基于F-AHP的室外公共空間疏散照明評價研究

鄭 策，張明宇

(1.天津大學，天津 300072；2.天津商業大學，天津 300134；3.天津大學 天津市建筑物理環境與生態技術重點實驗室，天津 300072)

引言

從國家統計局的統計數據可以看出，2019年國內城鎮化率超過了百分之六十，居民戶籍城鎮化率接近百分之四十五。同時，“十四五”規劃也提出要推進新型城市建設，提升城市智慧化水平，推行城市樓宇、公共空間、地下管網等的數字化管理和城市運行的一網統管。可見，城市化進程必然伴隨各類文化、社會活動公共空間的持續發展，“安全”將成為首先需要考慮的設計問題，避免類似2010年柬埔寨金邊踩踏事件、2014年上海外灘踩踏事故再度發生。通過調研發現，設計標準及設計思想的滯后仍會在未來很長時間內造成公共空間在疏散過程中的安全隱患，如2020年10月，阿富汗東部城市賈拉拉巴德的一處露天場地發生踩踏事件，造成至少15人死亡；2021年3月，坦桑尼亞前總統悼念活動上發生踩踏致45人死亡等。與此同時，學者們也對公共空間疏散問題開展著持續性的研究，現有研究中，關注設計策略的較多，如構建基于Pathfinder模型[1]、Dijkstra算法[2]的疏散策略等；面向仿真進行分析也較多，如基于影響人群踩踏若干因素進行仿真分析[3]；基于模糊算法構建仿真模型[4]等；也有重點關注疏散路徑的，如構建了基于改進蟻群算法的疏散路徑規劃模型[5]；形成了基于疏散路線個人風險分布特征分析的疏散路線優化方法[6]等，針對疏散時間靈敏度[7]、社會行為驅動[8]等展開思考，同時，也開始關注照明設計的疏散功能，進行了面向安全疏散視角的街道自然采光分析[9]、面向可視性的應急疏散標識布局設計研究[10]等，體現了其中照明設計的必要性，許多研究成果是現代大型公建疏散照明分析、設計的依據和工具，但開展評價研究的較少。

目前，多屬性、多指標的綜合評價方法應已成為評價方法的主要研究方向，運籌學專家Saaty教授1970年提出[11]了層次分析法。近年來，設計領域內層次分析法在景觀規劃[12]、產品設計[13]等都有較多使用。此外，在智慧照明設計過程中也運用層次分析作為設計評價的手段[14]。相比之下，該評價方法在室外公共空間應急照明疏散功能評價設計中應用較少。因此，為了進一步解決室外公共空間的安全疏散問題，本文將基于F-AHP展開室外公共空間照明疏散功能評價研究，嘗試將層次分析法和模糊綜合評價法運用在應急照明設計評估中，采用定性和定量相結合的分析方法，提出室外公共空間應急照明疏散功能的多層次和多要素評價分析模型，以室外公共空間應急照明設計為例，利用模糊評價方法對具體的設計方案進行設計評價，以此得到客觀、嚴謹的評價結果，為室外公共空間應急照明設計提供依據。

1 評價模型的構建與關鍵點分析

1.1 基本程序分析

室外公共空間類型豐富、層次多樣，大到廣場、公園、街道，小到街頭綠地、社區活動場地等，其空間疏散能力需由政府部門、專業設計人員、社會力量和普通用戶等多方參與和協同，涉及照明的環節需要諸多設計因素的影響，這就導致室外公共空間應急照明疏散功能的量化評價比較復雜。

層次分析法，可以解釋為依據評估要素建立判斷矩陣進行評價分析，可以幫助多特征值分析問題構建定性、定量相結合的決策分析方法。在研究路徑上，首先公共空間應急照明疏散功能在設計過程中所涉及的因素進行分層，形成科學的評價指標；再結合設計調研數據，應用數學計算得出評價指標的權重值并進行排序；最后，運用模糊綜合評價法得出綜合分析數據，完成對公共空間應急照明疏散功能的量化評價。綜上，基本分析步驟如圖1所示。

圖1 基本分析步驟Fig.1 Basic analysis steps

1.2 F-AHP評價層次模型

評價模型包括目標層、準則層和方案層。第一， 目標層。目標層是照明效果評價要達到的最終目的， 即合理的公共空間應急照明設計方案；第二，準則層。依據目標層進行準則層分析，可知面向室外公共空間疏散照明設計評價應基于空間本身的防災避險功能分析開展，國內學者對公共空間防災避險功能已有研究，如強調應急照明應明確辨識疏散路徑、疏散方向、安全出口的位置、所處位置等[15，16]，表明這些可以被定義為目標層的主要影響因素。因此，在準則層內需要考慮具體的照明標準、用戶感受(主要指用戶對疏散照明設計防災避險功能的主觀感受)以及公共空間的疏散特性；第三，指標層。指標層內容為針對照明效果具體的評價指標，可以參考上述準則層完成實踐中評價指標的定義。具體而言，“照明標準”包含照明清晰度、眩光適度、照度均勻度和光色感覺；“用戶感受”用感性意象詞匯描述，包含安全的、舒適的和明亮的，且主要用于表達用戶的主觀感受，需要在后續的仿真實驗中依據實際情況選擇合適的照明指標；“疏散特性”包含疏散路徑明確的、障礙無干擾、標識清晰和人流可控。應該注意到，為了更好地研究疏散照明與用戶感性意象的匹配，需要將照度均勻度和光色感覺納入到照明指標中，指標層在具體元素的選取上應不能產生相關性，因此，“亮度”和“照度”指標、“亮度均勻度”與“照度均勻度”須進行選擇。據此，確立照明方案評價的層次結構，如圖2所示。

圖2 照明方案評價的層次結構Fig.2 Hierarchy of lighting scheme evaluation

1.3 模糊綜合評價

設計評價較為模糊[10]，通常不可避免地要反映出參與評價者較為強烈的主觀性。那么，為進一步增強評價的科學性，學者扎德在20世紀60年代提出了模糊集合的概念，對如設計評價這一類問題進行量化分析，評價過程如下：

(1)選定若干用戶用于設計評價的要素。可用a={b1，b2，b3}表示，分別為準則層中各項指標，確定評估要素子集為bi={bij} (i，j=1，2，3，…，n)。

(2)確定評價等級及其對應標準。評價等級可以用如下集合表示：F={F1，F2，F3，F4}，對應具體的分值可用集合{90，80，60，50}表示，轉換為向量后H=(90，80，60，50)T。

(3)確定不同層次要素的權重向量。計算各評估要素的最終權重向量(用W表示)。

(4)構建方案層對各方案模糊綜合評價矩陣。具體地，參與評價的用戶將依次針對目標方案的方案層中的各個評價要素展開評價賦值。同時，考慮到設計要素賦值過程本身融入了用戶過多的主觀性，那么，這里只需統計用戶打分的次數，構建具體設計要素與評語登記到對應關系即可，在此基礎上去完成模糊綜合評價矩陣的構建，用X表示；然后，根據單因素模糊綜合評價矩陣，可計算得出設計方案的評價權重向量如式(1)：

P=W×X

(1)

式中，P—設計方案的評價權重向量；

W—評估要素的最終權重向量；

X—設計要素的模糊綜合評價矩陣。

進行設計要素的綜合評價模型，并得到百分制評價結果如式(2):

N=P×H

(2)

式中，N—百分制評價結果；

P—設計方案的評價權重向量；

H—評價等級分值的集合向量。

2 仿真設計實驗——基于室外公共空間應急照明設計

根據上述層次分析法分析，本文將選取室外公共空間應急照明設計展開具體的實驗，在實驗中將依據方案層中的照明參數進行不同導向的方案設計，以此完成仿真及評價篩選。

2.1 實驗準備

第一，參與仿真實驗的被測試者設定。為提高仿真實驗的準確性，需要參與實驗者具備一定的專業理論水平，且應能在短時間內理解VR仿真場景內設計指標的效果呈現，因此本次被測試者為具有高級職稱的專家用戶，且均通過了色盲測驗(石原氏法)，為VR仿真實驗的正常開展提供基本保障。

第二，基于Twinmotion軟件的VR仿真實驗。室外公共空間照明設計方案依次通過Twinmotion軟件轉換為VR仿真場景，提供給被試者進行沉浸式、全方位的觀看體驗，每個方案呈現120 s，完畢后在額外的60 s內針對方案感受進行評價賦值(90，80，60，50)，然后休息120 s再進行下一方案體驗，保證視覺感受的舒適性。

2.2 用戶調研及場景構建

通過對上海、深圳、杭州等城市的室外人流密集公共空間應急照明現狀進行了考察分析。具體而言，對上海外灘、深圳福田中心、杭州城市陽臺等10余處室外人流密集公共空間的設計類型、照明配給等情況等進行調研，如圖3所示，確認室外公共空間作為典型設計作為本次實驗的照明仿真設計研究目標。

圖3 調研室外人流密集公共空間Fig.3 Research outdoor crowded public space

第一，由15名設計學類、建筑學專業高校師生為主的用戶參與評價，計算各層級評估要素的權重，并確認整體層次結構中各個方案指標的權重，統計由yahhp軟件完成，各層級權重結果如圖4所示，整體權重擬合后結果如圖5所示。

圖4 各層級要素權重結果Fig.4 Weight results of elements at each level

圖5 各個方案指標的權重Fig.5 The weight of each scheme index

第二，經計算機輔助建模后的場景方案，圖6為引導優先方案，圖7為節能優先方案。

圖6 引導優先方案Fig.6 Bootstrap priority scheme

圖7 節能優先方案Fig.7 Energy conservation priority scheme

2.3 仿真實驗方案確立與量化評價

在VR實驗場景中，虛擬光源選用了白色LED為主，依據照明標準對燈光基本參數進行了設定，以此作為兩個照明方案的設計基礎，基于BIMmotion插件構建的Twinmotion的VR場景(圖8)，用戶可通過虛擬現實設備對場景進行感知與評價，本次實驗選取的是HTC-VIVE虛擬設備，具體實驗過程如圖9所示。

圖8 VR輔助照明場景(示意)Fig.8 VR auxiliary lighting scene (schematic)

圖9 實驗過程演示Fig.9 Experimental process demonstration

基于模糊評價理論的設計評價。將實驗數據結合文中設計評價相關公式進行計算與分析，可量化分析用戶對各個照明設計場景評價，因涉及較強的專業性，為保證評價結果的準確定，評價將基于5名具備高級職稱的專家用戶展開，只統計各分值的打分次數，以此構建方案對各模糊綜合評價矩陣，X1表示準則層照明標準的方案層對方案的模糊綜合評價矩陣；X2表示準則層“用戶感受”的方案層對方案的模糊綜合評價矩陣；X3表示準則層“公共空間疏散特性”的方案層對方案的模糊綜合評價矩陣，形成最終評價結果如表1所示，可得知方案1更優。

表1 評價結果Table 1 The evaluation results

3 結論

以提高室外公共空間疏散效率為目的，文中通過提出基于層次分析法與VR仿真的評價實驗方法，研究照明對疏散行為的影響。基于心理學和行為學分析，結合模糊綜合評價法(F-AHP)對室外公共空間逃生行為及影響因素進行研究，并依據層次分析法完成了5名專家用戶的VR仿真設計評價實驗，形成評價指標并構建判斷矩陣輸出評價結果，完成照明疏散功能評價，具有一定的參考價值。

同時，本研究具體的實驗是針對室外公共空間照明設計的初步研究，實驗樣本以室外公共空間的兩種場景設計為依據進行。因此，實驗在樣本的選擇上存在局限性，未來將開展更多空間的研究和實驗，以進一步提高分析方法的適用性。