基于模糊物元法的室内光环境质量评价研究

朱雅丽

(昕诺飞(中国)投资有限公司, 江苏 南京 210000)

引言

良好的光环境不仅是人类生产作业活动中重要组成部分，更是人们视觉健康的有力保障。据统计，在人的一生中大约有80%的时间是在室内度过的，且通过视觉神经系统获取87%的信息[1]。因此，合理、科学地开展室内光环境质量评价，对提高人们生活质量、工作效率以及生活安全起着积极的作用，具有极大的社会效益[2]。

目前，关于室内光环境质量评价研究已有学者进行了研究。王秀华等[3]将模糊综合评价法应用到室内光质量评价中，构建壳基于模糊综合评价模型。测试结果表明，基于该评价模型的评价结果与实际相符，评价方法有效。但是，该评价模型存在着依赖主观权重，没有充分利用客观检测数据进行评价。李志荣等[4]对国内外目前采用的室外光环境评价9种方法进行了分析和梳理，总结了其优缺点，展望了室外光环境评价的研究方向和发展趋势。但是，整篇没有案例的表述，无法体现理论应用至实际的思想。黄璐等[5]针对地铁光环境质量评价进行了研究，结合问卷调查和模糊综合评价模型，结合实例对地铁光环境质量进行评价，同样，该文献没有有效利用客观检测数据进行评价，评价结果过于主观。刘刚等[6]针对办公室光环境设计与评价存在的问题，提出了基于评价实验的办公室光环境舒适度研究，根据照明指标对舒适度的影响量化数据，提出了办公室光环境评价数学模型，该模型可为办公室照明设计与评价提供参考。张敬怡等[7]开展了实验室内阅读环境照明舒适度的主观评价研究，通过集成学习XGBoost算法，得出VDT阅读照明舒适性的三个等级。

综上所述，目前室内光环境质量评价过于依赖主观权重。因此，本文以某办公大楼总部照明工况为例，建立基于定性与定量的室内光环境质量评价指标体系，将模糊物元模型[8-10]运用到室内光环境评质量价中，通过其综合评价结果了解到室内照明设计中照明质量的优劣，从而有目的地进行改进。

1 室内光环境质量评价指标体系

室内光环境主要由人工光和自然光组成，它的主要功能满足人们在室内生活和工作中的物理、视觉、心理、节能、绿色、美学等的要求，为满足上述要求，考虑舒适性、美观性、经济性作为评价室内光环境评价指标体系的重要内容。

影响室内光环境质量的因素除了上述内容外，更为重要的因素有照度水平、亮度分布、光色、显色性、眩光、透光方向以及造成立体感等。这些因素影响着室内光环境质量的优劣。根据GB 50034—2013《建筑照明设计标准》，考虑将照度值、眩光值、照度均匀度以及显色指数作为室内光环境质量评价指标体系中的重要内容。建立室内光环境质量指标体系如表1所示。

表1 室内光环境质量评价指标体系

2 室内光环境质量评价模型

2.1 模糊物元矩阵的确定

模糊物元是将评价对象M、评价对象的指标C以及评价对象的指标值X结合起来，构成描述事物的单元，记R=(M,C,X)。若评价对象有m个M1,M2，…，Mm，则在以上评价对象中需要室内光环境质量的区域为前k个，后m-k个评价对象为每个区域光环境质量评价指标等级数，则室内光环境质量评价物元矩阵Xij如下表示。

(1)

2.2 从优隶属度模糊物元的确定

在室内光环境质量评价指标体系中，每个评价指标之间的量纲和量纲单位往往不同，进行评价之前，应对每个评价指标进行规格化处理，使得评价指标的绝对量变为相对量，即为指标值得无量纲化处理。在评价时，有的指标值越大越优属于效益型指标，有的指标值越小越优属于成本型指标。舒适性、美观性、经济性、照度值、显色指数以及照度均匀度属于效益型指标，即指标值越大越优，其无量化处理公式为：

(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

(2)

眩光值属于成本型指标，即指标值越小越优，其无量化处理公式为：

(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

(3)

式(2)、(3)中，rij为无量化处理后的数值，maxxij=max(x1j,x2j,…,xmj),(j=1,2,…,n)为第j个指标的最大指标值，minxij=min(x1j,x2j,…,xmj),(j=1,2,…,n)为第j个指标的最小指标值。利用上述公式对模糊物元矩阵Xij进行处理，可得从优隶属模糊物元矩阵Rij如下所示。

(4)

2.3 标准模糊物元及差幂复合模糊物元的确定

标准模糊物元的确定一般由从优隶属度物元Rij中选定，从各个评价对象中选择各指标中的最大值或最小值最为标准模糊物元的数值，即得出标准模糊物元公式R0j：

(5)

将标准模糊物元R0j与从优隶属度模糊物元Rij中的每项进行差幂计算，得出差幂复合模糊物元：

(6)

式中：q为标准模糊物元与从优隶属度物元之间的差值的幂，dij=|r0j-xij|q(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)为标准模糊物元与从优隶属模糊物元之间的差值。

2.4 室内光环境质量评价指标权重的确定

常见评价指标权重确定的方法有基于主观因素的层次分析法[11]、熵值法[12]等，基于客观数据的粗集理论确定权重[13，14]等。室内光环境质量评价指标体系中存在定性指标与定量指标，并且在评价过程中某一个指标超出标准值，室内光环境的质量就会发生变化。因此，本文采用超标加权法确定室内光环境质量评价指标权重可以解决上述问题达到主观因素与客观因素的统一。超标加权法确定权重公式如下：

(7)

(8)

(9)

2.5 复合模糊物元贴进度的确定

在模糊数学中，贴进度表示两个模糊子集相互靠近的程度。在本文中，贴进度表示待评价的室内光环境质量(评价样本)与室内光环境质量标准等级中对应的光环境质量(标准样本)相互靠近的程度。所得贴进度越大，则待评价样本与标准样本越接近；反之，则相反。计算贴进度公式为：

(10)

式中，wij为第i个需进行光环境质量评价的区域的第j个室内光环境质量评价指标的权重，若q=1，该贴进度为海明贴进度；q=2为欧式贴进度。

根据公式(10)可得出每个需进行室内光环境质量评价的区域的综合模糊物元贴进度：

(11)

3 实例分析

3.1 室内光环境质量评价

在某办公大楼总部中，现选取5处照明设计不同、灯的使用不同、照明工况条件不同的区域，通过现场检测、施工图纸审核以及历史数据等得出实际的光环境质量的状况。其中，指标值获取来源：

舒适性、美观性、经济性：为定性指标，根据施工设计图纸、灯具的规格型号以及现场照明感受记录等数据，以满分100分计分。

照度值、眩光值、照度均匀度以及显色指数：为定量指标，现场检测人员分别对选取的5处区域分别检测，通过照度仪进行测量。

具体统计数据如表2所示。

表2 选取某办公大楼5处区域光环境质量数据统计

根据GB 50034—2013《建筑照明设计标准》，室内光环境质量评价指标划分为五级，等级划分如表3所示。

表3 选取某办公大楼5处区域的光环境质量评价指标等级

根据公式(1)以及表1、表2得出某办公大楼5处区域的光环境质量评价物元矩阵：

根据公式(2)、(3)得到某办公大楼5处区域的光环境质量评价从优隶属度模糊物元矩阵：

由公式(4)、(5)可得某办公大楼5处区域的光环境质量评价的差幂复合模糊物元：

根据公式(6)～(8)可得某办公大楼处区域的光环境质量价指标的权重：

由公式(9)、(10)可知海明贴进度复合模糊物元：

3.2 室内光环境质量评价结果分析

根据以上计算结果知，编号1的区域光环境质量达到Ⅰ级室内光质量等级，其光环境质量最优可以归结为以下原因:编号1为某办公大楼进户门大堂，该大堂融合了LED时代下控制照明系统所带来的先进技术与艺术之美，同时高品质的筒灯保证了良好的室内光品质，高效率的灯具结合日光感应控制，充分体现其经济效益。经过照度仪实测，大堂平均照度值在285～300 lx之间，符合国家照明照度最优标准。

编号5为该办公大楼二楼走廊，相比于编号2会议洽谈区、编号3茶水间区域、编号4卫生间区域，照度值偏低，灯具性能较低，空间舒适度欠佳。结合各区域照度情况，建议二楼走廊区域增加灯具数量，提升灯具效率，提高光品质，从而达到高效、舒适的光环境。

4 结语

本文研究了基于模糊物元的室内光环境质量评价,建立了模糊物元模型，通过实例分析了某办公大楼5处区域最优的设计，并且对比了各个区域的照明状况，找出影响其照明质量的主要因素，为室内照明设计制造提供参考意见。