基于模糊綜合AHP法的教室照明系統(tǒng)評(píng)價(jià)與優(yōu)化

杜戰(zhàn)其，王洪偉，張麗珍，陽 希

(1.上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 201306； 2.同濟(jì)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，上海 200092)

基于模糊綜合AHP法的教室照明系統(tǒng)評(píng)價(jià)與優(yōu)化

杜戰(zhàn)其1,2，王洪偉2，張麗珍1，陽 希1

(1.上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 201306； 2.同濟(jì)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，上海 200092)

基于人因?qū)W的視角，利用作者改進(jìn)后的層次分析模型和模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)方法，針對(duì)高校教室的照明系統(tǒng)，分別從光照水平、眩光感覺、亮度分布、燈具與室內(nèi)布置四個(gè)方面，對(duì)上海市的A、B、C三所高校的教室照明系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)價(jià)與優(yōu)化。通過模型計(jì)算與分析，得到B高校教室為三校中照明最適宜的教室，而A高校教室則較之其他兩高校最不適宜。最后，結(jié)合綜合模型的計(jì)算結(jié)果，從照明系統(tǒng)的人因?qū)W和照明技術(shù)的雙重視角，分別從如何提高照明水平、降低眩光感覺、規(guī)范亮度分布和改善燈具與室內(nèi)布置等方面對(duì)A高校教室提出了人因?qū)W方面的照明系統(tǒng)優(yōu)化建議。

教室照明；層次分析法；評(píng)價(jià)；優(yōu)化；舒適度

引言

教育部發(fā)布的學(xué)生體質(zhì)監(jiān)測(cè)報(bào)告，我國(guó)青少年視力不良檢出率持續(xù)上升，并出現(xiàn)低齡化傾向，其中大學(xué)生的視力低下率已達(dá)90%[1]；視力不良率呈逐年升高的現(xiàn)象與不良的教室照明度、照明質(zhì)量差密切相關(guān)。據(jù)統(tǒng)計(jì)[2]，大學(xué)生60%的時(shí)間是在教室中度過的，由此可見良好的教室照明與光照環(huán)境十分重要。一個(gè)舒適的教室照明和光照環(huán)境不僅能在生理上減輕光污染對(duì)眼睛造成的負(fù)擔(dān)和頭痛、惡心等身體上的不適，同時(shí)也會(huì)減少心理上的厭煩等不良情緒，增強(qiáng)良好的心理感受，提高學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)效率。如圖1所示，形象展示了學(xué)習(xí)效率、視疲勞與照度的關(guān)系[3]：光照度在臨界照度值以下，隨著照度的增強(qiáng)，學(xué)習(xí)效率迅速提高，同時(shí)相對(duì)視疲勞率在范圍內(nèi)也逐漸下降。因此，如果改善照明條件，不僅可以減少視覺疲勞，而且也會(huì)提高學(xué)習(xí)的效率。

本文提出為了保障學(xué)生的身心健康以及提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，學(xué)校的照明設(shè)施需要參照視覺的健康與舒適來進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在滿足舒適度的同時(shí)，還應(yīng)考慮到節(jié)能環(huán)保等方面，以期達(dá)到綠色照明的標(biāo)準(zhǔn)。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于利用作者改進(jìn)的層次分析模型和模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)方法，對(duì)教室照明進(jìn)行了評(píng)價(jià)與優(yōu)化；并結(jié)合綜合模型的計(jì)算結(jié)果，從照明系統(tǒng)的人因?qū)W和照明技術(shù)的雙重視角，給出了相應(yīng)的對(duì)策與建議。

1 評(píng)價(jià)要素分析

本文擬通過數(shù)據(jù)搜集和數(shù)據(jù)分析，運(yùn)用層次分析法[4]構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)模型，經(jīng)調(diào)研采集相關(guān)數(shù)據(jù)，分析并評(píng)價(jià)上海市A、B、C三所高校的教室照明系統(tǒng)，最后基于評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)相對(duì)較差的高校教室提出相應(yīng)優(yōu)化建議。對(duì)于高校教室的照明環(huán)境來說，本文借鑒已有文獻(xiàn)并調(diào)研匯總，提出“照明水平、眩光感覺、亮度分布、燈具與室內(nèi)布置”是影響學(xué)生舒適度的最重要因素。①照明水平：在照明不好的情況下，人會(huì)很快疲勞，導(dǎo)致工作效率低、效果差，極易產(chǎn)生視覺疲勞、怕光、眼脹、頭疼及其他疾病。②眩光感覺：當(dāng)視野內(nèi)過高亮度或過大亮度對(duì)比時(shí)，人們就會(huì)感到刺眼，分散注意力，產(chǎn)生視覺疲勞并影響視力。③亮度分布：如果視野內(nèi)亮度差別很大，眼睛就會(huì)很快疲勞，從而引起心理上的不愉快并產(chǎn)生煩躁等不安情緒。④燈具與室內(nèi)布置：包括燈具的布置方式、燈光的實(shí)際分布、桌椅的分布、室內(nèi)燈光的顏色效果、以及教室和黑板的大小等情況；一個(gè)燈具與室內(nèi)布置不合理的教室會(huì)使人感到不愉快，并影響學(xué)習(xí)效率等[5]。

圖1 學(xué)習(xí)效率、視疲勞與照度的關(guān)系Fig.1 Relation of illuminance and learning efficiency and eyestrain

2 層次分析法(AHP)建模與評(píng)價(jià)分析

層次分析法(AHP)是一種融合定量研究與定性分析的多目標(biāo)決策分析方法[6]，該方法主要是通過將與決策有關(guān)的復(fù)雜問題分解成由上而下的不同層次和若干相關(guān)因素，并比較兩個(gè)指標(biāo)之間的重要程度并作出相應(yīng)判斷，從而識(shí)別出優(yōu)先級(jí)[7]。

2.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

層次分析法(AHP)第一步是將決策的總體目標(biāo)、使用標(biāo)準(zhǔn)和決策對(duì)象按它們之間的相互關(guān)系分為最高層、中間層和最低層，并繪出層次結(jié)構(gòu)圖，本文構(gòu)建的層次分析模型如圖2所示。

圖2 層次分析模型Fig.2 Analytic hierarchy process model

2.2 構(gòu)造成對(duì)比較矩陣

表1 因素重要性的衡量尺度

由此，本文形成五個(gè)成對(duì)比較矩陣：目標(biāo)層對(duì)準(zhǔn)則層的成對(duì)比較矩陣1(表2)，準(zhǔn)則層照明水平對(duì)方案層的成對(duì)比較矩陣2(表3)，準(zhǔn)則層眩光感覺對(duì)方案層的成對(duì)比較矩陣3(表4)，準(zhǔn)則層亮度分布對(duì)方案層的成對(duì)比較矩陣4(表5)，準(zhǔn)則層燈具與室內(nèi)布置對(duì)方案層的成對(duì)比較矩陣5(表6)。

表2 目標(biāo)層對(duì)準(zhǔn)則層的成對(duì)比較矩陣1

表3 準(zhǔn)則層照明水平對(duì)方案層的成對(duì)比較矩陣2

表4 準(zhǔn)則層眩光感覺對(duì)方案層的成對(duì)比較矩陣3

表5 準(zhǔn)則層亮度水平對(duì)方案層的成對(duì)比較矩陣4

表6 準(zhǔn)則層燈光與室內(nèi)布置對(duì)方案層的成對(duì)比較矩陣5

2.3 判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)

一致性是指判斷思維在邏輯上的一致性[9]。當(dāng)A校比C校是十分重要，B校比C校是比較重要時(shí)，顯而易見，A校肯定比B校重要，這就是判斷思維在邏輯上的一致性，否則判斷就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，因?yàn)槌蓪?duì)比較的數(shù)量可能會(huì)很多，所以很難做到完全統(tǒng)一。事實(shí)上，任何成對(duì)比較都允許在一定范圍內(nèi)存在不一致[10]，為了解決這一問題，本文改進(jìn)了層次分析法，并提供了一種優(yōu)化算法來衡量決策者做成對(duì)比較的一致性。詳細(xì)步驟如下：

1)將成對(duì)比較矩陣中每一列中的每一項(xiàng)分別都乘以每一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)先級(jí)并相加：

2)將上一步驟得到的加權(quán)值向量除以每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)先級(jí),然后取其均值λmax：

3)計(jì)算一致性指數(shù)CI和一致性指標(biāo)CR：

其中RI的數(shù)值從表7中查的。當(dāng)CR小于或等于0.10時(shí)，則認(rèn)為成對(duì)比較矩陣的一致性達(dá)到要求。若CR大于0.10則需要對(duì)成對(duì)比較矩陣進(jìn)行重新調(diào)整，直到得到新矩陣算出CR值小于或等于0.10為止。

表7 平均隨機(jī)一致性指數(shù)

本文對(duì)矩陣1進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，求得λmax=4.011，CI=0.003,CR=0.004<0.10,故表2成對(duì)比較矩陣通過一致性檢驗(yàn)，由此可得，照明水平的優(yōu)先級(jí)為0.463，眩光感覺的優(yōu)先級(jí)為0.104，亮度分布的優(yōu)先級(jí)為0.255，室內(nèi)布置的優(yōu)先級(jí)為0.178,也就是說，照明水平是最重要的，其次是亮度分布，緊跟其后的是燈光與室內(nèi)布置，最后是眩光感覺。

同理，對(duì)矩陣2進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，求得λmax=3.055，CI=0.028,CR=0.048<0.10,故表3成對(duì)比較矩陣通過一致性檢驗(yàn)，由此可得，A校的優(yōu)先級(jí)為0.221，B校的優(yōu)先級(jí)為0.685，C校的優(yōu)先級(jí)為0.094。也就是說在照明水平這一標(biāo)準(zhǔn)下，B校為最佳選擇，其次是A校，最后是C校。

對(duì)矩陣3進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，求得λmax=3.033，CI=0.017,CR=0.029<0.10,故表4成對(duì)比較矩陣通過一致性檢驗(yàn)，由此可得，A校的優(yōu)先級(jí)為0.265，B校的優(yōu)先級(jí)為0.080，C校的優(yōu)先級(jí)為0.656。也就是說在眩光感覺這一標(biāo)準(zhǔn)下，C校為最佳選擇，其次是A校，最后是B校。

對(duì)矩陣4進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，求得λmax=3.012，CI=0.006,CR=0.010<0.10,故表5成對(duì)比較矩陣通過一致性檢驗(yàn)，由此可得，A校的優(yōu)先級(jí)為0.193，B校的優(yōu)先級(jí)為0.107，C校的優(yōu)先級(jí)為0.700。也就是說在亮度分布這一標(biāo)準(zhǔn)下，C校為最佳選擇，其次是A校，最后是B校。

對(duì)矩陣5進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，求得λmax=3.019，CI=0.010,CR=0.017<0.10,故表6成對(duì)比較矩陣通過一致性檢驗(yàn)，由此可得，A校的優(yōu)先級(jí)為0.623，B校的優(yōu)先級(jí)為0.240，C校的優(yōu)先級(jí)為0.137。也就是說在室內(nèi)布置這一標(biāo)準(zhǔn)下，A校為最佳選擇，其次是B校，最后是C校。

2.4 建立綜合優(yōu)先排名

本文考慮到?jīng)]有哪個(gè)高校教室是完全的最佳選擇，因此還需建立綜合優(yōu)先排名。由上述分析，可計(jì)算出每個(gè)因素的優(yōu)先級(jí)再乘積對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)先級(jí)[11]，累計(jì)求和便可得到最終結(jié)果。

1)A校的綜合優(yōu)先級(jí)：

0.463×0.221+0.104×0.265+0.255×0.193+0.178×0.623=0.290

2)B校的綜合優(yōu)先級(jí)

0.463×0.685+0.104×0.080+0.255×0.107+0.178×0.240=0.395

3)C校的綜合優(yōu)先級(jí)

0.463×0.094+0.104×0.656+0.255×0.700+0.178×0.137=0.315

由上述計(jì)算，排列綜合優(yōu)先級(jí)可得最終的AHP排名結(jié)果，如表8所示，即AHP優(yōu)先級(jí)顯示B校教室為三校中照明最適宜的，C校和A校次之。C校和A校兩者比較接近，但相較而言C校稍好一些，即A校位列最末。

表8 綜合AHP排名

3 優(yōu)化建議

本文通過上述對(duì)上海市A、B、C三所高校的調(diào)查與分析，得出A校的照明舒適度在三校中位列最末，下面結(jié)合其具體情況并參考模型的計(jì)算結(jié)果，給出四方面的優(yōu)化建議。

3.1 提高照明水平

關(guān)于照明水平，A高校可根據(jù)實(shí)際情況從以下幾點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化：第一，采用無縫隙接合的燈光布置。因?yàn)閷?shí)地調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn)，三校中平均照明水平最高的學(xué)校的教室日光燈布置是無縫隙接合的，而A校的日光燈布置則是在兩燈之間還有一定的間隔。第二，適當(dāng)提高A校的日光燈功率。第三，在合理位置增加日光燈數(shù)量，使得教室的整體亮度均勻，提高照明的舒適度。

3.2 降低眩光感覺

教室眩光是造成學(xué)生視力下降的主要因素之一，本文建議利用百葉窗調(diào)節(jié)自然光線。在陽光明媚的晴天，常常會(huì)因?yàn)樽匀还膺^于強(qiáng)烈，靠窗的學(xué)生看不清楚黑板或是感覺刺眼，如在A校教室安裝百葉窗，將可使不均光變?yōu)槠叫泄猓苊庾匀还庵鄙湔n桌面或是黑板面，可以有效降低眩光。

3.3 規(guī)范亮度分布

為規(guī)范亮度分布，并滿足國(guó)標(biāo)推薦的亮度差，教室應(yīng)選擇合適材質(zhì)的室內(nèi)表面反射系數(shù)。本文根據(jù)新標(biāo)準(zhǔn)推薦的室內(nèi)各表面反射系數(shù)的取值范圍，并結(jié)合A校的實(shí)際情況建議反射系數(shù)取值如下：天花板取0.8，墻壁取0.6，地面取0.3，桌面取0.3，黑板取0.15。

3.4 改善燈具與室內(nèi)布置

關(guān)于燈具布置，在保證教室照明水平的同時(shí)，力求達(dá)到亮度的均勻分布，使得燈具的排列和數(shù)量發(fā)揮其最大綜合效果，符合人因?qū)W的宜人原則。另外關(guān)于教室內(nèi)的課桌布置，以本文調(diào)研的三校最為常見的90～100人容量教室為例，本文經(jīng)比較分析和聽取眾多師生的真實(shí)感受，在合理設(shè)計(jì)走道寬距的基礎(chǔ)上，建議橫排不要超過10排，每橫排以不超過10個(gè)座位為宜。

[1] 嚴(yán)永紅，關(guān)楊，劉想德，等.光生物效應(yīng)作用下教室光源對(duì)學(xué)生視功效及效率—疲勞影響研究[C]//中國(guó)科協(xié)第249次青年科學(xué)家論壇——照明對(duì)生態(tài)環(huán)境影響的量化觀測(cè)與評(píng)價(jià)報(bào)告文集.北京：中國(guó)照明學(xué)會(huì)，2015:53-54.

[2] 史德強(qiáng),陸剛,王磊.煤礦井下作業(yè)人因可靠性[J].工業(yè)工程,2015,10:156-157.

[3] 周杰,李豪.考慮乘客策略行為的航空客運(yùn)機(jī)票模糊銷售機(jī)制研究[J].工業(yè)工程與管理,2016,2:151-152.

[4] 戴立操,張力,李鵬程,等.核電廠DCS人因失誤研究[J].工業(yè)工程與管理,2014,4:117-118.

[5] 譚政,吳鋒,朱靜.數(shù)據(jù)處理服務(wù)外包人因失誤追溯與概率研究[J].工業(yè)工程與管理,2013,2:112-113.

[6] 汪建,趙來軍,王珂,等.地震應(yīng)急避難場(chǎng)所建設(shè)的需求與人因分析[J].工業(yè)工程,2013,2:10-11.

[7] 劉斌,宋成利,王殊軼,等.腹腔鏡手術(shù)器械手柄人因工程設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)[J].工業(yè)工程與管理,2013,6:108-109.

[8] 安巖,鄒志紅,王曉靜.基于粗糙集理論的水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)[J].工業(yè)工程,2015,2:2-3.

[9] 王美強(qiáng),李勇軍.輸入輸出具有模糊數(shù)的供應(yīng)商評(píng)價(jià)——基于DEA博弈交叉效率方法[J].工業(yè)工程與管理,2015,2:96-97.

[10] 劉曉冰,焦璇,黃明,等.用混合量子算法求解模糊柔性作業(yè)車間調(diào)度問題[J].工業(yè)工程與管理,2015,6:9-10.

[11] 康肖瓊,劉樹林,楊豐尋.操作人員人因失效影響因素研究——以風(fēng)力發(fā)電業(yè)為例[J].工業(yè)工程與管理,2015,6:132-133.

Assessment and Optimization of The Classroom Lighting System Based on AHP and Ergonomics

DU Zhanqi1，2， WANG Hongwei2， ZHANG Lizhen1, YANG Xi1

(1.College of Engineering，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306, China；2.SchoolofEconomicsandManagement,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Using the Analytic Hierarchy Process (AHP), this article evaluates the classroom lighting system of the A, B, C three colleges in Shanghai from four perspectives, the level of illumination, glare sensation, brightness distribution and indoor layout. Based on the analysis, the classroom of B college is the most appropriate one. However, A is the most unfavorable classroom than others. Finally, offers the optimization suggestions to the classroom of A from how to improve the level of illumination, reduce dazzle light feeling, standardize brightness distribution and ameliorate the indoor layout.

illumination of classroom; AHP; assessment; optimization; comfort degree

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(70971099，71371144)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(1200219198)，上海市科技發(fā)展基金軟科學(xué)研究博士生學(xué)位論文資助(12692193000)，上海市哲學(xué)社會(huì)科學(xué)規(guī)劃課題一般項(xiàng)目(2013BGL004)，2016上海市教委“教師專業(yè)發(fā)展工程”高校教師培養(yǎng)計(jì)劃專項(xiàng)(B1-5407-15-0001-12)，高校教指委(JZW2016049)和教學(xué)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(B1-5003-15-000109)

TU113.6

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2016.06.007