黨 睿 馬 劍 劉 剛

(天津大學(xué)天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072)

1 緒論

隨著社會(huì)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(dòng)時(shí)間正逐漸延長(zhǎng)，活動(dòng)范圍也在擴(kuò)展，而這一切都對(duì)居住區(qū)夜間光環(huán)境提出新的要求［1］。但我國(guó)尚缺乏專門(mén)指導(dǎo)和控制居住區(qū)照明設(shè)計(jì)、建設(shè)和評(píng)價(jià)的專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，因此導(dǎo)致目前在我國(guó)居住區(qū)照明設(shè)計(jì)和施工方面存在不能滿足使用功能、能源浪費(fèi)、存在安全隱患等諸多問(wèn)題。所以制訂一套符合我國(guó)城市居住區(qū)發(fā)展規(guī)律，滿足實(shí)際需求的照明專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)已成為迫在眉睫的工作。標(biāo)準(zhǔn)的制訂首先需要對(duì)居住區(qū)夜間光環(huán)境進(jìn)行科學(xué)檢測(cè)，以正確評(píng)價(jià)光環(huán)境特征。

本文基于地理位置、氣候、居民生活習(xí)慣、社會(huì)發(fā)展水平等眾多因素對(duì)居住區(qū)光環(huán)境質(zhì)量的影響，選取天津、長(zhǎng)沙、鄭州三市共計(jì)30個(gè)居住區(qū)為樣本進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研［2］。通過(guò)對(duì)調(diào)研成果的總結(jié)分析，關(guān)于我國(guó)城市居住區(qū)光環(huán)境檢測(cè)得到如下結(jié)論:

1.在指標(biāo)參數(shù)方面:照度和亮度仍是居住區(qū)光環(huán)境檢測(cè)的兩項(xiàng)主要指標(biāo)，同時(shí)照度適用范圍更廣，而亮度更側(cè)重于在居住區(qū)機(jī)動(dòng)車(chē)道應(yīng)用［3］。

2.在技術(shù)方法方面:每人每次只能在某一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行一項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定，檢測(cè)效率較低;只能間斷性逐點(diǎn)測(cè)量，無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)采集;需動(dòng)用多名測(cè)量和記錄人員，攜帶大量?jī)x器，造成人力物力的浪費(fèi);由于人員在測(cè)量過(guò)程中為徒步手持儀器式檢測(cè)，測(cè)量位置和測(cè)量角度等無(wú)法保持一致，造成檢測(cè)不精確;記錄人員在大量數(shù)據(jù)的記錄過(guò)程中難免出現(xiàn)紕漏，同時(shí)完畢后還要人工進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)錄入，工作量極大;夜間光線較暗，來(lái)往車(chē)輛對(duì)測(cè)試人員的人身安全造成威脅。

2 城市居住區(qū)照明檢測(cè)新技術(shù)

2.1 技術(shù)目標(biāo)

針對(duì)在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，本文綜合應(yīng)用建筑學(xué)、城市規(guī)劃、機(jī)械控制、自動(dòng)化、系統(tǒng)通信、計(jì)算機(jī)軟件等多學(xué)科知識(shí)，開(kāi)發(fā)出一套“基于遙控車(chē)載平臺(tái)的居住區(qū)夜間光環(huán)境檢測(cè)硬件系統(tǒng)”。從而在根本上解決上述問(wèn)題，達(dá)到以下技術(shù)目標(biāo):

1.精確快速測(cè)量照度和亮度等多個(gè)檢測(cè)指標(biāo)，提高檢測(cè)效率;

2.能夠在行進(jìn)中進(jìn)行連續(xù)無(wú)間斷測(cè)量，保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性;

3.實(shí)現(xiàn)軟硬件高效整合，將車(chē)輛控制、目標(biāo)測(cè)量、數(shù)據(jù)傳輸、記錄與存儲(chǔ)、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(cè)試人員完成所有工作;

4.計(jì)算機(jī)智能化控制檢測(cè)過(guò)程，減少人為干擾因素，提高測(cè)量數(shù)據(jù)精確性;

5.實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和自動(dòng)記錄存儲(chǔ)，避免因人為操作失誤而產(chǎn)生的誤差;

6.遠(yuǎn)距離遙控測(cè)量，避免來(lái)往車(chē)輛對(duì)人員造成的安全威脅。

2.2 技術(shù)內(nèi)容

1.檢測(cè)平臺(tái):采用遙控車(chē)作為檢測(cè)平臺(tái)，車(chē)體具有0～20km/h的行進(jìn)速度和多角度方向調(diào)節(jié)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、加速、減速和定速巡航;使用大馬力電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，載重2.5kg，在搭載所有機(jī)械設(shè)備、操控設(shè)備、傳輸設(shè)備和檢測(cè)設(shè)備的情況下能夠順利啟動(dòng)和平穩(wěn)運(yùn)行，并具有一定爬坡能力;使用大容量鉛酸蓄電池作為車(chē)輛動(dòng)力，能以最大速度運(yùn)行30分鐘，而且沒(méi)有噪音和尾氣污染;具有避震功能，能夠在相對(duì)崎嶇的道路上平穩(wěn)運(yùn)行。

2.車(chē)載機(jī)械系統(tǒng):為了檢測(cè)某一高度和角度的相關(guān)光環(huán)境數(shù)據(jù)，在車(chē)輛中部設(shè)有一支三角升降架，其最大升起高度可達(dá)1.2m，在升降架頂端安裝一座旋轉(zhuǎn)云臺(tái)，其可實(shí)現(xiàn)水平角180°和俯仰角180°自由旋轉(zhuǎn)。二者均依靠伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并能通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。檢測(cè)人員依靠計(jì)算機(jī)對(duì)安裝于云臺(tái)上的檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，在所需高度角度定位進(jìn)而測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.車(chē)體遠(yuǎn)程操控系統(tǒng):使用車(chē)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(guò)車(chē)載無(wú)線通信模塊傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，工作人員能夠在計(jì)算機(jī)“車(chē)輛運(yùn)行顯示窗口”中看到傳回的實(shí)時(shí)圖像，然后根據(jù)當(dāng)前的行駛環(huán)境和檢測(cè)要求發(fā)出控制信號(hào)，檢測(cè)車(chē)接收后將此信號(hào)指令傳輸?shù)杰?chē)載電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制模塊和轉(zhuǎn)向伺服模塊，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)車(chē)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)操縱控制。其所傳輸?shù)膱D像質(zhì)量高、無(wú)延遲、最大無(wú)線傳輸距離可達(dá)800米，而且具有紅外功能，完全適應(yīng)夜間工作需求。此外對(duì)于檢測(cè)車(chē)的操控方式有三種，即鼠標(biāo)控制、鍵盤(pán)控制和外接手柄控制，使用者可依據(jù)不同檢測(cè)條件和個(gè)人操作習(xí)慣自由選擇，非常方便靈活。

4.照度檢測(cè)系統(tǒng):檢測(cè)車(chē)安裝有兩部照度檢測(cè)設(shè)備，一是位于車(chē)輛前端的水平照度計(jì)，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(zhuǎn)云臺(tái)上的半柱面照度計(jì)，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(guò)車(chē)載通信模塊傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，同時(shí)在“照度信息窗口”中顯示出兩組照度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)變化曲線圖和具體數(shù)值情況，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)鎖定、顯示暫停、畫(huà)面縮放、定位、存儲(chǔ)、打印等操作。

5.亮度檢測(cè)系統(tǒng):將經(jīng)過(guò)標(biāo)定的數(shù)碼相機(jī)安裝于升降架頂端的旋轉(zhuǎn)云臺(tái)上，相機(jī)能夠?qū)崟r(shí)捕捉當(dāng)前的光環(huán)境圖像信息，該圖像經(jīng)車(chē)載通信模塊傳輸?shù)接?jì)算機(jī)后，通過(guò)“光環(huán)境信息監(jiān)測(cè)窗口”顯示，檢測(cè)人員根據(jù)回傳視頻情發(fā)出指令，對(duì)相機(jī)拍攝高度和角度進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)發(fā)出“拍攝”命令后，相機(jī)會(huì)根據(jù)SM系統(tǒng)工作要求自動(dòng)以預(yù)設(shè)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(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)并錄入SM系統(tǒng)進(jìn)行分析，得到亮度、色度、眩光等光環(huán)境參數(shù)指標(biāo)［4］。

編號(hào)說(shuō)明編號(hào)說(shuō)明1檢測(cè)車(chē)5前端運(yùn)行狀況采集單元2升降機(jī)構(gòu)5.1道路監(jiān)控?cái)z像機(jī)3旋轉(zhuǎn)云臺(tái)5.2前端水平照度計(jì)探頭4圖像采集單元6車(chē)載天線4.1相機(jī)7遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)單元4.2半柱面照度計(jì)探頭8控制天線

2.3 系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)由車(chē)載端(即檢測(cè)車(chē)及車(chē)載設(shè)備)和控制端(即計(jì)算機(jī))兩部分構(gòu)成，其中控制端通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)對(duì)車(chē)載端進(jìn)行操控，完成照明檢測(cè)任務(wù)。(見(jiàn)圖1)

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成圖

3 居住區(qū)夜間光環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)綜合應(yīng)用

3.1 檢測(cè)對(duì)象

選取天津大學(xué)新園村二期住宅小區(qū)作為實(shí)驗(yàn)樣本，使用“基于車(chē)載平臺(tái)的居住區(qū)夜間光環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)”進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，以驗(yàn)證其實(shí)際使用效果，并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)論以對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)和完善。

該小區(qū)位于天津大學(xué)校內(nèi)，總建筑面積13.4萬(wàn)平方米，居住面積11.6萬(wàn)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(chē)庫(kù)(含設(shè)備機(jī)房)以及l(fā)幢小區(qū)公建。在交通規(guī)劃上采用人車(chē)分流，將道路分為兩級(jí):居住小區(qū)級(jí)道路沿居住區(qū)外圍布置，為機(jī)動(dòng)車(chē)交通線路，且為單向通行;小區(qū)內(nèi)部為宅前道路，供行人及非機(jī)動(dòng)車(chē)使用。設(shè)有地上停車(chē)場(chǎng)及地下車(chē)庫(kù)，并單獨(dú)設(shè)置地下車(chē)庫(kù)出入口。在小區(qū)中心集中組織景觀，包括公共活動(dòng)廣場(chǎng)和水景、綠化等(見(jiàn)圖2)。

由以上分析可知，天津大學(xué)新園村二期住宅小區(qū)整體建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較高，為近年來(lái)新建居住區(qū)代表。其中照明設(shè)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(yīng)我國(guó)新建居住區(qū)照明特點(diǎn)。因此選取該小區(qū)作為檢測(cè)對(duì)象具有典型性。

圖2 天津大學(xué)新園村二期住宅小區(qū)

3.2 檢測(cè)過(guò)程

以居住小區(qū)級(jí)道路檢測(cè)為例，道路寬度為6.5米，沿機(jī)動(dòng)車(chē)道一側(cè)布置地上停車(chē)位，燈具布設(shè)方式為單側(cè)布燈，燈桿間距為30米。

對(duì)于照度的檢測(cè)，在道路縱向上采用連續(xù)測(cè)量方式，即檢測(cè)車(chē)按預(yù)定線路行駛，在行駛過(guò)程中檢測(cè)連續(xù)照度值。在道路橫向上，按照我國(guó)《照明測(cè)量方法》(GB/T—5700—2008)規(guī)定，在道路邊緣與道路中線處測(cè)量［5］。當(dāng)檢測(cè)完畢后可直接根據(jù)所測(cè)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(jìn)而還可以計(jì)算出照度均勻度。對(duì)于亮度的檢測(cè)，由于該道路為單向布燈，因此檢測(cè)車(chē)在兩點(diǎn)拍攝檢測(cè)區(qū)域的數(shù)碼照片，然后將照片錄入SM光環(huán)境測(cè)試系統(tǒng)讀取平均亮度和最小亮度值，進(jìn)而計(jì)算出亮度均勻度和亮度縱向均勻度(見(jiàn)圖3)。實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

3.3 結(jié)論分析

圖3 居住小區(qū)級(jí)道路檢測(cè)示意圖

表1 居住小區(qū)級(jí)道路檢測(cè)數(shù)據(jù)指標(biāo)

表2 兩種檢測(cè)技術(shù)測(cè)得數(shù)據(jù)對(duì)比

為了證實(shí)“基于車(chē)載平臺(tái)的居住區(qū)夜間光環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)”檢測(cè)效果，對(duì)本次檢測(cè)數(shù)據(jù)與前期調(diào)研中使用傳統(tǒng)方法所檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，見(jiàn)表2。

通過(guò)表2可使用兩種不同的檢測(cè)技術(shù)方法所得到的參數(shù)值基本相同，說(shuō)明“基于車(chē)載平臺(tái)的居住區(qū)夜間光環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)”檢測(cè)精確度不遜于傳統(tǒng)方法。另外在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)技術(shù)方法，本系統(tǒng)還具有以下優(yōu)勢(shì):

1.在檢測(cè)效率上，使用傳統(tǒng)方法時(shí)，整個(gè)小區(qū)的檢測(cè)時(shí)間為3.5小時(shí)，使用新方法為1.5小時(shí)，效率提高57%。

2.本次實(shí)驗(yàn)由一人完成，這是對(duì)人力成本的極大節(jié)省;

3.所有測(cè)得數(shù)據(jù)的記錄、分析、整理均由系統(tǒng)自動(dòng)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(shí)驗(yàn)得到了連續(xù)參數(shù)指標(biāo)值，這是傳統(tǒng)逐點(diǎn)檢測(cè)方法所不能夠?qū)崿F(xiàn)的;

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

4 總結(jié)和展望

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

1.提升車(chē)體性能，使具有更強(qiáng)的動(dòng)力、更大的載重量、更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間和更堅(jiān)實(shí)的車(chē)身結(jié)構(gòu)。因?yàn)橹挥性谲?chē)體水平提升之后才有可能將質(zhì)量更大、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、功能更完備的亮度計(jì)和工業(yè)相機(jī)等設(shè)備進(jìn)行車(chē)載安裝，才能加裝功率更強(qiáng)的車(chē)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸設(shè)備，才能設(shè)置升起高度更大運(yùn)行速度更快的升降機(jī)械結(jié)構(gòu)，才能應(yīng)對(duì)更加復(fù)雜和惡劣的檢測(cè)環(huán)境。

2.由于整套檢測(cè)系統(tǒng)的外殼加工、機(jī)械焊接、零件組裝等工作均為作者及其團(tuán)隊(duì)成員獨(dú)立制作完成，因此設(shè)備外觀形式粗糙簡(jiǎn)陋，屬于實(shí)驗(yàn)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(xué)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(diào)查研究，照明工程學(xué)報(bào)，第20卷第4期，2009

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

［4］沈天行，杜江濤.城市夜景照明的測(cè)試技術(shù).上海.國(guó)際夜景照明研討會(huì).2001

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