基于模糊物元法的室內光環境質量評價研究

朱雅麗

(昕諾飛(中國)投資有限公司, 江蘇 南京 210000)

引言

良好的光環境不僅是人類生產作業活動中重要組成部分，更是人們視覺健康的有力保障。據統計，在人的一生中大約有80%的時間是在室內度過的，且通過視覺神經系統獲取87%的信息[1]。因此，合理、科學地開展室內光環境質量評價，對提高人們生活質量、工作效率以及生活安全起著積極的作用，具有極大的社會效益[2]。

目前，關于室內光環境質量評價研究已有學者進行了研究。王秀華等[3]將模糊綜合評價法應用到室內光質量評價中，構建殼基于模糊綜合評價模型。測試結果表明，基于該評價模型的評價結果與實際相符，評價方法有效。但是，該評價模型存在著依賴主觀權重，沒有充分利用客觀檢測數據進行評價。李志榮等[4]對國內外目前采用的室外光環境評價9種方法進行了分析和梳理，總結了其優缺點，展望了室外光環境評價的研究方向和發展趨勢。但是，整篇沒有案例的表述，無法體現理論應用至實際的思想。黃璐等[5]針對地鐵光環境質量評價進行了研究，結合問卷調查和模糊綜合評價模型，結合實例對地鐵光環境質量進行評價，同樣，該文獻沒有有效利用客觀檢測數據進行評價，評價結果過于主觀。劉剛等[6]針對辦公室光環境設計與評價存在的問題，提出了基于評價實驗的辦公室光環境舒適度研究，根據照明指標對舒適度的影響量化數據，提出了辦公室光環境評價數學模型，該模型可為辦公室照明設計與評價提供參考。張敬怡等[7]開展了實驗室內閱讀環境照明舒適度的主觀評價研究，通過集成學習XGBoost算法，得出VDT閱讀照明舒適性的三個等級。

綜上所述，目前室內光環境質量評價過于依賴主觀權重。因此，本文以某辦公大樓總部照明工況為例，建立基于定性與定量的室內光環境質量評價指標體系，將模糊物元模型[8-10]運用到室內光環境評質量價中，通過其綜合評價結果了解到室內照明設計中照明質量的優劣，從而有目的地進行改進。

1 室內光環境質量評價指標體系

室內光環境主要由人工光和自然光組成，它的主要功能滿足人們在室內生活和工作中的物理、視覺、心理、節能、綠色、美學等的要求，為滿足上述要求，考慮舒適性、美觀性、經濟性作為評價室內光環境評價指標體系的重要內容。

影響室內光環境質量的因素除了上述內容外，更為重要的因素有照度水平、亮度分布、光色、顯色性、眩光、透光方向以及造成立體感等。這些因素影響著室內光環境質量的優劣。根據GB 50034—2013《建筑照明設計標準》，考慮將照度值、眩光值、照度均勻度以及顯色指數作為室內光環境質量評價指標體系中的重要內容。建立室內光環境質量指標體系如表1所示。

表1 室內光環境質量評價指標體系

2 室內光環境質量評價模型

2.1 模糊物元矩陣的確定

模糊物元是將評價對象M、評價對象的指標C以及評價對象的指標值X結合起來，構成描述事物的單元，記R=(M,C,X)。若評價對象有m個M1,M2，…，Mm，則在以上評價對象中需要室內光環境質量的區域為前k個，后m-k個評價對象為每個區域光環境質量評價指標等級數，則室內光環境質量評價物元矩陣Xij如下表示。

(1)

2.2 從優隸屬度模糊物元的確定

在室內光環境質量評價指標體系中，每個評價指標之間的量綱和量綱單位往往不同，進行評價之前，應對每個評價指標進行規格化處理，使得評價指標的絕對量變為相對量，即為指標值得無量綱化處理。在評價時，有的指標值越大越優屬于效益型指標，有的指標值越小越優屬于成本型指標。舒適性、美觀性、經濟性、照度值、顯色指數以及照度均勻度屬于效益型指標，即指標值越大越優，其無量化處理公式為：

(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

(2)

眩光值屬于成本型指標，即指標值越小越優，其無量化處理公式為：

(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

(3)

式(2)、(3)中，rij為無量化處理后的數值，maxxij=max(x1j,x2j,…,xmj),(j=1,2,…,n)為第j個指標的最大指標值，minxij=min(x1j,x2j,…,xmj),(j=1,2,…,n)為第j個指標的最小指標值。利用上述公式對模糊物元矩陣Xij進行處理，可得從優隸屬模糊物元矩陣Rij如下所示。

(4)

2.3 標準模糊物元及差冪復合模糊物元的確定

標準模糊物元的確定一般由從優隸屬度物元Rij中選定，從各個評價對象中選擇各指標中的最大值或最小值最為標準模糊物元的數值，即得出標準模糊物元公式R0j：

(5)

將標準模糊物元R0j與從優隸屬度模糊物元Rij中的每項進行差冪計算，得出差冪復合模糊物元：

(6)

式中：q為標準模糊物元與從優隸屬度物元之間的差值的冪，dij=|r0j-xij|q(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)為標準模糊物元與從優隸屬模糊物元之間的差值。

2.4 室內光環境質量評價指標權重的確定

常見評價指標權重確定的方法有基于主觀因素的層次分析法[11]、熵值法[12]等，基于客觀數據的粗集理論確定權重[13，14]等。室內光環境質量評價指標體系中存在定性指標與定量指標，并且在評價過程中某一個指標超出標準值，室內光環境的質量就會發生變化。因此，本文采用超標加權法確定室內光環境質量評價指標權重可以解決上述問題達到主觀因素與客觀因素的統一。超標加權法確定權重公式如下：

(7)

(8)

(9)

2.5 復合模糊物元貼進度的確定

在模糊數學中，貼進度表示兩個模糊子集相互靠近的程度。在本文中，貼進度表示待評價的室內光環境質量(評價樣本)與室內光環境質量標準等級中對應的光環境質量(標準樣本)相互靠近的程度。所得貼進度越大，則待評價樣本與標準樣本越接近；反之，則相反。計算貼進度公式為：

(10)

式中，wij為第i個需進行光環境質量評價的區域的第j個室內光環境質量評價指標的權重，若q=1，該貼進度為海明貼進度；q=2為歐式貼進度。

根據公式(10)可得出每個需進行室內光環境質量評價的區域的綜合模糊物元貼進度：

(11)

3 實例分析

3.1 室內光環境質量評價

在某辦公大樓總部中，現選取5處照明設計不同、燈的使用不同、照明工況條件不同的區域，通過現場檢測、施工圖紙審核以及歷史數據等得出實際的光環境質量的狀況。其中，指標值獲取來源：

舒適性、美觀性、經濟性：為定性指標，根據施工設計圖紙、燈具的規格型號以及現場照明感受記錄等數據，以滿分100分計分。

照度值、眩光值、照度均勻度以及顯色指數：為定量指標，現場檢測人員分別對選取的5處區域分別檢測，通過照度儀進行測量。

具體統計數據如表2所示。

表2 選取某辦公大樓5處區域光環境質量數據統計

根據GB 50034—2013《建筑照明設計標準》，室內光環境質量評價指標劃分為五級，等級劃分如表3所示。

表3 選取某辦公大樓5處區域的光環境質量評價指標等級

根據公式(1)以及表1、表2得出某辦公大樓5處區域的光環境質量評價物元矩陣：

根據公式(2)、(3)得到某辦公大樓5處區域的光環境質量評價從優隸屬度模糊物元矩陣：

由公式(4)、(5)可得某辦公大樓5處區域的光環境質量評價的差冪復合模糊物元：

根據公式(6)～(8)可得某辦公大樓處區域的光環境質量價指標的權重：

由公式(9)、(10)可知海明貼進度復合模糊物元：

3.2 室內光環境質量評價結果分析

根據以上計算結果知，編號1的區域光環境質量達到Ⅰ級室內光質量等級，其光環境質量最優可以歸結為以下原因:編號1為某辦公大樓進戶門大堂，該大堂融合了LED時代下控制照明系統所帶來的先進技術與藝術之美，同時高品質的筒燈保證了良好的室內光品質，高效率的燈具結合日光感應控制，充分體現其經濟效益。經過照度儀實測，大堂平均照度值在285～300 lx之間，符合國家照明照度最優標準。

編號5為該辦公大樓二樓走廊，相比于編號2會議洽談區、編號3茶水間區域、編號4衛生間區域，照度值偏低，燈具性能較低，空間舒適度欠佳。結合各區域照度情況，建議二樓走廊區域增加燈具數量，提升燈具效率，提高光品質，從而達到高效、舒適的光環境。

4 結語

本文研究了基于模糊物元的室內光環境質量評價,建立了模糊物元模型，通過實例分析了某辦公大樓5處區域最優的設計，并且對比了各個區域的照明狀況，找出影響其照明質量的主要因素，為室內照明設計制造提供參考意見。