劉 鳴 馬 劍 張寶剛 王 丹 劉 剛

(1.大連理工大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院，大連 116024;2.天津大學(xué) 天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點實驗室，天津 300072;3.大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，大連 116024)

隨著科技的高速發(fā)展，照明新技術(shù)的日臻完善，特種燈具如激光燈、城市之光、遠程探照燈、空中玫瑰應(yīng)運而生，并不斷在城市照明中得到應(yīng)用［1-3］。它們具有射程遠、發(fā)光強度高、視覺沖擊強等共同特點，常被安置在大廈、廣場、酒樓，景山、公園標志性建筑物及體育館的頂部，是引起城市夜間光污染程度最強的燈具之一。這些燈具發(fā)出的光不僅對城市天空亮度影響嚴重，而且對天空中的飛鳥、城市中的居民等都會帶來非常強烈的干擾［5-6］。因此，在目前低碳化照明備受關(guān)注的情況下，如何科學(xué)、合理的進行探照燈的布置與使用具有重要意義，本研究基于正交試驗的方法，利用人工天空模型進行了關(guān)于探照燈的出射角度、光源亮度、出射光束截面積對天頂亮度影響的試驗分析，分析其燈具各設(shè)置因素對天空亮度影響的顯著性。

1 基于正交設(shè)計的強光射燈對夜天空影響的試驗

1.1 城市強光射燈特點

探照燈屬于強光射燈的一種，已廣泛應(yīng)用于對重要物體引起注意、標志方位、對音樂會和舞臺節(jié)目產(chǎn)生激動反應(yīng)和對移動畫面及電視制作創(chuàng)造出特殊的照明效果等方面。照射距離長，照明范圍集中是它獨有的特性［7］。

利用反射鏡的光學(xué)性質(zhì)設(shè)計出的探照燈廣泛用于軍事、交通、城市照明等領(lǐng)域［2］。根據(jù)探照燈的用途主要有:高空探照燈、強光探照燈、強力探照燈和應(yīng)急探照燈［7，8］。高空探照燈主要用于城市照明。

1.2 試驗方法

由于城市各種雜散光比較多，很難分析探照燈的設(shè)置和性能對天空發(fā)亮的影響規(guī)律，因此本研究利用直徑3m的人工天空來模擬探照燈向天空照射的情況，試驗布置和測試點分布見圖1。儀器包括:兩個強力探照燈 (分別為10W和15W，因?qū)嶒灴臻g有限，為便于對比，光源高度調(diào)光范圍控制在5 000～1 5000cd/m2，由強弱檔調(diào)光，有效射程300～500米)、黑色覆蓋薄膜、固定支架、量角器等。黑色覆蓋薄膜的目的是降低內(nèi)部漫反射進而模擬夜天空。測量儀器主要為:BM-7彩色亮度計和照度計。通過改變出射角度、光束截面積、光源亮度等參數(shù)，揭示夜天空亮度分布情況和主要影響因素。出射角度是指燈具地平線之間的夾角;光束截面積是指燈具出光口的面積;光源亮度是指光源的輸出亮度。測試點是按照網(wǎng)格法進行布置，每個網(wǎng)格邊長為5cm。正交試驗設(shè)計方法是一種解決多因子對比試驗問題的重要數(shù)學(xué)方法，主要使用正交表進行整體設(shè)計、綜合比較、統(tǒng)計分析［9-11］。由試驗設(shè)計可知探照燈對夜天空發(fā)亮影響的因素諸多，通過正交設(shè)計方法利用統(tǒng)計分析對試驗結(jié)果進行綜合處理，選出最優(yōu)因子和水平。

1.3 影響天空發(fā)亮的各因素及水平號的確定

正交試驗首先要確定影響因素及各因素的水平值。探照燈對天空發(fā)亮的影響因素主要有兩方面，其一為探照燈的安裝形式，其二為探照燈的性能參數(shù)。探照燈的出射角度、出射光束截面積 (出光口面積)、光源亮度確定是影響天空發(fā)亮的主要因素。因此，本章通過正交試驗的方法確定探照燈的布置方式和性能對天空發(fā)亮影響的規(guī)律。

圖1 探照燈模擬試驗布置

因素是指直接影響試驗結(jié)果而需要進行考察的不同原因。本試驗選取出射角度 (用A表示)、光源亮度 (用B表示)、出射光束截面積之和 (用 C表示)三個因素。試驗的考察指標為模擬夜天空的天頂亮度和水平照度。

1.3.1 影響因素變化水平的確定

該試驗是一個三因素三水平試驗，(1)出射角度，用 A表示。三個變化水平分別為 40°、60°、80°。(2)光源亮度，用B表示，三個變化水平分別為15W弱光、10W強光和15W強光，亮度為7794 cd/m2、9738 cd/m2、14532 cd/m2。(3)光束截面積，用 C表示，三個變化水平分別為 28cm2、18cm2、10cm2。

為了消除系統(tǒng)誤差和人為因素的干擾，在確定各因素的水平號時，采用隨機抽樣法確定出各因素的水平號。

將上述影響因素和水平總結(jié)如表1。本試驗最終目的是通過對試驗測試結(jié)果的分析，并根據(jù)相應(yīng)的指標得出探照燈對天空發(fā)亮的影響的主要因素。

表1 正交試驗主要影響因素和水平

2 SPSS進行正交試驗設(shè)計與分析

2.1 安排正交試驗設(shè)計

本試驗采用SPSS進行正交試驗設(shè)計數(shù)據(jù)處理，可以使本研究從傳統(tǒng)繁瑣復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理工作中解脫出來。根據(jù)SPSS數(shù)據(jù)編程產(chǎn)生9個組合 (即9次試驗)，將組合進行整理，采取隨機抽簽的方法確定因素的排序，并根據(jù)排序進行表頭設(shè)計和安排實施試驗。各因素與水平相互匹配表見表2。

表2 各因素與水平相互匹配表

2.2 試驗設(shè)計與結(jié)果

根據(jù)正交表2進行表頭設(shè)計和安排實施試驗。試驗方式及結(jié)果見表3。該試驗是一個三因素三水平試驗，正交表L9(34)滿足試驗要求，由表2可以看出:

表3 試驗結(jié)果計算

(1)因素數(shù)+要考慮的交互作用+空白項<正交表列數(shù);

(2)因素的水平數(shù)=正交表水平數(shù);

(3)在每一行、每一列中，1、2、3正好各出現(xiàn)一項。

此方案在保證各因素與各水平間均勻搭配的基礎(chǔ)上僅制造和試驗9次就能達到試驗?zāi)康?。如果采用全面試驗?3次。而這9次試驗，既能代表33次試驗的最優(yōu)結(jié)果，又可以大大減少試驗次數(shù)、試驗時間和費用?？梢娫诙嘁蛩囟嗨皆囼炛姓辉O(shè)計的重要性。一般來說各因素取三個水平即可看出其變化規(guī)律。其中的空白因素可用來計算、分析試驗誤差。

2.3 SPSS輸出正交試驗結(jié)果及分析

將理化指標測定結(jié)果輸入SPSS系統(tǒng)進行分析、對輸出的結(jié)果進行評價，SPSS軟件通過單變量方差分析可以處理各種不同設(shè)計，包括隨機區(qū)組設(shè)計、析因設(shè)計。在輸出結(jié)果中每一個響應(yīng)有2個表，即方差分析表 (Tests of Between-Subjects Effects)、估計邊緣均數(shù)表 (Estimated Marginal Means)和輪廓圖(Profile Plots)。

2.3.1 方差分析

通過正交試驗的方差分析，進一步明確各獨立因素對試驗結(jié)果的影響程度。方差分析的優(yōu)點是能把總平方和分解成因素與誤差平方和。而正交設(shè)計將這種分解固定在每一列上，對于沒有安排因素的空列，該列的平方和用來反映試驗誤差。為了減少正交試驗的誤差，采用重復(fù)試驗的方法。

表4對三個因素作出了方差分析，該表各列的意義分別是方差來源、平方和、自由度、均方、F值及顯著值。由表中的方差分析結(jié)果可知:

天空發(fā)亮影響次序:出射角度>光束截面積>光源亮度;

其中出射角度的顯著值為0.002束面積的顯著值為0.008亮度的顯著值為0.005因素均有顯著意義 (小于0.05)。

表4 方差分析

2.3.2 各因素對天頂亮度的影響結(jié)果分析

為比較不同天頂亮度，取各因素的水平值為橫坐標，以相應(yīng)因素的同水平對應(yīng)的天頂亮度為縱坐標。利用正交設(shè)計結(jié)果輸出天頂亮度估計邊緣輪廓圖見圖2，這是探求各因素可能達到更大輸出天頂亮度的一個直觀方法，它有助于發(fā)現(xiàn)正交表中所未列入而可能更大的天頂亮度值。對于光源亮度1條件下，天頂亮度最大值為0.220cd/m2，光源亮度2條件下天頂亮度最大值為0.284cd/m2，光源亮度3條件下天頂亮度最大值為0.306cd/m2。從圖中單因素估計邊緣輪廓圖可以看到，天頂亮度的最大值與光源亮度成正比，光源亮度越高引起的天空亮度也越大。

圖2 天頂亮度估計邊緣輪廓圖

從圖表中可以看到，隨著出射角度、光源亮度和光束截面積的增加，天頂亮度也相應(yīng)提高。隨出射角度的增大，天頂亮度提高的幅度最大;隨光源亮度增加，天頂亮度提高的幅度最小。出射角越大對天定亮度增加的程度越強，而出射的角度越低射向城市的光越多，對居民的影響越大。另外探照燈在天空來回掃射，也會提高背景天空的亮度。

3 結(jié)語

本研究將正交設(shè)計試驗的方法運用到城市光環(huán)境污染的研究中，正交設(shè)計試驗的方法可以明顯減少試驗次數(shù)，并可以定量地分析探照燈的設(shè)置因素對天空發(fā)亮的影響以及這種影響隨因素水平的變化。隨著出射角度、光源亮度和光束截面積的增加，天頂亮度也相應(yīng)提高。隨出射角度的增大，天頂亮度提高的幅度最大;隨光源亮度增加，天頂亮度提高的幅度最小。出射角越大對天頂亮度增加的程度越強，而出射的角度越低射向城市的光越多。

此外，探照燈出射光的投射位置或方向與居民相對越近，給周圍居民生活和觀測帶來的干擾越大;相反，與居民的相對位置越遠，對居民的影響相對減弱;探照燈在天空來回掃射，也會提高背景天空的亮度，甚至?xí)由顚用裾Ｉ詈托菹⒌母蓴_。因此，在非重大節(jié)日期間，現(xiàn)代城市中應(yīng)少用或不用探照燈、激光燈、“空中玫瑰”燈等光污染嚴重的燈光，以防止對附近居民、天文觀測等產(chǎn)生影響。

感謝

感謝馬劍教授對本論文的指導(dǎo)，寄以此文，謹記老師風(fēng)范，告慰在天之靈。

［1］趙海天，向東.城市燈光環(huán)境規(guī)劃原理 (2)——廣義光污染要領(lǐng)的提出與對策.照明工程學(xué)報，2003，14(2):56～62.

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