居住區道路照明安全感知評價及模擬優化

劉 鳴，劉 玥，劉郁川，焦偉利，劉小雙，劉慧嬋

(1.大連理工大學 建筑與藝術學院，遼寧 大連 116024;2.中國科學院空天信息創新研究院，北京 100094)

引言

住宅道路上的照明是為了滿足道路使用者的需要，如駕駛人、騎自行車者和行人。正如英國標準BS 5489-1:2013[1]所述，住宅道路和區域照明的主要目的是“使行人和騎自行車的人能夠確定自己的方向，探測車輛和其他危險，并阻止針對人和財產的犯罪”。當行人沿著道路行走時，視覺信息有助于他們做出是否繼續前進的決定。為了使道路易于行人通行，必須有適當的照明以使環境和沿路的其他人都具有一定的可見度。然而一味地增加照明也會導致能源的浪費[2]，造成光污染等不良影響[3,4]。據統計，在建筑總成本中，照明設施的成本僅占2%，但是其耗電量卻占到了建筑總用電量的約三分之一，中國照明用電約占全社會用電量的12%左右[5]。因此，找到公眾感到安全的照明閾值，在滿足安全性要求的基礎上減少照明能源浪費具有重要意義。

1 道路照明現狀的測量與主觀評價

1.1 調研路段

通過前期的實地調研和預實驗，選定測量時間為2020年11月13日—15日的19:00—24:00，測量對象為秀月佳苑、桃仙小區、新型新有小區，三個小區均為大連市比較典型的開放型小區，小區主干路與城市道路相連接，車流量較大。小區建筑類型主要由多層建筑組成。測量路線覆蓋主要使用道路和次要使用道路。被測路段燈具均使用高壓鈉燈，燈桿高度在6.0～6.7 m的范圍內，布燈方式多為單側布光，配光類型為半截光型、非截光型，燈光溢散比較嚴重。圖1為秀月佳苑、桃仙小區、新型新有小區的調研路線。

圖1 調研路線及路段名稱

1.2 調研方法

采取實地測量及主觀評價相結合的方法[6,7]，每個居住區選取20～25個測量點，每個測點間隔20～30 m，使測點覆蓋居住區的各級道路。

1) 儀器測量方法。實地測量主要選用CL-70F照度計、SYD-m60 紅外測距儀，19：30左右居住區內路燈已經亮了將近2 h。按《照明測量方法》(GB /T 5700—2008)的規定，選用四角布點法進行測量，對于每個測量點，分別測量該點的地面水平照度、1.5 m處垂直照度、1.5 m處垂直全景照度。其中垂直全景照度表征面部的平均照明水平，以調研路線的前進方向為0°方向，共測-90°、-60°、-30°、0°、30°、60°、90° 7個方向的垂直照度，最后對其取平均值。測量示意圖如圖2所示。

圖2 垂直全景照度測量示意圖

問卷方式使用問卷星及紙質問卷兩種派發方式。問卷內容使用四點量表，也稱為“強制”李克特量表，目的是去掉“中立”的選項，從而迫使觀察者做出更加明確的評估。使用量表評估四個光屬性(光照強度、色溫、均勻性、眩光情況)以及安全性和整體舒適度。用于評估不同參數的具體尺度如下：

1)照度(0——非常弱，1——合理，2——好，3——太強)；

2)光均勻性(0——不均勻，1——略微不均勻，2——相當均勻，3——非常均勻)；

3)安全感(0——覺得很不安全，1——覺得有點不安全，2——感到合理的安全，3——感覺很安全)；

4)整體照明質量(0——不舒適，1——稍有不適，2——相當舒適，3——非常舒適)。

1.3 調研結果

1) 儀器測量結果。對三個小區的各個路段照度值進行統計與計算，計算結果見表1。

表1 各路段照度平均值與最小值

由表1可知，桃仙小區B路段和新型新有小區C路段的照度值較低，秀月佳苑C、D路段和新型新有小區C路段的照度均勻度較差，不利于行人及時判斷地面障礙物、識別他人的身份或意圖。

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2) 主觀評價結果。本次現場調研共回收問卷 64 份，其中有效問卷60份，填寫人員均視力正常。根據 SPSS[8]可靠性分析，問卷的可靠性良好。

各小區的評價結果統計如表2所示，可知新型新有小區的安全性評價值最高，桃仙小區次之，秀月佳苑最低。

表2 主觀評價統計結果

2 實地測量數據與主觀評價結果相關性分析

為了評估安全感評價值是否與照度存在相關性，在SPSS中進行了一項非參數曼-惠特尼U型試驗，以光照水平的平均和中值分解為低照度和高照度兩種情況，比較了不同照明情況的安全性評價。結果顯示，安全感知水平存在顯著差異(P<0.01)，因此光照充足的地方的安全性評估往往比光照不充足的地方高得多。

利用SPSS進一步探索照度水平和安全性評價之間的關聯，分別對不同方向的照度數據原始值和對數變換值進行二元回歸分析，結果如表3所示。可知，在基于三種照明測量(水平、垂直方向和垂直全景方向)的模型中，結合水平方向測量的模型提供了最佳結果。原始照明比例的對數變換進一步提高了模型的擬合度和通用性。這個模型的改進表明安全性評價和照度水平之間的關系實際上是非線性的。

表3 不同方向的照度水平和安全性評價之間的關聯

為了揭示安全性水平(因變量)與儀器測量的光照水平以及其他幾個位置混雜因素(植被密度和交通密度[9-11])之間的聯系，使用了以下通用方程:

FoSi=b0+b1·ILji+b2·VDi+b3·TIi+εi

(1)

FoSi為調查點i的平均安全性評估；ILji為在i點進行的照度測量(水平、垂直方向和垂直全景)的矢量值；VDi為植被密度，由研究人員以3分制評估(0——不遮擋路燈的樹木和灌木；1——部分遮擋路燈的樹木和灌木；2——明顯遮蔽街燈的樹木和灌木)；TIi為由研究人員以3分制評估的實驗測量期間的交通強度(0——15 min內少于5輛車；1——15 min內5～10輛車；2——15 min內超過10輛車)；εi為隨機誤差項。

為了監測解釋變量之間的多重共線性程度，我們使用了方差膨脹因子(VIF)，并且沒有同時將VIF超過預定閾值(VIF > 3.0)的變量引入模型[12]。使用多重回歸分析方法，逐步將影響因子加入分析過程，結果如表4所示。其中，模型2僅把水平地面照明作為解釋變量，模型3增加了植被密度和交通強度評估，模型4添加了居住區模型。

表4 影響安全性評價的因素

根據表4中模型4的分析結果，繪制了安全性評價隨照度水平可能變化的圖像。繪制時所有變量的值(照度除外)被設置為它們的平均水平，而照度水平在0～50 lx范圍內變化。繪制結果如圖3所示。

圖3 安全性評價隨照度水平變化圖

由圖3可知，秀月佳苑的安全性評價均值為1.7，對應的照度水平為15 lx；桃仙小區的安全性評價均值為1.8，對應的照度水平為12 lx；新型新有小區的安全性評價均值為2.0，對應的照度水平為14 lx。在獲得同等安全感評價的情況下，秀月佳苑所需要的照度水平要大于桃仙小區和新型新有小區，分析原因是新型新有小區的道路底層商鋪較多，且街道上行人數量最多，有助于安全性評價的提升；而秀月佳苑的部分燈桿間距較大，樹木遮擋照明的情況較多，導致了照明的均勻性較差，安全感相對較低。

同時，針對這三個典型居住區的分析表明，更高的光照水平并不一定意味著安全感評價水平的同等增加。0～3范圍內的安全性評價均值為1.5，高于1.7可以認為安全性評價較好，如圖3所示，AB段表示達到安全性評價值1.7時，三個小區對應的照度值范圍為5～11 lx，照度達到11 lx后，安全性評價隨照度值增加的速度變得越來越緩慢。因此，在5～11 lx照度水平下，安全性的評估值可能已經處在較高水平，超過該閾值的照度水平增加可能只會導致安全感水平的輕微上升。

結合以上分析及現有照明標準的要求，對于居住區內車行量較少的人車混行道路，得出照明的推薦值為：水平照度5 lx≤Em≤11 lx，最小水平照度Emin≥1 lx，最小垂直照度Evmin≥1.5 lx，最小半柱面照度Escmin≥1.0 lx。根據此推薦值對不滿足要求的路段進行模擬分析與優化。

3 運用 Dialux evo 軟件對新型新有小區道路照明現狀進行模擬優化

由于桃仙小區B路段和新型新有小區C路段的照度現狀未達到照度推薦值，利用Dialux evo 軟件[15]，以新型新有小區C路段為例，模擬路段照明并通過調整四個參數(燈柱間距、亮點高度、燈臂傾斜度和光突出距離)來優化道路照明。

3.1 模型建立與參數設置

Dialux evo中默認的照明標準是歐美道路照明標準(EN13201)，為了適應我國照明標準，將各項參數設置為《城市道路照明設計標準》(CJJ 45—2015)[15]中規定的標準值。

以新型新有小區C路段為原型在軟件中建模，C路段路寬4.8 m，燈桿距人行道6 m、現有燈具選用立桿式、燈具功率為65 W，燈桿間距測得為30 m，燈桿高度為6.3 m，單側布燈。根據照明現狀實測值建立的參數模型和等照度值如圖4、圖5所示，不能滿足標準值及安全性的要求。

圖4 實際照明情況的照明模擬評估

圖5 實際照明情況等照度值模擬

3.2 現狀模擬與結果分析

為使道路照度滿足照明標準及安全性的需求，在Dialux evo中進行優化方案測試，共測試四種方案，設定如下：

方案1通過調整燈桿間距來使各項參數滿足標準值，當燈桿間距被調整為10 m 時，各項參數滿足要求。方案2通過調整發光點高度來使各項參數滿足標準值，當發光點高度被調整為 8.0 m 時，仍有三項參數不能滿足要求。方案3通過調整燈桿間距和發光點高度來使各項參數滿足標準值，當燈桿間距為20 m、發光點高度變為8.5 m時，各項參數滿足要求。方案4調整燈桿間距為22 m、發光點高度為8 m、燈臂斜度為5°、光突出部分為-1.5 m，來使各項參數滿足標準值。四種方案的優化結果如表4所示。

表4 四種優化方案的優化結果

比較方案 1、3、4，優化指標數量越多，路面照度和亮度均勻度越好，方案4既能減少燈具用量，降低燈源消耗，同時也能滿足照度推薦值的要求，可以被采納。方案4等照度值及偽色圖如圖6、圖7所示。

圖6 方案4的等照度值模擬

圖7 方案4偽色圖

4 結語

居住區室外空間合理的照明設計和良好的照度質量有利于居住區照明的節能與安全，在大連實地調研后，發現不同的小區照明環境有較大差異。其中，一些建設年代較早的開放型小區部分路段照明由于缺乏合理設計和維護，安全性較差，存在問題如下：

1)小區人車混行道路因采用 LED 路燈和非截光型燈具而導致眩光現象較明顯；

2)小區宅前路照度處于較低水平，有些小區由于年久失修，部分燈具損壞、無法提供照明；有些小區的宅前道路不設置照明，安全性較差；

3)部分小區道路的路燈隨著周邊樹木生長而導致照明燈具被遮擋，造成照明不足、照度不均等情況；

4)小區室外照明設計多采用立桿式照明，照明方式單一，缺乏特色與趣味性。

針對這些問題，可以提出一些優化措施：首先，居住區內道路照明應采用截光型燈具，減少燈光溢散和眩光；其次，提高組團級道路及宅前道路的照度，增加路燈數量，及時進行路燈的維護與更新；另外，定期修剪道旁樹木，保證樹木枝葉不遮擋燈具光線，實現道路照度均勻度的改善；最后，對于小區景觀、健身等區域的道路，在滿足功能性照明的需求下，增加照明的樣式，營造獨特的景觀氛圍，增加夜景照明的美觀性和趣味性。