基于人因?qū)W視角的高校教室照明綜合評(píng)價(jià)與優(yōu)化

杜戰(zhàn)其，殷佳妮，王洪偉，張麗珍

(1.同濟(jì)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，上海 200092；2.上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 201306)

基于人因?qū)W視角的高校教室照明綜合評(píng)價(jià)與優(yōu)化

杜戰(zhàn)其1,2，殷佳妮2，王洪偉1，張麗珍2

(1.同濟(jì)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，上海 200092；2.上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 201306)

基于人因?qū)W的視角，利用改進(jìn)后的層次分析模型和模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)方法，對(duì)上海市A、B、C、D、E五所高校的教室照明情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集，并應(yīng)用照明系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)模型從照明水平、眩光感覺、亮度分布和室內(nèi)布局四個(gè)方面對(duì)五所高校的照明系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)價(jià)；通過模型計(jì)算出了高校B為五校中教室照明系統(tǒng)最優(yōu)的結(jié)論，借助人因?qū)W的理念與技術(shù)，提出了高校教室照明布局方案和相應(yīng)的優(yōu)化建議。

教室照明；層次分析法；模糊評(píng)價(jià)法；優(yōu)化

目前我國(guó)青少年學(xué)生普遍存在視力下降的現(xiàn)象，而造成視力下降的主要原因除看手機(jī)、電視等數(shù)碼產(chǎn)品的影響外，不適宜的學(xué)習(xí)環(huán)境也成了另外一個(gè)主要原因。假設(shè)一名大學(xué)生每天在教室學(xué)習(xí)的時(shí)間是6h，那么大學(xué)四年中這名學(xué)生將至少有6 000h在教室里面度過，所以教室的燈光照明系統(tǒng)的合理和舒適程度成了影響學(xué)生視力的重要因素。前國(guó)內(nèi)外對(duì)于高校教室照明評(píng)價(jià)與優(yōu)化的相關(guān)研究，評(píng)價(jià)方法大都采用定性與定量相結(jié)合的方法，應(yīng)用的最經(jīng)典方法是層次分析法、模糊數(shù)學(xué)方法和熵權(quán)法等，本文根據(jù)研究需要和模型數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，在研究中選擇最成熟的層次分析法和模糊評(píng)價(jià)法。致力于應(yīng)用綜合評(píng)價(jià)模型和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并參考人體視覺健康舒適的人因?qū)W標(biāo)準(zhǔn)，來改善教室的照明環(huán)境，并提出優(yōu)化建議。

1 研究設(shè)計(jì)

1.1建立模糊綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)及其評(píng)價(jià)因素集

通過數(shù)據(jù)搜集和統(tǒng)計(jì)，應(yīng)用層次分析法和模糊評(píng)價(jià)法[1-2]來比較A、B、C、D、E五所高校的教室照明情況。視線內(nèi)的光照強(qiáng)度太弱或過強(qiáng)都會(huì)導(dǎo)致視覺疲勞與視力下降，本文將影響因素歸結(jié)為評(píng)價(jià)因素集，詳見圖1所示。

1.2建立評(píng)語集合

上述數(shù)據(jù)表示A、B、C、D、E五所學(xué)校在照明水平的優(yōu)先級(jí)分別為0.2、0.1、0.1、0.3、0.3，對(duì)應(yīng)的結(jié)論為：學(xué)校D和學(xué)校E的照明水平最好，且都優(yōu)于學(xué)校A、學(xué)校B和學(xué)校C，同時(shí)學(xué)校A優(yōu)于學(xué)校B與學(xué)校C,學(xué)校B與學(xué)校C照明水平相同。

1.3 建立各因素重要程度權(quán)重集

實(shí)際中，模型第一層四個(gè)評(píng)價(jià)因素對(duì)教室照明系統(tǒng)的影響大小必定不同，為了讓分析結(jié)果更具有科學(xué)性和合理性，本文建立第一級(jí)權(quán)重集為A={a1,a2,a3,a4}；第二級(jí)權(quán)重集為a4={a41,a42}；其中：Σai=1且ai≥0。本文根據(jù)慣例引入1～9標(biāo)度法，用1、3、5、7、9分別表示要素i與要素j相比：同等重要、比較重要、重要、很重要、極重要，2、4、6、8表示上述兩判斷級(jí)之間的折中值。

表1 第一層四個(gè)因素相對(duì)重要度比較

重要度照明水平眩光感覺亮度分布室內(nèi)布局優(yōu)先級(jí)照明水平14270.530眩光感覺1/411/220.137亮度分布1/22130.256室內(nèi)布局1/71/21/310.077

表2 室內(nèi)布局兩因素的相對(duì)重要度的比較

2 模型檢驗(yàn)

2.1 評(píng)價(jià)矩陣

本文在得到不同因素對(duì)結(jié)果影響大小的權(quán)重之后，從準(zhǔn)則層第一層因素開始進(jìn)行單因素評(píng)價(jià)，即運(yùn)用層次分析法對(duì)五所學(xué)校進(jìn)行兩兩比較，獲得重要度矩陣，然后根據(jù)模型計(jì)算最后的優(yōu)先級(jí)。易知，由收集的數(shù)據(jù)計(jì)算得五所學(xué)?！罢彰魉健毕鄬?duì)重要度，可得準(zhǔn)則層“照明水平”對(duì)方案層的評(píng)價(jià)矩陣(表3)。同理，可得其他評(píng)價(jià)矩陣(表4—表8)。

表3 準(zhǔn)則層“照明水平”對(duì)方案層的評(píng)價(jià)矩陣

表4 準(zhǔn)則層“眩光感覺”對(duì)方案層的評(píng)價(jià)矩陣

表5 準(zhǔn)則層“亮度分布”對(duì)方案層的評(píng)價(jià)矩陣

表6 準(zhǔn)則層“室內(nèi)布局”對(duì)方案層的評(píng)價(jià)矩陣

表7 準(zhǔn)則層“桌椅布局”對(duì)方案層的評(píng)價(jià)矩陣

表8 準(zhǔn)則層“光源布局”對(duì)方案層的評(píng)價(jià)矩陣

2.2一致性檢驗(yàn)

在實(shí)際評(píng)價(jià)中，模型需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)[4]。本文對(duì)層次分析模型進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)，優(yōu)化了一種計(jì)算原理：利用照明水平的理論最大值λmax與n之差檢驗(yàn)一致性，檢驗(yàn)指標(biāo)為CI與λmax：

(1)首先對(duì)準(zhǔn)則層第二層“室內(nèi)布局”的兩因素“桌椅布局”和“光源布局”評(píng)價(jià)矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。依據(jù)表2和上述模型計(jì)算方法，可得λ=2.000，CI=0<0.1，一致性通過；這說明模型判斷結(jié)果可信：光源布局比桌椅布局重要，且優(yōu)先級(jí)分別為0.875,0.125。

3 研究結(jié)果與結(jié)果分析

3.1 研究結(jié)果

基于上述模型的計(jì)算結(jié)果，權(quán)重矩陣A與單因素評(píng)價(jià)矩陣V進(jìn)行模糊合成運(yùn)算[6]，可得綜合評(píng)價(jià)B=A×V。首先，聯(lián)合“照明水平”、“眩光感覺”、“亮度分布”和“室內(nèi)布局”四個(gè)單因素評(píng)價(jià)集，并略去評(píng)語，可得單因素評(píng)價(jià)矩陣V、權(quán)重矩陣A、綜合評(píng)價(jià)B：

歸一化處理[7]得：

其次，聯(lián)合“桌椅布局”和“光源布局”兩個(gè)單因素評(píng)價(jià)集，可得單因素評(píng)價(jià)矩陣V4、權(quán)重矩陣A4、綜合評(píng)價(jià)B4：

根據(jù)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果B和B4，本文得出以下結(jié)論：由“照明水平”、“眩光感覺”、“亮度分布”和“室內(nèi)布局”四個(gè)因素綜合評(píng)價(jià)，五個(gè)學(xué)校排名為B-E-A-C-D；而由室內(nèi)布局該因素單獨(dú)評(píng)價(jià)，五個(gè)學(xué)校的排名則依次為B-E-D-A-C。

3.2 結(jié)果分析

五個(gè)學(xué)校教室照明系統(tǒng)的排名依次為：B-E-A-C-D，說明學(xué)校B在五校中教室照明系統(tǒng)最為合理。

在四個(gè)因素中，權(quán)重最大的是“照明水平”。此因素中優(yōu)先級(jí)最高的是學(xué)校B，學(xué)校B燈光數(shù)目是五校中最多的，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)校的照明水平并沒有達(dá)到《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB50034-2004》[8]中規(guī)定的300LX。因此在影響高校教室照明的四因素中，首要的是提高照明水平。

亮度分布對(duì)于照明系統(tǒng)的影響僅次于照明水平。由模型結(jié)果和教室照度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，本文發(fā)現(xiàn)教室四周角落的照度較低，這是因?yàn)榻锹湮恢弥荒芙邮盏阶罱?～2盞燈的光照，而其余燈的幫助不大。因此在設(shè)計(jì)教室燈光時(shí)要光照均勻，尤其要考慮到角落位置。

教室造成眩光感覺的主要原因是：亮度分布不均和高亮光源的裸露。教室多采用LED燈作為光源，由于教室大、燈具多，從而眩光干擾大，因此宜選用限制眩光性能較好的燈具，也可在燈具外加上燈罩或者柵欄，利用墻壁與黑板合適的反射比來制造合理的環(huán)境亮度比，以降低眩光感覺。

室內(nèi)布局方面。本文五所高校選取的教室容量大都約為100～120人，桌椅布局相差并不大，基本采用的是中間座位數(shù)目較多(數(shù)目為4至6個(gè))，左右兩邊各三個(gè)座位的布局方式，因此這一部分所占權(quán)重較小。通過模型計(jì)算和實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)影響光照分布的主要因素是教室的光源分布，相同功率、相同數(shù)目的燈具會(huì)因?yàn)榉植疾煌瑥亩鴮?dǎo)致燈光效果不同。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1優(yōu)化計(jì)算

4.2優(yōu)化方案

(1)建議高校教室照明選擇LED燈。LED燈通過控制波長(zhǎng)，使顯色性得到提高，且壽命長(zhǎng)，可以減輕維修管理的負(fù)擔(dān)；上文計(jì)算的燈盞數(shù)量N≧32.6盞，本文基于燈光布局的合理和美觀，設(shè)計(jì)了圖2的39根燈管方案，保證了照明水平滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)300LX的規(guī)定。

(2)以學(xué)校A的教室數(shù)據(jù)(14m×7.88m×3.15m)為例(圖2)，其中加粗線為燈管(單位cm)。教室燈光每小時(shí)的平均能耗為：W=PT=16×39=0.624W，學(xué)校A原來教室燈光每小時(shí)能耗為：W=PT=35×39=1.37W，所以優(yōu)化方案的能耗僅是原能耗的一半，且教室照明效果更好。

(3)在亮度分布方面，本文將原教室兩側(cè)三人座上方縱向排列的燈管改為橫向，并置于桌子斜上方。這種方式不僅提高光照射在課桌上的利用率，而且斜上方射來的光線避免了學(xué)生在低頭時(shí)造成的陰影；中間五人座按300LX的照度要求，LED燈管采取無縫連接、均勻縱向排列的方式，在保證了光照充足的同時(shí)，根據(jù)人因?qū)W原理該布置方式更容易引導(dǎo)學(xué)生的視線。

(4)為避免形成眩光，建議教室采用帶格柵或漫反射板型燈具。若有條件也可以改變教室吊頂裝修，隱蔽燈具下凸部分，使向后散射的燈光被截去并通過燈具反射器向前方投射。另外，作者考慮到黑板照明燈具既不能對(duì)老師產(chǎn)生直接眩光，又不能對(duì)學(xué)生產(chǎn)生反射眩光，因此必須要確定燈具掛高以及燈具與黑板墻面的距離；根據(jù)《光環(huán)境設(shè)計(jì)》查表得出教室照明燈具距離黑板距離為0.8m，且黑板布燈的區(qū)域?yàn)椋旱谝慌艑W(xué)生看黑板頂部(本文所調(diào)研高校教室通常布置兩塊黑板，下方黑板頂部設(shè)為視線標(biāo)準(zhǔn))并以水平反射到天花板做反射線，區(qū)域?yàn)榉瓷渚€以上。根據(jù)人體坐姿視線高度為1.2m，燈具的掛高既要滿足燈具與黑板墻面的距離，又要滿足空間要求。因此，本文提出教室前部設(shè)計(jì)方案?jìng)?cè)視圖，見圖3。

(5)考慮到教室通常設(shè)有多媒體投影，為保證屏幕效果而又能看清黑板，本文建議把三盞用于黑板照明的燈具并聯(lián)設(shè)計(jì)，從而能分開控制；為便于老師調(diào)節(jié)，建議將黑板照明的控制開關(guān)最好置于黑板兩側(cè)。

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(責(zé)任編輯 王利君)

Evaluation and optimization of lighting system of classroom based on ergonomics

DUZhanqi1，2,YINJiani2,WANGHongwei1,ZHANGLizhen2

(1.SchoolofEconomicsandManagement,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;2.CollegeofEngineering,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China)

Thefuzzysyntheticevaluationmethodandtheanalytichierarchyprocess(AHP)wereusedtoevaluatethelighteningsystemoffiveuniversitiesinshanghaicityfromthefourmajoraspects:leveloflightening,glarefeeling,brightnessdistributionandtheindoorlayout.CalculationresultsshowthattheuniversityBisthebestoneamongthefiveuniversities.Finally,someoptimizationsuggestionswereputforward.

classroomlighting;AHP;fuzzyevaluationmethod;optimization

1673-9469(2016)04-0061-06doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.04.014

2016-10-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(71371144)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(1200219198)；上海市科技發(fā)展基金軟科學(xué)研究(12692193000)；上海市哲學(xué)社會(huì)科學(xué)規(guī)劃課題(2013BGL004)；2016上海市教委專項(xiàng)(B1-5407-15-0001-12)；高校教指委(JZW2016049)和教學(xué)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(B1-5003-15-000109)

杜戰(zhàn)其(1981-)，男，河北邯鄲人，博士，工程師，研究方向?yàn)槿艘蚬こ獭?/p>

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