www.asveta.net/ Энциклопедия света / Encyclopedia of light
4. http://www.svet-consulting.ru/ Компания «Свет Консалтинг» / Svet Consulting
company
5. http://www.expertunion.ru/ Светотехническое сообщество ЭкспертЮнион /
Lighting community ExpertUnion
6. http://www.electrotok.ru/ Сайт электромонтажной компании Электроток / Site
wiring company Electrotok
7. http://www.tepsvet.ru Сайт компании оптово розничной продажи
энергосберегающих ламп «Теплый Свет» / Website of the wholesale retail
sales of energy saving lams “Warm Light”
18