一种快速准确测量照明空间统一眩光指数的方法

王银飞，张晓晖，张 爽，张雨晨

(海军工程大学兵器工程学院，湖北 武汉 430033)

引言

眩光对人的心理和生理机能均有一定影响[1-2]，也是衡量照明环境舒适性的一个重要尺度[3-4]。长期生活工作在眩光严重的照明环境中，不但会降低工作效率，而且不利于身心健康。因此眩光是一个评价照明质量的重要指标。统一眩光指数(UGR)主要用于评估室内不舒适眩光水平。对UGR模型的评价以及该模型的适宜使用条件已经有较多研究[5-6]，对于如何测量照明空间的UGR值也有相关研究[7]，然而对于UGR测量时测点的设置研究还较少。根据GB 50034—2013《建筑照明设计标准》[8]，测量UGR时需要在被测照明空间中设置一系列测点，测量每个测点的UGR，然后取最大值作为被测空间的UGR值。对于测点设置，文献[8]在UGR的应用条件中给出的建议是：测点应设置在纵向和横向两面墙的中间，测量方向水平朝前。但是实测时发现最大UGR值所在测点并不一定在两面墙的中间，方向也并不一定水平朝前，按照这种方法设置测点并测量UGR值时，可能漏掉最大UGR值所在点。当照明空间较大或较复杂时，应设置多个测点，但是要确定每个测点UGR值都需要测量背景亮度、每个灯具亮度、每个灯具发光部分对观察者眼睛所形成的立体角、灯具与测点的相对位置等多个参数[8]，要想确定照明空间的UGR，测量工作较为繁杂。本文将Dialux evo软件仿真计算引入UGR的测量，提出根据仿真计算结果设置测点再测量UGR的新方法，并在暗室中进行相关实验以验证该方法是否能减少测量UGR时设置的测点数，简化实测工作，并准确测得最大UGR值。

1 UGR的标准测量方法及分析

眩光是由于视野中的亮度分布不均匀、亮度不适宜或空间上存在极端的亮度对比所引起的不舒适感或降低对目标物体观察能力的视觉现象。根据眩光对于人眼的影响可将眩光分为不舒适眩光和失能眩光两种，本文主要讨论不舒适眩光。

1.1 标准UGR模型及测量方法

图1和图2分别为UGR模型示意图与UGR测量模型示意图，公式(1)为UGR计算公式[8]。

图1 UGR模型Fig.1 UGR model

图2 UGR测量模型Fig.2 UGR measurement model

根据公式(1)需要在每个测点上分别测量背景亮度Lb、观察者视线方向上每个灯具的亮度La、每个灯具对观察者眼睛所形成的立体角ω、每个灯具的古斯位置指数(即视线方向的偏移)P才能求得该测点的UGR。

照明空间的UGR值是该空间最大UGR值所在测点测得的UGR值，即测量UGR时需要在被测照明空间中设置一系列测点，测量每个测点的UGR，然后取最大值作为被测空间的UGR值。对于测点设置文献[8]在UGR的应用条件中给出的建议是：测点应设置在纵向和横向两面墙的中间，测量方向水平朝前，如图4中所设置的测点1～10及其测量方向。设该空间第n个测点测得的UGR值为U1n，该空间的UGR值记为UGR1，则该空间的UGR值可由公式(2)求得。

(1)

UGR1=Max{U11，U12，…，U110}

(2)

1.2 实测结果与分析

本文依据文献[8]中UGR测量模型和应用条件，对某一暗室的UGR进行实测。暗室长4.0 m、宽3.1 m、顶高2.5 m，四面墙体及顶部统一粉刷白色涂料(反射系数0.90)，地面为浅灰色木质地板(反射系数0.38)，入口用涂有相同白色涂料的木板封住，暗室规格和灯具布置如图3和图4所示。测点高度设为人坐姿眼高1.2 m。坐标系(如图2所示)以地板面左下角为原点，z轴垂直于地板面，x、y轴如图2与图3所示，方灯中心和测点的坐标如表1所示。方灯发光面积为0.30 m2,光通量2 900 lm。图4和图7中的网格均为边长1 m的方形网格，用于辅助测点的设置。

图3 暗室坐标系建立Fig.3 Darkroom coordinate system established

图4 UGR测点及测量方向Fig.4 UGR measuring point and measuring direction

为了找出最大UGR值，实测时按照表1和图3所示位置与方向设置了较密集的10个测点(如图4中测点1～10)，每个测点的Lb，La由LS-100亮度计测3次取平均值求得，测量结果如表1所示。立体角ω由灯具发光面积(方灯0.30 m2)和灯具中心与测点的相对位置求得[8]。古斯位置指数P只由灯具与测点的相对位置求得[8]，灯具和测点的相对位置通过坐标(见表1)确定，得到La、Lb、ω、P后带入UGR公式[见公式(1)]即可求得各个测点的UGR实测值。各个测点的UGR实测及计算结果如表1所示。

表1 UGR实测值

注：*表示测点太靠近灯具正下方，眩光小(可忽略)，无法计算UGR

由测量结果和公式(2)可得该空间的UGR值为

UGR1=Max{U11，U12，…，U110}=U11=12.51

实验实测得暗室UGR值为12.51，并且认为暗室最大UGR值在测点1处。这种方法测得的UGR值在一定程度上可以反映被测空间的眩光水平。然而测点1处测得的UGR值只是所设置测点1～10中测得的最大值，暗室最大UGR值所在点不一定在测点1处，所以测得的12.51不一定是暗室最大UGR值，不一定能准确的反映被测空间真实的眩光水平。

1.3 测量结果分析

Dialux evo 是一款被广泛使用的用于仿真计算众多光学指标的专业照明设计软件，仿真计算精度已被世界多个实验室验证。软件仿真计算UGR时，可以设置点计算元件，即仿真测点，设置仿真测点的位置及其方向与测点实测时一致便可得到各测点的仿真值，也可设置区域计算元件，设置区域计算元件为整个暗室区域便可仿真计算出暗室的最大UGR值。设第n个测点仿真值为U1n′，暗室的最大UGR值的仿真值为UGR1′。仿真结果如表2所示。

表2 UGR仿真值及误差

由实验结果知UGR仿真与实测值最大误差为4.90%，表明在误差允许范围内Dialux evo建模可以较好的仿真计算暗室的UGR值。

由表2可知测点1～10仿真的最大值所在位置同实测一致，在测点1处为12.67。然而仿真计算出暗室的最大UGR值为13.10，说明在暗室的最大UGR所在测点处仿真的UGR值应该为13.10，而测点1～10中并未包含最大UGR所在测点。按这种测量方法设置测点求暗室UGR时漏掉了最大UGR测点，求得的不是最大值。而且实测时设置了10个测点，测量工作较为繁杂。

2 改进的UGR测量方法

先设置区域计算元件为整个暗室区域，仿真计算出暗室的最大UGR值，再设置一系列仿真测点，找到仿真值与暗室最大UGR值相等的测点，该测点所在位置就是暗室最大UGR值所在的测点位置，在该测点处实测暗室UGR即可得到暗室的最大UGR实测值。

2.1 测量方法简介

软件在仿真计算仿真测点UGR时，以给定步长间隔计算仿真测点0°～360°全方向上的UGR值，然后取所计算的方向中最大UGR值所在方向作为测点的测量方向，取所计算方向中最大的UGR值为测点的仿真UGR值。仿真计算设置的区域计算元件时，会在所设置的区域计算元件内生成密集的仿真测点阵列(可人为设置)，计算阵列中每个仿真测点的UGR值然后取最大的UGR值作为所设置区域的UGR值，设置该区域计算元件为整个暗室区域便可仿真计算出暗室的最大UGR值。在暗室中设置区域计算元件和一定数量仿真测点，通过仿真计算便可找出暗室的最大仿真UGR值和最大UGR值所在点及方向。测量方法流程如图5所示。

图5 改进测量方法流程Fig.5 Improve the measurement method flow

仿真时设置较为密集的仿真测点可以使得预判的最大UGR位置更加准确、精确，此外Dialux evo软件仿真时需要导入对应灯具的ies文件，当照明灯具自身特性不容易准确描述时，若能测得灯具的光通量、空间等照度曲线等参数，生成ies文件导入软件，也可以使得预判的最大UGR位置更加准确、精确。

2.2 测量结果与分析

由表2知，仿真计算出暗室的最大UGR值为13.10。为找出暗室的最大仿真UGR值所在测点及其方向，在暗室中设置4×5个仿真测点，如图6所示。求出每个测点仿真值U1n′及其测量方向，以x轴为0°方向逆时针旋转，每个测点的仿真UGR值及方向在其对应位置给出，如图7所示。

图6 仿真测点设置Fig.6 Simulation point setting

图7 对应的UGR仿真值及方向Fig.7 Corresponding UGR simulation values and directions

由图7仿真结果知，所设置的20个仿真测点中UGR值最大的两个值为U111′=13.1和U112′=13.0(图6中标出的测点11、12)与仿真计算出的暗室最大UGR值为13.10一致，可认为测点11或12处为可能的最大UGR所在点。依据此结果在仿真测点11和12处设置实测点进行实测，测点位置及方向同图6相同，测量及计算结果如表3所示。

由表2与表3可知测点11为最大UGR值所在点，在测点11处实测的UGR值13.21为暗室实测的最大UGR值。

表3 改进方法实测UGR

实验结果表明，改进的方法实测暗室UGR值时可找到最大UGR所在点并准确测得暗室的最大UGR值。最大UGR值在测点11处，未在暗室两面墙的中点上，测量方向也不是水平朝前。此外改进方法中只实测了2个测点，减少了需设置的测点数和许多繁杂的测量工作。

3 对改进测量方法的实验验证

实际照明空间可能大小和形状各异，灯具数量和布置方式也不同，照明环境复杂多变，被测空间最大UGR值不一定在两面墙的中点上，最大值方向也不一定朝向前方，第2节已有所体现。如图8所示，在暗室布置发光面积为0.30 m2的方形灯(光通量2 900 lm)和0.30 m2的矩形灯(光通量2 600 lm)，并设置编号1～8的8个测点，记暗室实测UGR值为UGR2，暗室区域仿真值为UGR2′，第n个测点实测值为U2n，第n个测点仿真值为U2n′。

按照1节中所述未改进的UGR测量方法设置测点1～7及其方向(靠近灯下方UGR值太小，未设测点)，测量及计算过结果如表4所示，由实验结果可知，按未改进的测量方法测得暗室UGR值为

UGR2=Max{U21，U22，…，U27}=12.50

按照第2节中所述改进的UGR测量方法，设置区域计算元件为整个暗室区域，由表4知仿真计算得到的暗室区域的仿真值UGR2′为12.70，然后在暗室设置仿真测点阵列，仿真计算后求得最大UGR值可能的所在点在测点1(U21′=12.10)或8(U28′=12.70)处，然后在测点1和8处进行了实测，测点1和8的位置及测量方向如图8所示，测量结果如表4所示。

图8 灯具布置及测点设置Fig.8 Lighting layout and measuring point settings

表4 双灯暗室UGR测量、仿真及计算结果

由表4知，暗室最大UGR值在测点8处，测得UGR值为13.40，即改进的测量方法测得的暗室UGR值为13.40。改进方法只实测了测点1和测点8两个测点。

本文在暗室中设置了2组实验，第一组布置一盏方灯，如图4所示，第二组实验将一盏方灯和一盏矩形灯布置在既不纵向对称也不横向对称的位置，如图8所示。对两组实验中照明空间的UGR用改进的和未改进的两种方法都进行了实测，实验结果表明最大的UGR值所在位置不一定在两面墙的中间，最大UGR测量方向也不一定水平朝前，未改进UGR测量方法可能漏掉暗室最大UGR值所在点。改进的方法可准确找出最大UGR值所在测点，准确测得暗室UGR值。而且减少了实测时设置的测点数，减少了测量工作。

4 结论

本文将Dialux evo软件仿真计算运用到照明空间UGR的测量中，提出了一种快速测量UGR的新方法，并对其可行性、准确性在暗室里进行了验证。实验结果表明这种改进的UGR测量方法不仅可以通过减少需设置的测点数和从仿真中直接获取灯具与测点相对位置等参数减少繁杂的测量工作，而且可以找出被测空间最大UGR值所在点，准确测得最大UGR值，从而可靠地反映被测空间的真实眩光水平。

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