Светодиодная революция.
Этапы развития и стадии признания
Стремление человека приподнять завесу грядущего и предвидеть
ход событий имеет такую же длинную историю,
как и его попытки понять окружающий мир.
Н. Д. Кондратьев (1892–1938).
Большие циклы конъюнктуры и теория предвидения
Историко-философский экскурс
Кризис — это предельная область борьбы,
которая… если выигрывается, то создает
предпосылки для следующего этапа развития.
С. Б. Переслегин
Как уже неоднократно было замечено, текущая светотехническая революция, являющаяся важной составляющей перехода к следующему глобальному технологическому укладу, еще недавно весьма степенно перетекала от одного этапа своего развития к другому. Первоначально казалось, что происходит рутинная для всех предыдущих светотехнических революций замена одного источника света на другой — инновационный, более дорогой, но и более эффективный. В действительности же, как было показано в [1], такая простейшая «заменная» идеология стала характерной лишь для первого этапа революции, обозначившего начало инновационного перехода к новому светодиодному светотехническому укладу. Коренным вопросом первой стадии этой светотехнической революции была массовая замена устаревающих газоразрядных источников света и уже устаревших ламп накаливания на светодиоды, что дало существенную экономию электроэнергии и улучшило ряд эксплуатационных характеристик (надежность, долговечность, спектр излучения, комфортность и др.).
Одновременно с началом масштабного внедрения светодиодных светильников, и во многом неожиданно, выяснилось, что попытки введения управления светом, предпринятые во время предыдущего (газоразрядного) уклада и в целом там не оправдавшиеся, стали находить благодатную почву в светодиодном освещении. Этому способствовал ряд факторов. Первый из них и довольно очевидный — светодиодные светильники оснащаются, как правило, управляемыми источниками (преобразователями) питания, так называемыми драйверами, которые превращают электроэнергию с переменным напряжением в необходимую светодиодам энергию со стабилизированным постоянным током. Второй — появилось множество вариантов беспроводной и проводной связи для управления светильниками в рамках идеологии «Интернета вещей» (Internet of Things, IoT). И третий, гораздо менее очевидный фактор — при диммировании (управлении световым потоком) эффективность светодиодов, в отличие от всех ранее известных источников света, существенно возрастает с сопутствующим уменьшением их неизбежной деградации.
В результате светодиодная революция постепенно стала переходить ко второму этапу, на котором ставятся вопросы внедрения энергосберегающих (цифровых) технологий управления светодиодными светильниками, позволяющих не только дополнительно уменьшить энергопотребление и увеличить срок службы светильников, но и, что становится весьма немаловажным, повысить информативность обслуживания.
В это же время стремительно развивающаяся всемирная цифровизация весьма отчетливо высветила признаки следующего, третьего этапа светотехнической революции, основным трендом которого становится системная оптимизация и интеграция с другими управляемыми объектами (датчиками, исполнительными устройствами, информационными табло и пр.), что позволит, базируясь на системах управляемого освещения, создавать не только комфортную световую среду, но и «умные дома», «умные предприятия», «умные поселки» и «умные города». Эти грядущие тотальные изменения подвигают нас к необходимости возможно более полного анализа инфраструктуры последующих информационных и управляющих систем, которые так или иначе будут связаны с системами «умного» освещения, при этом во главе угла должна стоять задача оптимизации всех составляющих и систем в целом.
В то же время ретроспективный анализ показывает, что история предыдущих светотехнических революций проходила по аналогичным многостадийным сценариям, часть из которых уже была описана в предыдущих публикациях автора [3, 4].
Очевидно, что «подключение» через сети освещения разнородных элементов обширного народного хозяйства в рамках всеобщей цифровизации и станет апофеозом шестого светотехнического уклада, что отчетливо выделяет его на фоне большинства предыдущих пяти укладов. Впрочем, не менее ярким был известный краткий период эпической «войны токов» (War of Currents), сопровождаемый внедрением накального освещения и ярко подсветивший начало всемирной электрификации.
В действительности же термин североамериканских пропагандистов «война токов» в большей степени относится к жесткой конкурентной борьбе на рынке генерации, передачи и использования электроэнергии, бурное развитие которого ознаменовало образование в конце XIX века ядра промышленной революции, поэтапно двигавшей мир от II технологического уклада (угля, пара и черной металлургии) к III технологическому укладу (электроэнергии и тяжелого машиностроения), а затем и к IV укладу углеводородов, цветной металлургии и полимерных материалов.
Возвращаясь к нашему времени, отметим, что прогноз о сущности перехода от V технологического уклада (электроники, реактивного движения, информационных технологий и пр.) к предстоящему, VI укладу первоначально ассоциировался с одним из быстро развивающихся технологических направлений, а в дальнейшем превратился в концепцию НБИК-конвергенции (NBIC-convergence), понимаемой как синергетическое объединение достижений нано-, био-, информационных и когнитивных технологий. Версия многовекторного развития следующего уклада с упором на нанотехнологии, по мнению автора во многом помешала концентрации усилий на развитии рутинной, как многим казалось, информатизации производственных, управляющих и всех прочих процессов, что в рассматриваемой нами области привело к некой заторможенности перехода светодиодного уклада к «умному» освещению.
Представляется, что глубина и ширина впадины, в которую мы активно вовлекаемся перед началом подъема следующей технологической волны Кондратьева, будет определяться не столько мобилизационной готовностью социума к предстоящим изменениям, сколько правильным восприятием начинающегося инновационного процесса, являющегося естественной составной частью восхождения к следующему технологическому укладу.
Очевидно, что выбор направления и содержание инновационного развития будут определяться квалифицированными и видящими конечную цель кадрами, как это было замечено одним отечественным философом в 1935 году, а еще раньше, за 300 лет до нашей эры — греческим философом Диогеном (рис. 2).
О признании инноваций
Понимание вообще не приходит без усилия.
Без усилия приходят только заблуждения.
Понимание же есть сопротивление заблуждениям,
которые навязываются под видом
чего-то само собой разумеющегося.
А. Зиновьев (1922–2006). Коммунизм как реальность
Каждая из стадий предыдущих светотехнических революций, решительно ломающих привычные стереотипы, проходила и соответствующие этапы признания.
В свое время Александр Гумбольдт различал три стадии признания нововведений; сначала — «какая чушь!», затем — «в этом что-то есть», и наконец — «кто же этого не знает!». При этом необходимо понимать, что на любой из стадий инновационный процесс в конкретной технологической области может быть либо остановлен ввиду наступившего прозрения инноваторов (это таки действительно чушь!), либо заторможен ввиду осознания его малой эффективности и весьма больших затрат на реализацию (что наблюдалось, например, при первых попытках внедрения светодиодов), либо выброшен или вытеснен в узкую сферу применения из-за появления более перспективной инновации (что произошло, к примеру, с дуговыми свечами Яблочкова, выдавленными из массового использования лампами накаливания с вольфрамовой нитью и нашедшими применение из-за их высочайшей яркости в прожекторах, а также в кинопроекторах, где они были заменены ксеноновыми лампами в 1960-х годах).
Современная психологическая наука различает уже пять возможных стадий признания неизбежного (что первоначально относилось к восприятию фатальных болезней):
- 1-я стадия — отрицание (отказ принять неизбежность происходящего);
- 2-я стадия — гнев (проявление агрессии к инновационным устремлениям);
- 3-я стадия — торг (попытка договориться о сохранении прежнего состояния);
- 4-я стадия — депрессия (осознание неизбежности происходящего);
- 5-я стадия — принятие (согласие с печальной участью).
Основной причиной такой многостадийности в рассматриваемой нами области является здоровое стремление к сохранению традиционных, проверенных годами методик работы при естественном сопротивлении хайповым инновациям, зачастую приводящим к излишним тратам ограниченных ресурсов, чему, как известно, было множество примеров.
При этом развитие как всей светотехнической революции в целом, так и ее этапов сопровождается последовательным прохождением стадий признания (впрочем, необязательно каждой из них в полной мере). Так, весьма характерным (для автора) проявлением стадий отрицания и гнева была в свое время дискуссия, развернутая после одной из первых публикаций по затрагиваемой теме в журнале «Светотехника» еще в 2010 году [5], завершившаяся полным взаимным непониманием. Характерно, что в то время светодиодная революция находилась еще на зачаточной стадии своего развития.
Представляется, что первейшими задачами современного инноватора являются точная оценка происходящих революционных изменений с привязкой к пониманию этапов развития шестого светотехнического уклада; составление достоверного прогноза дальнейшего хода революции; понимание уровня восприятия событий потенциальными потребителями; постановка правильного диагноза и принятие мер, адекватных этому диагнозу. Важнейший элемент данного процесса — убежденность в неотвратимости революционных изменений светотехнического уклада и в правильности направления проведения изменений, для чего необходимо каждый этап революционных преобразований подкреплять технико-экономическими обоснованиями. Со стороны эксплуатационников хотелось бы видеть консолидированное сообщество, способное осознать свои актуальные нужды и направить изобретательский дух инноваторов по верному пути.
Авторская оценка особенностей этапов светодиодного уклада c прогнозом развития уже была представлена в [3, 4]. Подробнее остановимся на реакции представителей одного из основных потребителей будущих продуктов нового уклада на аспект, не казавшийся значительным. Речь пойдет об организациях, эксплуатирующих и развивающих городское освещение и теме, активно дискутируемой на ряде конференций и совещаний, касающейся постоянно включенного (некоммутируемого) напряжения питания в грядущей «умной» сети освещения. Оказалось, что совершенно естественное для многих разработчиков состояние объектов дистанционного управления, к которым напряжение питания подведено постоянно, что позволяет легко наращивать системы «умного» освещения до систем «умных» городов, вызывает неприятие у эксплуатирующих организаций, привыкших за долгие десятилетия к включению городского освещения путем коммутации напряжения питания линий наружного освещения (НО). И ведь действительно совершенно очевидно, что при переходе на неотключаемое питание произойдет неизбежное увеличение количества случаев поражения электрическим током при нарушениях в изоляции (возникновении утечек), а также при обрывах в подобных «умных» сетях, что в конце концов чревато увеличением числа судебных исков. Важно отметить, что инциденты такого рода касаются не только мелких домашних животных (собак), получающих поражение электрическим током при справлении малой нужды у неисправных опор освещения. В последние годы участились случаи, когда крупные животные — лошади получают электрошок при воздействии шагового напряжения через металлические подковы; последний такой инцидент произошел в Москве, в теплом январе этого года на Малой Никитской, когда на тротуаре вместо сугробов появились лужи, усугубившие инцидент. Встречаются и случаи, когда некоторые граждане, не сознавая опасности оборванных и лежащих на земле линейных проводов, а также кабелей СИП, пытаются к ним приближаться и даже берут их руками, что в условиях повышенной влажности может стать смертельно опасным. Характерно, что разработчики «умных» концепций управления не смогли адекватно ответить на этот внезапный (впрочем, и неточно сформулированный) вызов со стороны потребителя, в результате чего вопрос, повиснув в воздухе, стал для многих эксплуатационников риторическим с очевидным отрицательным ответом.
Представляется, что инноваторы, зачастую увлекаясь красивыми прогрессивными идеями и бросая все силы на их воплощение, не анализируют возможные негативные последствия внедрения инноваций, не имея возможности (или желания?) вникнуть в насущные потребности людей, непосредственно эксплуатирующих современную технику. Эти потребности, во многом связанные с особенностями безопасной эксплуатации, не так-то просто превратить в точные технические требования.
Очевидно, что в складывающейся ситуации преимущество будут получать те разработчики, которые смогут совместить свои инновационные устремления с явными и неявными запросами потребителей и найдут гармоничное решение, которое в итоге повысит качество эксплуатации жизненно важного ресурса освещения. Известная фирма Gartner артикулировала это требование в виде инновационного критерия «совокупное качество владения», СКВ (Total Quality of Ownership, TQO), не раскрывая в полном объеме его сущности, а скорее всего, и не понимая, как его можно формализовать, поскольку в отличие от ранее сформулированного критерия (совокупная стоимость владения, ССВ) под него непросто, а может быть, и невозможно, подложить денежный эквивалент. Согласно отечественным экономическим традициям точнее было бы определить этот инновационный критерий как совокупное качество хозяйствования (СКХ). Конкретные варианты предложений, направленных на оптимизацию СКХ, в том числе и учитывающих необходимость повышения информационной, функциональной и электробезопасности «умных» сетей, будут рассмотрены ниже.
Нашествие «умных» опор
Там лес и дол видений полны;
Там о заре прихлынут волны
На брег песчаный и пустой,
И тридцать витязей прекрасных
Чредой из вод выходят ясных,
И с ними дядька их морской.
А. С. Пушкин. Руслан и Людмила
Тем временем на улицах североатлантических городов начали появляться вереницы «умных» опор освещения, которые в полной мере можно ассоциировать с пушкинскими богатырями, поскольку, кроме их сказочной красоты и стремления осветить каждый темный уголок, за ними закрепляются и охранные функции: видеонаблюдение, контроль дорожного движения, экологический мониторинг, вызов по тревожной кнопке всевозможной помощи, а также транслирование через динамики информации при разнообразных чрезвычайных ситуациях. Кроме этого, в качестве непременного атрибута «умных» опор можно наблюдать всевозможные рекламные табло и даже встроенные зарядные устройства для современных и будущих видов электротранспорта.
Эта вирулентная мода на «умные» опоры довольно быстро переметнулась через Тихий океан и стала бить гейзерами фантазии в проектах дизайнеров восточной школы, кристаллизующихся в причудливых арт-объектах самых разнообразных видов и форм (рис. 3). Небольшая часть этого разнообразия была описана в [4].
Циклы хайпа
Философия позволяет быть готовым
ко всякому повороту судьбы.
Диоген (412–323 до н. э.)
Согласно концепции циклов продвижения хайпа, введенной в оборот уже упомянутой компанией Gartner в 1995 году, каждая технологическая инновация в процессе достижения зрелости проходит несколько этапов. Эту солидную компанию волновала, как ни странно, не только степень интереса к инновационному процессу со стороны общества и специалистов, но и мнения основных действующих лиц — инноваторов, поэтому фазам последовательных нововведений были даны такие определения:
- технологический триггер (technology trigger) — появление инновации, первые публикации о новой технологии;
- пик чрезмерных ожиданий (Peak of Inflated Expectation) — от новой технологии ожидают революционных свойств, она благодаря новизне становится популярной и широко обсуждаемой в сообществе;
- избавление от иллюзий (Trough of Disillusionment) — выявляются недостатки технологии, а утеря новизны не способствует восторженным публикациям, в сообществе отмечается разочарование новой технологией;
- преодоление недостатков (Slope of Enlightenment) — устраняются основные недостатки, интерес к технологии медленно возвращается, она начинает внедряться в коммерческих проектах;
- плато продуктивности (Plateau of Productivity) — наступление зрелости технологии, сообщество воспринимает ее как данность, ясно осознавая ее достоинства и ограничения.
При этом предполагалось, что отнюдь не каждая технология сможет достичь этапа преодоления недостатков, завершив цикл своего развития без перспектив к продуктивному использованию.
Ожидаемые сферы нововведений на третьем этапе светодиодной революции
У прогресса есть недостаток —
время от времени он взрывается.
Э. Канетти (1905–1994)
Особенностью современного этапа технологического светодиодного скачка является то, что для определения правильности направления развития требуетcя углубленная экономическая оценка, которая должна базироваться на критерии СКХ. Не вдаваясь в сложные экономические вопросы, постараемся сделать предположение о тех направлениях прогресса городского НО, которые могли бы дать наибольший вклад в минимизацию суммарных расходов при достижении необходимых качественных показателей. Среди возможных направлений приложения сил инноваторов стоит выделить следующие.
Повышение надежности и живучести
Очевидно, что светодиоды являются весьма надежными элементами со сроком службы, исчисляемым десятками тысяч часов; в то же время характеристики надежности светильников оставляют желать лучшего из-за сложности их драйверов и отсутствия какого-либо резервирования, повышающего живучесть. Кардинальное улучшение характеристик надежности возможно только при существенной модернизации драйверов, о проведении которой речь пойдет ниже.
Уменьшение затрат на обслуживание
Необходимо рассмотреть весь комплекс работ по обслуживанию светильников, включая их периодическую замену при выходе из строя с последующим ремонтом, необходимость частой очистки оптических покрытий, уменьшение использования дорогостоящих подъемников. Ряд таких системных решений, включающих применение складных опор и высоких опор со спускаемыми «коронами» светильников, использование самоочищающихся покрытий, а также перенос драйверов из светильника в нижнюю часть опор, уже нашли свое воплощение.
Охлаждение
До настоящего времени совершенно необходимые для светодиодных светильников радиаторы составляют немалую долю массы светильников. Имеющиеся решения, в том числе более прогрессивные системы охлаждения с тепловыми трубками, ситуацию кардинально не улучшают. Существует запрос на разработку инновационных систем охлаждения, способных обеспечить уменьшение массы светильника, без превышения температуры светодиодов сверх допустимого уровня, которое может привести их к деградации во времени.
Системные вопросы и связь
Постоянно усложняющееся построение современных «умных» светодиодных светильников предполагает наличие в них целого ряда функциональных узлов, включая блок светодиодов, драйвер, связной модем, датчик движения и пр. Очевидно, что наибольшими конкурентными преимуществами будет обладать такой светильник, в котором количество функциональных блоков минимизировано; направление, в котором это возможно осуществить, описано в [6]. Что касается связи, то появившиеся как грибы после дождя разнообразные технологии беспроводного IoT-управления показывают, что образовалась весьма конкурентная среда, победу в которой одержит концепция, обладающая минимальным СКХ; на взгляд автора это будет один из вариантов связи по силовой сети (Power Line Communication, PLC). Выбор конкретного способа связи будет определяться не только экономическими соображениями и вопросами помехоустойчивости и надежности, но и вопросами информационной безопасности.
Вопросы управления
Современная система освещения крупного города включает сотни тысяч светильников, а мегаполиса — миллионы. Задача управления таким обширным хозяйством, не имеющим в АСУ ТП аналогов по количеству управляемых объектов, представляется весьма непростой. Буквально по мановению руки (пальца) оператора (почти как на коллаже в начале статьи) система должна в реальном масштабе времени менять конфигурации составных частей и сценарии их работы; выдавать отчеты по отдельным типам светильников и опор, пунктам включения освещения и эксплуатационным районам; составлять планы работ для ремонтных бригад; выдавать сравнительные таблицы по эффективности работы подразделений эксплуатирующей организации и т. п. Перечень функций, которыми можно наделить такую «умную» АСУ в части контроля, мониторинга и аналитики сетей, весьма впечатляющ. Для того чтобы воплощение этих возможностей не превратило систему «умного» света в конце третьего этапа светодиодной революции в одну из частей «цифрового концлагеря», всем причастным действующим лицам необходимо как следует постараться. В то же время использование информации, «блуждающей» в подсистемах «умного» города, может оказаться весьма полезным для нужд «умного» городского освещения. К примеру, имея информацию о снижении интенсивности движения транспорта, можно обеспечить адаптивное диммирование групп светильников, а информацию с видеокамер наблюдения — использовать для контроля исправной работы светильников.
Об идеологеме «умного» освещения
Преимущество мудрости перед глупостью такое же,
как преимущество света перед тьмою:
у мудрого глаза его — в голове его,
а глупый ходит во тьме.
Екклезиаст. 2, 13–14
В действительности наше быстрое падение в депрессивную часть волны Кондратьева диктует необходимость пересмотра концепции построения НО в целом с возможностью выхода на инновационные системные решения, которые при переходе к оживлению и подъему экономического цикла дали бы существенные конкурентные преимущества в этой весьма специфической области. Представляется, что речь должна идти о такой идеологеме «умного» освещения, которая стимулирует качественный скачок по сравнению с существующими подходами к столь непростому вопросу. Вероятным системным решением может стать отвергнутая несколько лет назад без какого-либо серьезного рассмотрения концепция перехода на питание постоянным напряжением линий освещения (а также и других потребителей электроэнергии), подробно рассмотренная в [7].
Такой подход к проектированию электросетей, который, кстати, был многократно реализован на всех видах электротранспорта (трамвай, троллейбус, метро), позволит продвинуться в решении целого ряда вопросов, которые не могут найти разрешения в существующих трехфазных четырехпроводных линиях НО, а именно:
- существенно упрощаются светодиодные драйверы за счет изъятия выпрямителей, корректоров коэффициента мощности, а также больших и ненадежных электролитических конденсаторов;
- опасность поражения электрическим током (по оценке специалистов по охране труда) снижается до 5 раз при том же уровне напряжения;
- появляется возможность обеспечения качественной связи непосредственно по линиям освещения (PLC), поскольку в подобной сети снижается затухание сигнала за счет отсутствия так называемых косинусных конденсаторов, а уровень помех может быть минимизирован;
- введение (за счет применения PLC) оперативного контроля целостности постоянно включенных линий «умного» освещения, за счет чего кардинально сокращается время локализации и ремонта неисправностей такого рода;
- уменьшается количество проводов в линиях НО с четырех до двух (при однополярном варианте сети) или до трех (при биполярной сети НО);
- одновременно с этим возможно существенное уменьшение сечения проводов линий НО ввиду не только лучшей энергоэффективности светодиодов, но и потому, что диапазон рабочих напряжений современных драйверов в несколько раз больше, чем у светильников с НЛВД, что наиболее актуально для светильников в конце линий НО. Целесообразно также пересмотреть проектные нормы по длине линий НО, которые могут быть существенно увеличены.
Очевидно, что одной интуитивной убежденности в правильности такого подхода совершенно недостаточно; для получения всесторонне взвешенного и детализированного решения требуется создание методики оценки (а может быть, даже расчета?) согласно критерию СКХ.
Так что последнее слово должно принадлежать продвинутым системным экономистам.
Завершено в ночь на 19.04.2020 г.
P.S. Как известно, в отечественной космической отрасли неофициально была принята совершенно оригинальная стадийность создания проектов, существенно отличающаяся от всех приведенных выше классификаций. В расширенном варианте она включала следующие этапы:
- шумиха (формирование инновационной идеи);
- неразбериха (определение возможности реализации);
- суета (собственно разработка);
- поиск виноватых (энтузиастов, заинтересованных в конечном результате);
- наказание невиновных (самых активных и неуступчивых);
- награждение непричастных (лоялистов?).
В рамках этой стадийности мы, по большей части, все еще мечемся от первого этапа ко второму, изредка заскакивая в третий.
P.P. S. Досадно то, что самое последнее слово (свето)техники будет сказано за минуту до светопреставления. Дон-Аминадо (1888–1957).
Список литературы предлагается тем, кто заинтересуется, как автор через заблуждения и прозрения пробиваться к сегодняшнему пониманию проблем системного развития светодиодного освещения.
- Зотин О. Некоторые особенности VI светотехнической революции в наружном освещении. Ч. I–III // Полупроводниковая светотехника. 2015. № 1–3.
- Зотин О. «Умный» свет в «умном» городе». Ч. I–IV // Полупроводниковая светотехника. 2017. № 4–6. 2018. №
- Зотин О. Управление освещением открытых пространств. Ч. I-III // Полупроводниковая светотехника. 2014. № 1–3.
- Зотин О. Управление городским освещением. От ретроспективы к перспективе. Ч. I–III // Control Engineering. 2015. № 4–6.
- Зотин О., Морозова Н. Энергосберегающее управление наружным освещением. Возможные принципы построения и сравнительная оценка вариантов // Светотехника. 2010. №
- Зотин О. Рассуждения об эволюции «умных» светильников // Полупроводниковая светотехника. 2020. № 1
- Зотин О. В преддверии возрождения постоянного тока. Ч. I–III // Силовая электроника. 2013. № 4–6.