一種快速準確測量照明空間統一眩光指數的方法

王銀飛，張曉暉，張 爽，張雨晨

(海軍工程大學兵器工程學院，湖北 武漢 430033)

引言

眩光對人的心理和生理機能均有一定影響[1-2]，也是衡量照明環境舒適性的一個重要尺度[3-4]。長期生活工作在眩光嚴重的照明環境中，不但會降低工作效率，而且不利于身心健康。因此眩光是一個評價照明質量的重要指標。統一眩光指數(UGR)主要用于評估室內不舒適眩光水平。對UGR模型的評價以及該模型的適宜使用條件已經有較多研究[5-6]，對于如何測量照明空間的UGR值也有相關研究[7]，然而對于UGR測量時測點的設置研究還較少。根據GB 50034—2013《建筑照明設計標準》[8]，測量UGR時需要在被測照明空間中設置一系列測點，測量每個測點的UGR，然后取最大值作為被測空間的UGR值。對于測點設置，文獻[8]在UGR的應用條件中給出的建議是：測點應設置在縱向和橫向兩面墻的中間，測量方向水平朝前。但是實測時發現最大UGR值所在測點并不一定在兩面墻的中間，方向也并不一定水平朝前，按照這種方法設置測點并測量UGR值時，可能漏掉最大UGR值所在點。當照明空間較大或較復雜時，應設置多個測點，但是要確定每個測點UGR值都需要測量背景亮度、每個燈具亮度、每個燈具發光部分對觀察者眼睛所形成的立體角、燈具與測點的相對位置等多個參數[8]，要想確定照明空間的UGR，測量工作較為繁雜。本文將Dialux evo軟件仿真計算引入UGR的測量，提出根據仿真計算結果設置測點再測量UGR的新方法，并在暗室中進行相關實驗以驗證該方法是否能減少測量UGR時設置的測點數，簡化實測工作，并準確測得最大UGR值。

1 UGR的標準測量方法及分析

眩光是由于視野中的亮度分布不均勻、亮度不適宜或空間上存在極端的亮度對比所引起的不舒適感或降低對目標物體觀察能力的視覺現象。根據眩光對于人眼的影響可將眩光分為不舒適眩光和失能眩光兩種，本文主要討論不舒適眩光。

1.1 標準UGR模型及測量方法

圖1和圖2分別為UGR模型示意圖與UGR測量模型示意圖，公式(1)為UGR計算公式[8]。

圖1 UGR模型Fig.1 UGR model

圖2 UGR測量模型Fig.2 UGR measurement model

根據公式(1)需要在每個測點上分別測量背景亮度Lb、觀察者視線方向上每個燈具的亮度La、每個燈具對觀察者眼睛所形成的立體角ω、每個燈具的古斯位置指數(即視線方向的偏移)P才能求得該測點的UGR。

照明空間的UGR值是該空間最大UGR值所在測點測得的UGR值，即測量UGR時需要在被測照明空間中設置一系列測點，測量每個測點的UGR，然后取最大值作為被測空間的UGR值。對于測點設置文獻[8]在UGR的應用條件中給出的建議是：測點應設置在縱向和橫向兩面墻的中間，測量方向水平朝前，如圖4中所設置的測點1～10及其測量方向。設該空間第n個測點測得的UGR值為U1n，該空間的UGR值記為UGR1，則該空間的UGR值可由公式(2)求得。

(1)

UGR1=Max{U11，U12，…，U110}

(2)

1.2 實測結果與分析

本文依據文獻[8]中UGR測量模型和應用條件，對某一暗室的UGR進行實測。暗室長4.0 m、寬3.1 m、頂高2.5 m，四面墻體及頂部統一粉刷白色涂料(反射系數0.90)，地面為淺灰色木質地板(反射系數0.38)，入口用涂有相同白色涂料的木板封住，暗室規格和燈具布置如圖3和圖4所示。測點高度設為人坐姿眼高1.2 m。坐標系(如圖2所示)以地板面左下角為原點，z軸垂直于地板面，x、y軸如圖2與圖3所示，方燈中心和測點的坐標如表1所示。方燈發光面積為0.30 m2,光通量2 900 lm。圖4和圖7中的網格均為邊長1 m的方形網格，用于輔助測點的設置。

圖3 暗室坐標系建立Fig.3 Darkroom coordinate system established

圖4 UGR測點及測量方向Fig.4 UGR measuring point and measuring direction

為了找出最大UGR值，實測時按照表1和圖3所示位置與方向設置了較密集的10個測點(如圖4中測點1～10)，每個測點的Lb，La由LS-100亮度計測3次取平均值求得，測量結果如表1所示。立體角ω由燈具發光面積(方燈0.30 m2)和燈具中心與測點的相對位置求得[8]。古斯位置指數P只由燈具與測點的相對位置求得[8]，燈具和測點的相對位置通過坐標(見表1)確定，得到La、Lb、ω、P后帶入UGR公式[見公式(1)]即可求得各個測點的UGR實測值。各個測點的UGR實測及計算結果如表1所示。

表1 UGR實測值

注：*表示測點太靠近燈具正下方，眩光小(可忽略)，無法計算UGR

由測量結果和公式(2)可得該空間的UGR值為

UGR1=Max{U11，U12，…，U110}=U11=12.51

實驗實測得暗室UGR值為12.51，并且認為暗室最大UGR值在測點1處。這種方法測得的UGR值在一定程度上可以反映被測空間的眩光水平。然而測點1處測得的UGR值只是所設置測點1～10中測得的最大值，暗室最大UGR值所在點不一定在測點1處，所以測得的12.51不一定是暗室最大UGR值，不一定能準確的反映被測空間真實的眩光水平。

1.3 測量結果分析

Dialux evo 是一款被廣泛使用的用于仿真計算眾多光學指標的專業照明設計軟件，仿真計算精度已被世界多個實驗室驗證。軟件仿真計算UGR時，可以設置點計算元件，即仿真測點，設置仿真測點的位置及其方向與測點實測時一致便可得到各測點的仿真值，也可設置區域計算元件，設置區域計算元件為整個暗室區域便可仿真計算出暗室的最大UGR值。設第n個測點仿真值為U1n′，暗室的最大UGR值的仿真值為UGR1′。仿真結果如表2所示。

表2 UGR仿真值及誤差

由實驗結果知UGR仿真與實測值最大誤差為4.90%，表明在誤差允許范圍內Dialux evo建模可以較好的仿真計算暗室的UGR值。

由表2可知測點1～10仿真的最大值所在位置同實測一致，在測點1處為12.67。然而仿真計算出暗室的最大UGR值為13.10，說明在暗室的最大UGR所在測點處仿真的UGR值應該為13.10，而測點1～10中并未包含最大UGR所在測點。按這種測量方法設置測點求暗室UGR時漏掉了最大UGR測點，求得的不是最大值。而且實測時設置了10個測點，測量工作較為繁雜。

2 改進的UGR測量方法

先設置區域計算元件為整個暗室區域，仿真計算出暗室的最大UGR值，再設置一系列仿真測點，找到仿真值與暗室最大UGR值相等的測點，該測點所在位置就是暗室最大UGR值所在的測點位置，在該測點處實測暗室UGR即可得到暗室的最大UGR實測值。

2.1 測量方法簡介

軟件在仿真計算仿真測點UGR時，以給定步長間隔計算仿真測點0°～360°全方向上的UGR值，然后取所計算的方向中最大UGR值所在方向作為測點的測量方向，取所計算方向中最大的UGR值為測點的仿真UGR值。仿真計算設置的區域計算元件時，會在所設置的區域計算元件內生成密集的仿真測點陣列(可人為設置)，計算陣列中每個仿真測點的UGR值然后取最大的UGR值作為所設置區域的UGR值，設置該區域計算元件為整個暗室區域便可仿真計算出暗室的最大UGR值。在暗室中設置區域計算元件和一定數量仿真測點，通過仿真計算便可找出暗室的最大仿真UGR值和最大UGR值所在點及方向。測量方法流程如圖5所示。

圖5 改進測量方法流程Fig.5 Improve the measurement method flow

仿真時設置較為密集的仿真測點可以使得預判的最大UGR位置更加準確、精確，此外Dialux evo軟件仿真時需要導入對應燈具的ies文件，當照明燈具自身特性不容易準確描述時，若能測得燈具的光通量、空間等照度曲線等參數，生成ies文件導入軟件，也可以使得預判的最大UGR位置更加準確、精確。

2.2 測量結果與分析

由表2知，仿真計算出暗室的最大UGR值為13.10。為找出暗室的最大仿真UGR值所在測點及其方向，在暗室中設置4×5個仿真測點，如圖6所示。求出每個測點仿真值U1n′及其測量方向，以x軸為0°方向逆時針旋轉，每個測點的仿真UGR值及方向在其對應位置給出，如圖7所示。

圖6 仿真測點設置Fig.6 Simulation point setting

圖7 對應的UGR仿真值及方向Fig.7 Corresponding UGR simulation values and directions

由圖7仿真結果知，所設置的20個仿真測點中UGR值最大的兩個值為U111′=13.1和U112′=13.0(圖6中標出的測點11、12)與仿真計算出的暗室最大UGR值為13.10一致，可認為測點11或12處為可能的最大UGR所在點。依據此結果在仿真測點11和12處設置實測點進行實測，測點位置及方向同圖6相同，測量及計算結果如表3所示。

由表2與表3可知測點11為最大UGR值所在點，在測點11處實測的UGR值13.21為暗室實測的最大UGR值。

表3 改進方法實測UGR

實驗結果表明，改進的方法實測暗室UGR值時可找到最大UGR所在點并準確測得暗室的最大UGR值。最大UGR值在測點11處，未在暗室兩面墻的中點上，測量方向也不是水平朝前。此外改進方法中只實測了2個測點，減少了需設置的測點數和許多繁雜的測量工作。

3 對改進測量方法的實驗驗證

實際照明空間可能大小和形狀各異，燈具數量和布置方式也不同，照明環境復雜多變，被測空間最大UGR值不一定在兩面墻的中點上，最大值方向也不一定朝向前方，第2節已有所體現。如圖8所示，在暗室布置發光面積為0.30 m2的方形燈(光通量2 900 lm)和0.30 m2的矩形燈(光通量2 600 lm)，并設置編號1～8的8個測點，記暗室實測UGR值為UGR2，暗室區域仿真值為UGR2′，第n個測點實測值為U2n，第n個測點仿真值為U2n′。

按照1節中所述未改進的UGR測量方法設置測點1～7及其方向(靠近燈下方UGR值太小，未設測點)，測量及計算過結果如表4所示，由實驗結果可知，按未改進的測量方法測得暗室UGR值為

UGR2=Max{U21，U22，…，U27}=12.50

按照第2節中所述改進的UGR測量方法，設置區域計算元件為整個暗室區域，由表4知仿真計算得到的暗室區域的仿真值UGR2′為12.70，然后在暗室設置仿真測點陣列，仿真計算后求得最大UGR值可能的所在點在測點1(U21′=12.10)或8(U28′=12.70)處，然后在測點1和8處進行了實測，測點1和8的位置及測量方向如圖8所示，測量結果如表4所示。

圖8 燈具布置及測點設置Fig.8 Lighting layout and measuring point settings

表4 雙燈暗室UGR測量、仿真及計算結果

由表4知，暗室最大UGR值在測點8處，測得UGR值為13.40，即改進的測量方法測得的暗室UGR值為13.40。改進方法只實測了測點1和測點8兩個測點。

本文在暗室中設置了2組實驗，第一組布置一盞方燈，如圖4所示，第二組實驗將一盞方燈和一盞矩形燈布置在既不縱向對稱也不橫向對稱的位置，如圖8所示。對兩組實驗中照明空間的UGR用改進的和未改進的兩種方法都進行了實測，實驗結果表明最大的UGR值所在位置不一定在兩面墻的中間，最大UGR測量方向也不一定水平朝前，未改進UGR測量方法可能漏掉暗室最大UGR值所在點。改進的方法可準確找出最大UGR值所在測點，準確測得暗室UGR值。而且減少了實測時設置的測點數，減少了測量工作。

4 結論

本文將Dialux evo軟件仿真計算運用到照明空間UGR的測量中，提出了一種快速測量UGR的新方法，并對其可行性、準確性在暗室里進行了驗證。實驗結果表明這種改進的UGR測量方法不僅可以通過減少需設置的測點數和從仿真中直接獲取燈具與測點相對位置等參數減少繁雜的測量工作，而且可以找出被測空間最大UGR值所在點，準確測得最大UGR值，從而可靠地反映被測空間的真實眩光水平。

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