黨 睿 馬 劍 劉 剛

(天津大學天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術重點實驗室，天津300072)

1 緒論

隨著社會的發(fā)展，人們的夜晚生活模式也發(fā)生了巨大改變，城市居民夜間活動時間正逐漸延長，活動范圍也在擴展，而這一切都對居住區(qū)夜間光環(huán)境提出新的要求［1］。但我國尚缺乏專門指導和控制居住區(qū)照明設計、建設和評價的專項標準，因此導致目前在我國居住區(qū)照明設計和施工方面存在不能滿足使用功能、能源浪費、存在安全隱患等諸多問題。所以制訂一套符合我國城市居住區(qū)發(fā)展規(guī)律，滿足實際需求的照明專項標準已成為迫在眉睫的工作。標準的制訂首先需要對居住區(qū)夜間光環(huán)境進行科學檢測，以正確評價光環(huán)境特征。

本文基于地理位置、氣候、居民生活習慣、社會發(fā)展水平等眾多因素對居住區(qū)光環(huán)境質量的影響，選取天津、長沙、鄭州三市共計30個居住區(qū)為樣本進行了實地調研［2］。通過對調研成果的總結分析，關于我國城市居住區(qū)光環(huán)境檢測得到如下結論:

1.在指標參數(shù)方面:照度和亮度仍是居住區(qū)光環(huán)境檢測的兩項主要指標，同時照度適用范圍更廣，而亮度更側重于在居住區(qū)機動車道應用［3］。

2.在技術方法方面:每人每次只能在某一個點進行一項指標的測定，檢測效率較低;只能間斷性逐點測量，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)采集;需動用多名測量和記錄人員，攜帶大量儀器，造成人力物力的浪費;由于人員在測量過程中為徒步手持儀器式檢測，測量位置和測量角度等無法保持一致，造成檢測不精確;記錄人員在大量數(shù)據(jù)的記錄過程中難免出現(xiàn)紕漏，同時完畢后還要人工進行計算機數(shù)據(jù)錄入，工作量極大;夜間光線較暗，來往車輛對測試人員的人身安全造成威脅。

2 城市居住區(qū)照明檢測新技術

2.1 技術目標

針對在調研中發(fā)現(xiàn)的問題，本文綜合應用建筑學、城市規(guī)劃、機械控制、自動化、系統(tǒng)通信、計算機軟件等多學科知識，開發(fā)出一套“基于遙控車載平臺的居住區(qū)夜間光環(huán)境檢測硬件系統(tǒng)”。從而在根本上解決上述問題，達到以下技術目標:

1.精確快速測量照度和亮度等多個檢測指標，提高檢測效率;

2.能夠在行進中進行連續(xù)無間斷測量，保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性;

3.實現(xiàn)軟硬件高效整合，將車輛控制、目標測量、數(shù)據(jù)傳輸、記錄與存儲、參數(shù)分析全流程操作集成于一套系統(tǒng)中，只使用一名測試人員完成所有工作;

4.計算機智能化控制檢測過程，減少人為干擾因素，提高測量數(shù)據(jù)精確性;

5.實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸和自動記錄存儲，避免因人為操作失誤而產(chǎn)生的誤差;

6.遠距離遙控測量，避免來往車輛對人員造成的安全威脅。

2.2 技術內容

1.檢測平臺:采用遙控車作為檢測平臺，車體具有0～20km/h的行進速度和多角度方向調節(jié)功能，能夠實現(xiàn)前進、后退、轉向、加速、減速和定速巡航;使用大馬力電動機驅動，載重2.5kg，在搭載所有機械設備、操控設備、傳輸設備和檢測設備的情況下能夠順利啟動和平穩(wěn)運行，并具有一定爬坡能力;使用大容量鉛酸蓄電池作為車輛動力，能以最大速度運行30分鐘，而且沒有噪音和尾氣污染;具有避震功能，能夠在相對崎嶇的道路上平穩(wěn)運行。

2.車載機械系統(tǒng):為了檢測某一高度和角度的相關光環(huán)境數(shù)據(jù)，在車輛中部設有一支三角升降架，其最大升起高度可達1.2m，在升降架頂端安裝一座旋轉云臺，其可實現(xiàn)水平角180°和俯仰角180°自由旋轉。二者均依靠伺服電機驅動，并能通過計算機進行遠程操作。檢測人員依靠計算機對安裝于云臺上的檢測設備進行遠程控制，在所需高度角度定位進而測量相關數(shù)據(jù)。

3.車體遠程操控系統(tǒng):使用車載前端攝像頭采集行駛環(huán)境圖像數(shù)據(jù)，并將視頻圖像通過車載無線通信模塊傳輸?shù)接嬎銠C，工作人員能夠在計算機“車輛運行顯示窗口”中看到傳回的實時圖像，然后根據(jù)當前的行駛環(huán)境和檢測要求發(fā)出控制信號，檢測車接收后將此信號指令傳輸?shù)杰囕d電機運動控制模塊和轉向伺服模塊，從而實現(xiàn)檢測車遠程計算機操縱控制。其所傳輸?shù)膱D像質量高、無延遲、最大無線傳輸距離可達800米，而且具有紅外功能，完全適應夜間工作需求。此外對于檢測車的操控方式有三種，即鼠標控制、鍵盤控制和外接手柄控制，使用者可依據(jù)不同檢測條件和個人操作習慣自由選擇，非常方便靈活。

4.照度檢測系統(tǒng):檢測車安裝有兩部照度檢測設備，一是位于車輛前端的水平照度計，用以采集近地面水平照度數(shù)據(jù);二是安裝于升降架旋轉云臺上的半柱面照度計，用以采集任一高度和角度的半柱面照度數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)能夠通過車載通信模塊傳輸?shù)接嬎銠C，同時在“照度信息窗口”中顯示出兩組照度數(shù)據(jù)的實時變化曲線圖和具體數(shù)值情況，進而對其進行數(shù)據(jù)鎖定、顯示暫停、畫面縮放、定位、存儲、打印等操作。

5.亮度檢測系統(tǒng):將經(jīng)過標定的數(shù)碼相機安裝于升降架頂端的旋轉云臺上，相機能夠實時捕捉當前的光環(huán)境圖像信息，該圖像經(jīng)車載通信模塊傳輸?shù)接嬎銠C后，通過“光環(huán)境信息監(jiān)測窗口”顯示，檢測人員根據(jù)回傳視頻情發(fā)出指令，對相機拍攝高度和角度進行調整，當發(fā)出“拍攝”命令后，相機會根據(jù)SM系統(tǒng)工作要求自動以預設的三檔不同曝光量拍攝三張數(shù)碼照片。最終將所拍攝的照片傳回計算機數(shù)據(jù)庫并錄入SM系統(tǒng)進行分析，得到亮度、色度、眩光等光環(huán)境參數(shù)指標［4］。

編號說明編號說明1檢測車5前端運行狀況采集單元2升降機構5.1道路監(jiān)控攝像機3旋轉云臺5.2前端水平照度計探頭4圖像采集單元6車載天線4.1相機7遠程控制計算機單元4.2半柱面照度計探頭8控制天線

2.3 系統(tǒng)構成

本系統(tǒng)由車載端(即檢測車及車載設備)和控制端(即計算機)兩部分構成，其中控制端通過無線通信技術對車載端進行操控，完成照明檢測任務。(見圖1)

圖1 系統(tǒng)構成圖

3 居住區(qū)夜間光環(huán)境檢測系統(tǒng)綜合應用

3.1 檢測對象

選取天津大學新園村二期住宅小區(qū)作為實驗樣本，使用“基于車載平臺的居住區(qū)夜間光環(huán)境檢測系統(tǒng)”進行現(xiàn)場檢測，以驗證其實際使用效果，并分析實驗結論以對其進行改進和完善。

該小區(qū)位于天津大學校內，總建筑面積13.4萬平方米，居住面積11.6萬平方米。其中包括4幢28層和2幢26層高層住宅，1幢9層多層住宅，1座地下車庫(含設備機房)以及l(fā)幢小區(qū)公建。在交通規(guī)劃上采用人車分流，將道路分為兩級:居住小區(qū)級道路沿居住區(qū)外圍布置，為機動車交通線路，且為單向通行;小區(qū)內部為宅前道路，供行人及非機動車使用。設有地上停車場及地下車庫，并單獨設置地下車庫出入口。在小區(qū)中心集中組織景觀，包括公共活動廣場和水景、綠化等(見圖2)。

由以上分析可知，天津大學新園村二期住宅小區(qū)整體建設標準較高，為近年來新建居住區(qū)代表。其中照明設施也較為完善，包括各類型功能照明和景觀照明，光源和燈具種類豐富，照明方式多樣，能夠反應我國新建居住區(qū)照明特點。因此選取該小區(qū)作為檢測對象具有典型性。

圖2 天津大學新園村二期住宅小區(qū)

3.2 檢測過程

以居住小區(qū)級道路檢測為例，道路寬度為6.5米，沿機動車道一側布置地上停車位，燈具布設方式為單側布燈，燈桿間距為30米。

對于照度的檢測，在道路縱向上采用連續(xù)測量方式，即檢測車按預定線路行駛，在行駛過程中檢測連續(xù)照度值。在道路橫向上，按照我國《照明測量方法》(GB/T—5700—2008)規(guī)定，在道路邊緣與道路中線處測量［5］。當檢測完畢后可直接根據(jù)所測數(shù)據(jù)和照度曲線圖得出連續(xù)水平照度、連續(xù)半柱面照度、平均照度及最小照度值，進而還可以計算出照度均勻度。對于亮度的檢測，由于該道路為單向布燈，因此檢測車在兩點拍攝檢測區(qū)域的數(shù)碼照片，然后將照片錄入SM光環(huán)境測試系統(tǒng)讀取平均亮度和最小亮度值，進而計算出亮度均勻度和亮度縱向均勻度(見圖3)。實際檢測數(shù)據(jù)見表1。

3.3 結論分析

圖3 居住小區(qū)級道路檢測示意圖

表1 居住小區(qū)級道路檢測數(shù)據(jù)指標

表2 兩種檢測技術測得數(shù)據(jù)對比

為了證實“基于車載平臺的居住區(qū)夜間光環(huán)境檢測系統(tǒng)”檢測效果，對本次檢測數(shù)據(jù)與前期調研中使用傳統(tǒng)方法所檢測到的數(shù)據(jù)進行了對比分析，見表2。

通過表2可使用兩種不同的檢測技術方法所得到的參數(shù)值基本相同，說明“基于車載平臺的居住區(qū)夜間光環(huán)境檢測系統(tǒng)”檢測精確度不遜于傳統(tǒng)方法。另外在實驗中發(fā)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)技術方法，本系統(tǒng)還具有以下優(yōu)勢:

1.在檢測效率上，使用傳統(tǒng)方法時，整個小區(qū)的檢測時間為3.5小時，使用新方法為1.5小時，效率提高57%。

2.本次實驗由一人完成，這是對人力成本的極大節(jié)省;

3.所有測得數(shù)據(jù)的記錄、分析、整理均由系統(tǒng)自動完成，不僅節(jié)約人力提高效率，還能避免因人為疏忽造成的誤差;

4.實驗得到了連續(xù)參數(shù)指標值，這是傳統(tǒng)逐點檢測方法所不能夠實現(xiàn)的;

5.在草地綠化等不便于人員直接進入的區(qū)域，該系統(tǒng)能夠完成檢測任務。

4 總結和展望

夜間光環(huán)境檢測研究是一項非常有必要去進行深入探索的的課題，其研究成果具有極大的價值。本研究只是在照明檢測新技術方面做了一些小小的嘗試和探索，其中存在很多問題和漏洞，因此對該研究的后續(xù)工作計劃在以下兩方面著重開展:

1.提升車體性能，使具有更強的動力、更大的載重量、更長的續(xù)航時間和更堅實的車身結構。因為只有在車體水平提升之后才有可能將質量更大、結構更復雜、功能更完備的亮度計和工業(yè)相機等設備進行車載安裝，才能加裝功率更強的車載數(shù)據(jù)存儲和傳輸設備，才能設置升起高度更大運行速度更快的升降機械結構，才能應對更加復雜和惡劣的檢測環(huán)境。

2.由于整套檢測系統(tǒng)的外殼加工、機械焊接、零件組裝等工作均為作者及其團隊成員獨立制作完成，因此設備外觀形式粗糙簡陋，屬于實驗性科研產(chǎn)品，其外觀形式還有待于提高。

［1］詹慶旋.建筑光環(huán)境.北京.清華大學出版社.1988

［2］馬劍，姚鑫，劉剛等.城市居住區(qū)室外光環(huán)境現(xiàn)狀調查研究，照明工程學報，第20卷第4期，2009

［3］崔辛云.居住區(qū)光環(huán)境檢測方法研究.天津.天津大學碩士學位論文.2010

［4］沈天行，杜江濤.城市夜景照明的測試技術.上海.國際夜景照明研討會.2001

［5］國際照明委員會.CIE136-2000，城區(qū)照明指南，2000