基于人因学视角的高校教室照明综合评价与优化

杜战其，殷佳妮，王洪伟，张丽珍

(1.同济大学 经济与管理学院，上海 200092；2.上海海洋大学 工程学院，上海 201306)

基于人因学视角的高校教室照明综合评价与优化

杜战其1,2，殷佳妮2，王洪伟1，张丽珍2

(1.同济大学 经济与管理学院，上海 200092；2.上海海洋大学 工程学院，上海 201306)

基于人因学的视角，利用改进后的层次分析模型和模糊数学综合评价方法，对上海市A、B、C、D、E五所高校的教室照明情况进行了实验数据的收集，并应用照明系统的综合评价模型从照明水平、眩光感觉、亮度分布和室内布局四个方面对五所高校的照明系统进行了评价；通过模型计算出了高校B为五校中教室照明系统最优的结论，借助人因学的理念与技术，提出了高校教室照明布局方案和相应的优化建议。

教室照明；层次分析法；模糊评价法；优化

目前我国青少年学生普遍存在视力下降的现象，而造成视力下降的主要原因除看手机、电视等数码产品的影响外，不适宜的学习环境也成了另外一个主要原因。假设一名大学生每天在教室学习的时间是6h，那么大学四年中这名学生将至少有6 000h在教室里面度过，所以教室的灯光照明系统的合理和舒适程度成了影响学生视力的重要因素。前国内外对于高校教室照明评价与优化的相关研究，评价方法大都采用定性与定量相结合的方法，应用的最经典方法是层次分析法、模糊数学方法和熵权法等，本文根据研究需要和模型数据的特点，在研究中选择最成熟的层次分析法和模糊评价法。致力于应用综合评价模型和实测数据，并参考人体视觉健康舒适的人因学标准，来改善教室的照明环境，并提出优化建议。

1 研究设计

1.1建立模糊综合评价系统及其评价因素集

通过数据搜集和统计，应用层次分析法和模糊评价法[1-2]来比较A、B、C、D、E五所高校的教室照明情况。视线内的光照强度太弱或过强都会导致视觉疲劳与视力下降，本文将影响因素归结为评价因素集，详见图1所示。

1.2建立评语集合

上述数据表示A、B、C、D、E五所学校在照明水平的优先级分别为0.2、0.1、0.1、0.3、0.3，对应的结论为：学校D和学校E的照明水平最好，且都优于学校A、学校B和学校C，同时学校A优于学校B与学校C,学校B与学校C照明水平相同。

1.3 建立各因素重要程度权重集

实际中，模型第一层四个评价因素对教室照明系统的影响大小必定不同，为了让分析结果更具有科学性和合理性，本文建立第一级权重集为A={a1,a2,a3,a4}；第二级权重集为a4={a41,a42}；其中：Σai=1且ai≥0。本文根据惯例引入1～9标度法，用1、3、5、7、9分别表示要素i与要素j相比：同等重要、比较重要、重要、很重要、极重要，2、4、6、8表示上述两判断级之间的折中值。

表1 第一层四个因素相对重要度比较

重要度照明水平眩光感觉亮度分布室内布局优先级照明水平14270.530眩光感觉1/411/220.137亮度分布1/22130.256室内布局1/71/21/310.077

表2 室内布局两因素的相对重要度的比较

2 模型检验

2.1 评价矩阵

本文在得到不同因素对结果影响大小的权重之后，从准则层第一层因素开始进行单因素评价，即运用层次分析法对五所学校进行两两比较，获得重要度矩阵，然后根据模型计算最后的优先级。易知，由收集的数据计算得五所学校“照明水平”相对重要度，可得准则层“照明水平”对方案层的评价矩阵(表3)。同理，可得其他评价矩阵(表4—表8)。

表3 准则层“照明水平”对方案层的评价矩阵

表4 准则层“眩光感觉”对方案层的评价矩阵

表5 准则层“亮度分布”对方案层的评价矩阵

表6 准则层“室内布局”对方案层的评价矩阵

表7 准则层“桌椅布局”对方案层的评价矩阵

表8 准则层“光源布局”对方案层的评价矩阵

2.2一致性检验

在实际评价中，模型需要进行一致性检验[4]。本文对层次分析模型进行了适当改进，优化了一种计算原理：利用照明水平的理论最大值λmax与n之差检验一致性，检验指标为CI与λmax：

(1)首先对准则层第二层“室内布局”的两因素“桌椅布局”和“光源布局”评价矩阵进行一致性检验。依据表2和上述模型计算方法，可得λ=2.000，CI=0<0.1，一致性通过；这说明模型判断结果可信：光源布局比桌椅布局重要，且优先级分别为0.875,0.125。

3 研究结果与结果分析

3.1 研究结果

基于上述模型的计算结果，权重矩阵A与单因素评价矩阵V进行模糊合成运算[6]，可得综合评价B=A×V。首先，联合“照明水平”、“眩光感觉”、“亮度分布”和“室内布局”四个单因素评价集，并略去评语，可得单因素评价矩阵V、权重矩阵A、综合评价B：

归一化处理[7]得：

其次，联合“桌椅布局”和“光源布局”两个单因素评价集，可得单因素评价矩阵V4、权重矩阵A4、综合评价B4：

根据综合评价结果B和B4，本文得出以下结论：由“照明水平”、“眩光感觉”、“亮度分布”和“室内布局”四个因素综合评价，五个学校排名为B-E-A-C-D；而由室内布局该因素单独评价，五个学校的排名则依次为B-E-D-A-C。

3.2 结果分析

五个学校教室照明系统的排名依次为：B-E-A-C-D，说明学校B在五校中教室照明系统最为合理。

在四个因素中，权重最大的是“照明水平”。此因素中优先级最高的是学校B，学校B灯光数目是五校中最多的，同时也发现大部分学校的照明水平并没有达到《建筑照明设计标准GB50034-2004》[8]中规定的300LX。因此在影响高校教室照明的四因素中，首要的是提高照明水平。

亮度分布对于照明系统的影响仅次于照明水平。由模型结果和教室照度的实测数据，本文发现教室四周角落的照度较低，这是因为角落位置只能接收到最近的1～2盏灯的光照，而其余灯的帮助不大。因此在设计教室灯光时要光照均匀，尤其要考虑到角落位置。

教室造成眩光感觉的主要原因是：亮度分布不均和高亮光源的裸露。教室多采用LED灯作为光源，由于教室大、灯具多，从而眩光干扰大，因此宜选用限制眩光性能较好的灯具，也可在灯具外加上灯罩或者栅栏，利用墙壁与黑板合适的反射比来制造合理的环境亮度比，以降低眩光感觉。

室内布局方面。本文五所高校选取的教室容量大都约为100～120人，桌椅布局相差并不大，基本采用的是中间座位数目较多(数目为4至6个)，左右两边各三个座位的布局方式，因此这一部分所占权重较小。通过模型计算和实测，发现影响光照分布的主要因素是教室的光源分布，相同功率、相同数目的灯具会因为分布不同从而导致灯光效果不同。

4 优化设计

4.1优化计算

4.2优化方案

(1)建议高校教室照明选择LED灯。LED灯通过控制波长，使显色性得到提高，且寿命长，可以减轻维修管理的负担；上文计算的灯盏数量N≧32.6盏，本文基于灯光布局的合理和美观，设计了图2的39根灯管方案，保证了照明水平满足国家标准300LX的规定。

(2)以学校A的教室数据(14m×7.88m×3.15m)为例(图2)，其中加粗线为灯管(单位cm)。教室灯光每小时的平均能耗为：W=PT=16×39=0.624W，学校A原来教室灯光每小时能耗为：W=PT=35×39=1.37W，所以优化方案的能耗仅是原能耗的一半，且教室照明效果更好。

(3)在亮度分布方面，本文将原教室两侧三人座上方纵向排列的灯管改为横向，并置于桌子斜上方。这种方式不仅提高光照射在课桌上的利用率，而且斜上方射来的光线避免了学生在低头时造成的阴影；中间五人座按300LX的照度要求，LED灯管采取无缝连接、均匀纵向排列的方式，在保证了光照充足的同时，根据人因学原理该布置方式更容易引导学生的视线。

(4)为避免形成眩光，建议教室采用带格栅或漫反射板型灯具。若有条件也可以改变教室吊顶装修，隐蔽灯具下凸部分，使向后散射的灯光被截去并通过灯具反射器向前方投射。另外，作者考虑到黑板照明灯具既不能对老师产生直接眩光，又不能对学生产生反射眩光，因此必须要确定灯具挂高以及灯具与黑板墙面的距离；根据《光环境设计》查表得出教室照明灯具距离黑板距离为0.8m，且黑板布灯的区域为：第一排学生看黑板顶部(本文所调研高校教室通常布置两块黑板，下方黑板顶部设为视线标准)并以水平反射到天花板做反射线，区域为反射线以上。根据人体坐姿视线高度为1.2m，灯具的挂高既要满足灯具与黑板墙面的距离，又要满足空间要求。因此，本文提出教室前部设计方案侧视图，见图3。

(5)考虑到教室通常设有多媒体投影，为保证屏幕效果而又能看清黑板，本文建议把三盏用于黑板照明的灯具并联设计，从而能分开控制；为便于老师调节，建议将黑板照明的控制开关最好置于黑板两侧。

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(责任编辑 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

国家自然科学基金资助项目(71371144)；中央高校基本科研业务费专项(1200219198)；上海市科技发展基金软科学研究(12692193000)；上海市哲学社会科学规划课题(2013BGL004)；2016上海市教委专项(B1-5407-15-0001-12)；高校教指委(JZW2016049)和教学团队项目(B1-5003-15-000109)

杜战其(1981-)，男，河北邯郸人，博士，工程师，研究方向为人因工程。

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