劉 鳴，劉 玥，劉郁川，焦偉利，劉小雙，劉慧嬋

(1.大連理工大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116024;2.中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100094)

引言

住宅道路上的照明是為了滿(mǎn)足道路使用者的需要，如駕駛?cè)恕ⅡT自行車(chē)者和行人。正如英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS 5489-1:2013[1]所述，住宅道路和區(qū)域照明的主要目的是“使行人和騎自行車(chē)的人能夠確定自己的方向，探測(cè)車(chē)輛和其他危險(xiǎn)，并阻止針對(duì)人和財(cái)產(chǎn)的犯罪”。當(dāng)行人沿著道路行走時(shí)，視覺(jué)信息有助于他們做出是否繼續(xù)前進(jìn)的決定。為了使道路易于行人通行，必須有適當(dāng)?shù)恼彰饕允弓h(huán)境和沿路的其他人都具有一定的可見(jiàn)度。然而一味地增加照明也會(huì)導(dǎo)致能源的浪費(fèi)[2]，造成光污染等不良影響[3,4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在建筑總成本中，照明設(shè)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(guó)照明用電約占全社會(huì)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(mǎn)足安全性要求的基礎(chǔ)上減少照明能源浪費(fèi)具有重要意義。

1 道路照明現(xiàn)狀的測(cè)量與主觀評(píng)價(jià)

1.1 調(diào)研路段

通過(guò)前期的實(shí)地調(diào)研和預(yù)實(shí)驗(yàn)，選定測(cè)量時(shí)間為2020年11月13日—15日的19:00—24:00，測(cè)量對(duì)象為秀月佳苑、桃仙小區(qū)、新型新有小區(qū)，三個(gè)小區(qū)均為大連市比較典型的開(kāi)放型小區(qū)，小區(qū)主干路與城市道路相連接，車(chē)流量較大。小區(qū)建筑類(lèi)型主要由多層建筑組成。測(cè)量路線覆蓋主要使用道路和次要使用道路。被測(cè)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(nèi)，布燈方式多為單側(cè)布光，配光類(lèi)型為半截光型、非截光型，燈光溢散比較嚴(yán)重。圖1為秀月佳苑、桃仙小區(qū)、新型新有小區(qū)的調(diào)研路線。

圖1 調(diào)研路線及路段名稱(chēng)

1.2 調(diào)研方法

采取實(shí)地測(cè)量及主觀評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法[6,7]，每個(gè)居住區(qū)選取20～25個(gè)測(cè)量點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)間隔20～30 m，使測(cè)點(diǎn)覆蓋居住區(qū)的各級(jí)道路。

1) 儀器測(cè)量方法。實(shí)地測(cè)量主要選用CL-70F照度計(jì)、SYD-m60 紅外測(cè)距儀，19：30左右居住區(qū)內(nèi)路燈已經(jīng)亮了將近2 h。按《照明測(cè)量方法》(GB /T 5700—2008)的規(guī)定，選用四角布點(diǎn)法進(jìn)行測(cè)量，對(duì)于每個(gè)測(cè)量點(diǎn)，分別測(cè)量該點(diǎn)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(diào)研路線的前進(jìn)方向?yàn)?°方向，共測(cè)-90°、-60°、-30°、0°、30°、60°、90° 7個(gè)方向的垂直照度，最后對(duì)其取平均值。測(cè)量示意圖如圖2所示。

圖2 垂直全景照度測(cè)量示意圖

問(wèn)卷方式使用問(wèn)卷星及紙質(zhì)問(wèn)卷兩種派發(fā)方式。問(wèn)卷內(nèi)容使用四點(diǎn)量表，也稱(chēng)為“強(qiáng)制”李克特量表，目的是去掉“中立”的選項(xiàng)，從而迫使觀察者做出更加明確的評(píng)估。使用量表評(píng)估四個(gè)光屬性(光照強(qiáng)度、色溫、均勻性、眩光情況)以及安全性和整體舒適度。用于評(píng)估不同參數(shù)的具體尺度如下：

1)照度(0——非常弱，1——合理，2——好，3——太強(qiáng))；

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

3)安全感(0——覺(jué)得很不安全，1——覺(jué)得有點(diǎn)不安全，2——感到合理的安全，3——感覺(jué)很安全)；

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

1.3 調(diào)研結(jié)果

1) 儀器測(cè)量結(jié)果。對(duì)三個(gè)小區(qū)的各個(gè)路段照度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)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(qū)B路段和新型新有小區(qū)C路段的照度值較低，秀月佳苑C、D路段和新型新有小區(qū)C路段的照度均勻度較差，不利于行人及時(shí)判斷地面障礙物、識(shí)別他人的身份或意圖。

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2) 主觀評(píng)價(jià)結(jié)果。本次現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研共回收問(wèn)卷 64 份，其中有效問(wèn)卷60份，填寫(xiě)人員均視力正常。根據(jù) SPSS[8]可靠性分析，問(wèn)卷的可靠性良好。

各小區(qū)的評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2所示，可知新型新有小區(qū)的安全性評(píng)價(jià)值最高，桃仙小區(qū)次之，秀月佳苑最低。

表2 主觀評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2 實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果相關(guān)性分析

為了評(píng)估安全感評(píng)價(jià)值是否與照度存在相關(guān)性，在SPSS中進(jìn)行了一項(xiàng)非參數(shù)曼-惠特尼U型試驗(yàn)，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(píng)價(jià)。結(jié)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(píng)估往往比光照不充足的地方高得多。

利用SPSS進(jìn)一步探索照度水平和安全性評(píng)價(jià)之間的關(guān)聯(lián)，分別對(duì)不同方向的照度數(shù)據(jù)原始值和對(duì)數(shù)變換值進(jìn)行二元回歸分析，結(jié)果如表3所示。可知，在基于三種照明測(cè)量(水平、垂直方向和垂直全景方向)的模型中，結(jié)合水平方向測(cè)量的模型提供了最佳結(jié)果。原始照明比例的對(duì)數(shù)變換進(jìn)一步提高了模型的擬合度和通用性。這個(gè)模型的改進(jìn)表明安全性評(píng)價(jià)和照度水平之間的關(guān)系實(shí)際上是非線性的。

表3 不同方向的照度水平和安全性評(píng)價(jià)之間的關(guān)聯(lián)

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

FoSi=b0+b1·ILji+b2·VDi+b3·TIi+εi

(1)

FoSi為調(diào)查點(diǎn)i的平均安全性評(píng)估；ILji為在i點(diǎn)進(jìn)行的照度測(cè)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(píng)估(0——不遮擋路燈的樹(shù)木和灌木；1——部分遮擋路燈的樹(shù)木和灌木；2——明顯遮蔽街燈的樹(shù)木和灌木)；TIi為由研究人員以3分制評(píng)估的實(shí)驗(yàn)測(cè)量期間的交通強(qiáng)度(0——15 min內(nèi)少于5輛車(chē)；1——15 min內(nèi)5～10輛車(chē)；2——15 min內(nèi)超過(guò)10輛車(chē))；εi為隨機(jī)誤差項(xiàng)。

為了監(jiān)測(cè)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(méi)有同時(shí)將VIF超過(guò)預(yù)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(guò)程，結(jié)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(qiáng)度評(píng)估，模型4添加了居住區(qū)模型。

表4 影響安全性評(píng)價(jià)的因素

根據(jù)表4中模型4的分析結(jié)果，繪制了安全性評(píng)價(jià)隨照度水平可能變化的圖像。繪制時(shí)所有變量的值(照度除外)被設(shè)置為它們的平均水平，而照度水平在0～50 lx范圍內(nèi)變化。繪制結(jié)果如圖3所示。

圖3 安全性評(píng)價(jià)隨照度水平變化圖

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

同時(shí)，針對(duì)這三個(gè)典型居住區(qū)的分析表明，更高的光照水平并不一定意味著安全感評(píng)價(jià)水平的同等增加。0～3范圍內(nèi)的安全性評(píng)價(jià)均值為1.5，高于1.7可以認(rèn)為安全性評(píng)價(jià)較好，如圖3所示，AB段表示達(dá)到安全性評(píng)價(jià)值1.7時(shí)，三個(gè)小區(qū)對(duì)應(yīng)的照度值范圍為5～11 lx，照度達(dá)到11 lx后，安全性評(píng)價(jià)隨照度值增加的速度變得越來(lái)越緩慢。因此，在5～11 lx照度水平下，安全性的評(píng)估值可能已經(jīng)處在較高水平，超過(guò)該閾值的照度水平增加可能只會(huì)導(dǎo)致安全感水平的輕微上升。

結(jié)合以上分析及現(xiàn)有照明標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)于居住區(qū)內(nèi)車(chē)行量較少的人車(chē)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(jù)此推薦值對(duì)不滿(mǎn)足要求的路段進(jìn)行模擬分析與優(yōu)化。

3 運(yùn)用 Dialux evo 軟件對(duì)新型新有小區(qū)道路照明現(xiàn)狀進(jìn)行模擬優(yōu)化

由于桃仙小區(qū)B路段和新型新有小區(qū)C路段的照度現(xiàn)狀未達(dá)到照度推薦值，利用Dialux evo 軟件[15]，以新型新有小區(qū)C路段為例，模擬路段照明并通過(guò)調(diào)整四個(gè)參數(shù)(燈柱間距、亮點(diǎn)高度、燈臂傾斜度和光突出距離)來(lái)優(yōu)化道路照明。

3.1 模型建立與參數(shù)設(shè)置

Dialux evo中默認(rèn)的照明標(biāo)準(zhǔn)是歐美道路照明標(biāo)準(zhǔn)(EN13201)，為了適應(yīng)我國(guó)照明標(biāo)準(zhǔn)，將各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置為《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ 45—2015)[15]中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值。

以新型新有小區(qū)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(xiàn)有燈具選用立桿式、燈具功率為65 W，燈桿間距測(cè)得為30 m，燈桿高度為6.3 m，單側(cè)布燈。根據(jù)照明現(xiàn)狀實(shí)測(cè)值建立的參數(shù)模型和等照度值如圖4、圖5所示，不能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)值及安全性的要求。

圖4 實(shí)際照明情況的照明模擬評(píng)估

圖5 實(shí)際照明情況等照度值模擬

3.2 現(xiàn)狀模擬與結(jié)果分析

為使道路照度滿(mǎn)足照明標(biāo)準(zhǔn)及安全性的需求，在Dialux evo中進(jìn)行優(yōu)化方案測(cè)試，共測(cè)試四種方案，設(shè)定如下：

方案1通過(guò)調(diào)整燈桿間距來(lái)使各項(xiàng)參數(shù)滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)燈桿間距被調(diào)整為10 m 時(shí)，各項(xiàng)參數(shù)滿(mǎn)足要求。方案2通過(guò)調(diào)整發(fā)光點(diǎn)高度來(lái)使各項(xiàng)參數(shù)滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)發(fā)光點(diǎn)高度被調(diào)整為 8.0 m 時(shí)，仍有三項(xiàng)參數(shù)不能滿(mǎn)足要求。方案3通過(guò)調(diào)整燈桿間距和發(fā)光點(diǎn)高度來(lái)使各項(xiàng)參數(shù)滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)燈桿間距為20 m、發(fā)光點(diǎn)高度變?yōu)?.5 m時(shí)，各項(xiàng)參數(shù)滿(mǎn)足要求。方案4調(diào)整燈桿間距為22 m、發(fā)光點(diǎn)高度為8 m、燈臂斜度為5°、光突出部分為-1.5 m，來(lái)使各項(xiàng)參數(shù)滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)值。四種方案的優(yōu)化結(jié)果如表4所示。

表4 四種優(yōu)化方案的優(yōu)化結(jié)果

比較方案 1、3、4，優(yōu)化指標(biāo)數(shù)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(shí)也能滿(mǎn)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(jié)語(yǔ)

居住區(qū)室外空間合理的照明設(shè)計(jì)和良好的照度質(zhì)量有利于居住區(qū)照明的節(jié)能與安全，在大連實(shí)地調(diào)研后，發(fā)現(xiàn)不同的小區(qū)照明環(huán)境有較大差異。其中，一些建設(shè)年代較早的開(kāi)放型小區(qū)部分路段照明由于缺乏合理設(shè)計(jì)和維護(hù)，安全性較差，存在問(wèn)題如下：

1)小區(qū)人車(chē)混行道路因采用 LED 路燈和非截光型燈具而導(dǎo)致眩光現(xiàn)象較明顯；

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

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

4)小區(qū)室外照明設(shè)計(jì)多采用立桿式照明，照明方式單一，缺乏特色與趣味性。

針對(duì)這些問(wèn)題，可以提出一些優(yōu)化措施：首先，居住區(qū)內(nèi)道路照明應(yīng)采用截光型燈具，減少燈光溢散和眩光；其次，提高組團(tuán)級(jí)道路及宅前道路的照度，增加路燈數(shù)量，及時(shí)進(jìn)行路燈的維護(hù)與更新；另外，定期修剪道旁樹(shù)木，保證樹(shù)木枝葉不遮擋燈具光線，實(shí)現(xiàn)道路照度均勻度的改善；最后，對(duì)于小區(qū)景觀、健身等區(qū)域的道路，在滿(mǎn)足功能性照明的需求下，增加照明的樣式，營(yíng)造獨(dú)特的景觀氛圍，增加夜景照明的美觀性和趣味性。