基于人因學視角的高校教室照明綜合評價與優化

杜戰其，殷佳妮，王洪偉，張麗珍

(1.同濟大學 經濟與管理學院，上海 200092；2.上海海洋大學 工程學院，上海 201306)

基于人因學視角的高校教室照明綜合評價與優化

杜戰其1,2，殷佳妮2，王洪偉1，張麗珍2

(1.同濟大學 經濟與管理學院，上海 200092；2.上海海洋大學 工程學院，上海 201306)

基于人因學的視角，利用改進后的層次分析模型和模糊數學綜合評價方法，對上海市A、B、C、D、E五所高校的教室照明情況進行了實驗數據的收集，并應用照明系統的綜合評價模型從照明水平、眩光感覺、亮度分布和室內布局四個方面對五所高校的照明系統進行了評價；通過模型計算出了高校B為五校中教室照明系統最優的結論，借助人因學的理念與技術，提出了高校教室照明布局方案和相應的優化建議。

教室照明；層次分析法；模糊評價法；優化

目前我國青少年學生普遍存在視力下降的現象，而造成視力下降的主要原因除看手機、電視等數碼產品的影響外，不適宜的學習環境也成了另外一個主要原因。假設一名大學生每天在教室學習的時間是6h，那么大學四年中這名學生將至少有6 000h在教室里面度過，所以教室的燈光照明系統的合理和舒適程度成了影響學生視力的重要因素。前國內外對于高校教室照明評價與優化的相關研究，評價方法大都采用定性與定量相結合的方法，應用的最經典方法是層次分析法、模糊數學方法和熵權法等，本文根據研究需要和模型數據的特點，在研究中選擇最成熟的層次分析法和模糊評價法。致力于應用綜合評價模型和實測數據，并參考人體視覺健康舒適的人因學標準，來改善教室的照明環境，并提出優化建議。

1 研究設計

1.1建立模糊綜合評價系統及其評價因素集

通過數據搜集和統計，應用層次分析法和模糊評價法[1-2]來比較A、B、C、D、E五所高校的教室照明情況。視線內的光照強度太弱或過強都會導致視覺疲勞與視力下降，本文將影響因素歸結為評價因素集，詳見圖1所示。

1.2建立評語集合

上述數據表示A、B、C、D、E五所學校在照明水平的優先級分別為0.2、0.1、0.1、0.3、0.3，對應的結論為：學校D和學校E的照明水平最好，且都優于學校A、學校B和學校C，同時學校A優于學校B與學校C,學校B與學校C照明水平相同。

1.3 建立各因素重要程度權重集

實際中，模型第一層四個評價因素對教室照明系統的影響大小必定不同，為了讓分析結果更具有科學性和合理性，本文建立第一級權重集為A={a1,a2,a3,a4}；第二級權重集為a4={a41,a42}；其中：Σai=1且ai≥0。本文根據慣例引入1～9標度法，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表示上述兩判斷級之間的折中值。

表1 第一層四個因素相對重要度比較

重要度照明水平眩光感覺亮度分布室內布局優先級照明水平14270.530眩光感覺1/411/220.137亮度分布1/22130.256室內布局1/71/21/310.077

表2 室內布局兩因素的相對重要度的比較

2 模型檢驗

2.1 評價矩陣

本文在得到不同因素對結果影響大小的權重之后，從準則層第一層因素開始進行單因素評價，即運用層次分析法對五所學校進行兩兩比較，獲得重要度矩陣，然后根據模型計算最后的優先級。易知，由收集的數據計算得五所學校“照明水平”相對重要度，可得準則層“照明水平”對方案層的評價矩陣(表3)。同理，可得其他評價矩陣(表4—表8)。

表3 準則層“照明水平”對方案層的評價矩陣

表4 準則層“眩光感覺”對方案層的評價矩陣

表5 準則層“亮度分布”對方案層的評價矩陣

表6 準則層“室內布局”對方案層的評價矩陣

表7 準則層“桌椅布局”對方案層的評價矩陣

表8 準則層“光源布局”對方案層的評價矩陣

2.2一致性檢驗

在實際評價中，模型需要進行一致性檢驗[4]。本文對層次分析模型進行了適當改進，優化了一種計算原理：利用照明水平的理論最大值λmax與n之差檢驗一致性，檢驗指標為CI與λmax：

(1)首先對準則層第二層“室內布局”的兩因素“桌椅布局”和“光源布局”評價矩陣進行一致性檢驗。依據表2和上述模型計算方法，可得λ=2.000，CI=0<0.1，一致性通過；這說明模型判斷結果可信：光源布局比桌椅布局重要，且優先級分別為0.875,0.125。

3 研究結果與結果分析

3.1 研究結果

基于上述模型的計算結果，權重矩陣A與單因素評價矩陣V進行模糊合成運算[6]，可得綜合評價B=A×V。首先，聯合“照明水平”、“眩光感覺”、“亮度分布”和“室內布局”四個單因素評價集，并略去評語，可得單因素評價矩陣V、權重矩陣A、綜合評價B：

歸一化處理[7]得：

其次，聯合“桌椅布局”和“光源布局”兩個單因素評價集，可得單因素評價矩陣V4、權重矩陣A4、綜合評價B4：

根據綜合評價結果B和B4，本文得出以下結論：由“照明水平”、“眩光感覺”、“亮度分布”和“室內布局”四個因素綜合評價，五個學校排名為B-E-A-C-D；而由室內布局該因素單獨評價，五個學校的排名則依次為B-E-D-A-C。

3.2 結果分析

五個學校教室照明系統的排名依次為：B-E-A-C-D，說明學校B在五校中教室照明系統最為合理。

在四個因素中，權重最大的是“照明水平”。此因素中優先級最高的是學校B，學校B燈光數目是五校中最多的，同時也發現大部分學校的照明水平并沒有達到《建筑照明設計標準GB50034-2004》[8]中規定的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。

亮度分布對于照明系統的影響僅次于照明水平。由模型結果和教室照度的實測數據，本文發現教室四周角落的照度較低，這是因為角落位置只能接收到最近的1～2盞燈的光照，而其余燈的幫助不大。因此在設計教室燈光時要光照均勻，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境亮度比，以降低眩光感覺。

室內布局方面。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目較多(數目為4至6個)，左右兩邊各三個座位的布局方式，因此這一部分所占權重較小。通過模型計算和實測，發現影響光照分布的主要因素是教室的光源分布，相同功率、相同數目的燈具會因為分布不同從而導致燈光效果不同。

4 優化設計

4.1優化計算

4.2優化方案

(1)建議高校教室照明選擇LED燈。LED燈通過控制波長，使顯色性得到提高，且壽命長，可以減輕維修管理的負擔；上文計算的燈盞數量N≧32.6盞，本文基于燈光布局的合理和美觀，設計了圖2的39根燈管方案，保證了照明水平滿足國家標準300LX的規定。

(2)以學校A的教室數據(14m×7.88m×3.15m)為例(圖2)，其中加粗線為燈管(單位cm)。教室燈光每小時的平均能耗為：W=PT=16×39=0.624W，學校A原來教室燈光每小時能耗為：W=PT=35×39=1.37W，所以優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生在低頭時造成的陰影；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，根據人因學原理該布置方式更容易引導學生的視線。

(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老師產生直接眩光，又不能對學生產生反射眩光，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《光環境設計》查表得出教室照明燈具距離黑板距離為0.8m，且黑板布燈的區域為：第一排學生看黑板頂部(本文所調研高校教室通常布置兩塊黑板，下方黑板頂部設為視線標準)并以水平反射到天花板做反射線，區域為反射線以上。根據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計方案側視圖，見圖3。

(5)考慮到教室通常設有多媒體投影，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設計，從而能分開控制；為便于老師調節，建議將黑板照明的控制開關最好置于黑板兩側。

[1]周 杰，李 豪.考慮乘客策略行為的航空客運機票模糊銷售機制研究[J].工業工程與管理,2016(2):151-152.

[2]戴立操,張 力,李鵬程,等.核電廠DCS人因失誤研究[J].工業工程與管理,2014(4):117-118.

[3]譚 政,吳 鋒,朱 靜.數據處理服務外包人因失誤追溯與概率研究[J].工業工程與管理,2013(2):112-113.

[4]汪 建,趙來軍,王 珂,等.地震應急避難場所建設的需求與人因分析[J].工業工程,2013(2):10-11.

[5]劉 斌,宋成利,王殊軼,等.腹腔鏡手術器械手柄人因工程設計與評價[J].工業工程與管理,2013(6):108-109.

[6]安 巖,鄒志紅,王曉靜.基于粗糙集理論的水質模糊綜合評價[J].工業工程,2015(2):2-3.

[7]王美強,李勇軍.輸入輸出具有模糊數的供應商評價——基于DEA博弈交叉效率方法[J].工業工程與管理,2015(2):96-97.

[8]史德強,陸 剛,王 磊.煤礦井下作業人因可靠性[J].工業工程,2015(10):156-157.

[9]劉曉冰,焦 璇,黃 明,等.用混合量子算法求解模糊柔性作業車間調度問題[J].工業工程與管理,2015(6):9-10.

[10]康肖瓊,劉樹林,楊豐尋.操作人員人因失效影響因素研究——以風力發電業為例[J].工業工程與管理,2015(6):132-133.

(責任編輯 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

國家自然科學基金資助項目(71371144)；中央高校基本科研業務費專項(1200219198)；上海市科技發展基金軟科學研究(12692193000)；上海市哲學社會科學規劃課題(2013BGL004)；2016上海市教委專項(B1-5407-15-0001-12)；高校教指委(JZW2016049)和教學團隊項目(B1-5003-15-000109)

杜戰其(1981-)，男，河北邯鄲人，博士，工程師，研究方向為人因工程。

TU

A