杜戰(zhàn)其，王洪偉，張麗珍，陽 希

(1.上海海洋大學 工程學院，上海 201306； 2.同濟大學 經(jīng)濟與管理學院，上海 200092)

基于模糊綜合AHP法的教室照明系統(tǒng)評價與優(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 工程學院，上海 201306； 2.同濟大學 經(jīng)濟與管理學院，上海 200092)

基于人因學的視角，利用作者改進后的層次分析模型和模糊數(shù)學綜合評價方法，針對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、燈具與室內布置四個方面，對上海市的A、B、C三所高校的教室照明系統(tǒng)進行了評價與優(yōu)化。通過模型計算與分析，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，結合綜合模型的計算結果，從照明系統(tǒng)的人因學和照明技術的雙重視角，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布置等方面對A高校教室提出了人因學方面的照明系統(tǒng)優(yōu)化建議。

教室照明；層次分析法；評價；優(yōu)化；舒適度

引言

教育部發(fā)布的學生體質監(jiān)測報告，我國青少年視力不良檢出率持續(xù)上升，并出現(xiàn)低齡化傾向，其中大學生的視力低下率已達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、照明質量差密切相關。據(jù)統(tǒng)計[2]，大學生60%的時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眼睛造成的負擔和頭痛、惡心等身體上的不適，同時也會減少心理上的厭煩等不良情緒，增強良好的心理感受，提高學習熱情和學習效率。如圖1所示，形象展示了學習效率、視疲勞與照度的關系[3]：光照度在臨界照度值以下，隨著照度的增強，學習效率迅速提高，同時相對視疲勞率在范圍內也逐漸下降。因此，如果改善照明條件，不僅可以減少視覺疲勞，而且也會提高學習的效率。

本文提出為了保障學生的身心健康以及提高學生的學習效率，學校的照明設施需要參照視覺的健康與舒適來進行設計，并在滿足舒適度的同時，還應考慮到節(jié)能環(huán)保等方面，以期達到綠色照明的標準。本文的創(chuàng)新點在于利用作者改進的層次分析模型和模糊數(shù)學綜合評價方法，對教室照明進行了評價與優(yōu)化；并結合綜合模型的計算結果，從照明系統(tǒng)的人因學和照明技術的雙重視角，給出了相應的對策與建議。

1 評價要素分析

本文擬通過數(shù)據(jù)搜集和數(shù)據(jù)分析，運用層次分析法[4]構建綜合評價模型，經(jīng)調研采集相關數(shù)據(jù)，分析并評價上海市A、B、C三所高校的教室照明系統(tǒng)，最后基于評價結果對相對較差的高校教室提出相應優(yōu)化建議。對于高校教室的照明環(huán)境來說，本文借鑒已有文獻并調研匯總，提出“照明水平、眩光感覺、亮度分布、燈具與室內布置”是影響學生舒適度的最重要因素。①照明水平：在照明不好的情況下，人會很快疲勞，導致工作效率低、效果差，極易產生視覺疲勞、怕光、眼脹、頭疼及其他疾病。②眩光感覺：當視野內過高亮度或過大亮度對比時，人們就會感到刺眼，分散注意力，產生視覺疲勞并影響視力。③亮度分布：如果視野內亮度差別很大，眼睛就會很快疲勞，從而引起心理上的不愉快并產生煩躁等不安情緒。④燈具與室內布置：包括燈具的布置方式、燈光的實際分布、桌椅的分布、室內燈光的顏色效果、以及教室和黑板的大小等情況；一個燈具與室內布置不合理的教室會使人感到不愉快，并影響學習效率等[5]。

圖1 學習效率、視疲勞與照度的關系Fig.1 Relation of illuminance and learning efficiency and eyestrain

2 層次分析法(AHP)建模與評價分析

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

2.1 建立層次結構模型

層次分析法(AHP)第一步是將決策的總體目標、使用標準和決策對象按它們之間的相互關系分為最高層、中間層和最低層，并繪出層次結構圖，本文構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 構造成對比較矩陣

表1 因素重要性的衡量尺度

由此，本文形成五個成對比較矩陣：目標層對準則層的成對比較矩陣1(表2)，準則層照明水平對方案層的成對比較矩陣2(表3)，準則層眩光感覺對方案層的成對比較矩陣3(表4)，準則層亮度分布對方案層的成對比較矩陣4(表5)，準則層燈具與室內布置對方案層的成對比較矩陣5(表6)。

表2 目標層對準則層的成對比較矩陣1

表3 準則層照明水平對方案層的成對比較矩陣2

表4 準則層眩光感覺對方案層的成對比較矩陣3

表5 準則層亮度水平對方案層的成對比較矩陣4

表6 準則層燈光與室內布置對方案層的成對比較矩陣5

2.3 判斷矩陣的一致性檢驗

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

1)將成對比較矩陣中每一列中的每一項分別都乘以每一項標準的優(yōu)先級并相加：

2)將上一步驟得到的加權值向量除以每個標準的優(yōu)先級,然后取其均值λmax：

3)計算一致性指數(shù)CI和一致性指標CR：

其中RI的數(shù)值從表7中查的。當CR小于或等于0.10時，則認為成對比較矩陣的一致性達到要求。若CR大于0.10則需要對成對比較矩陣進行重新調整，直到得到新矩陣算出CR值小于或等于0.10為止。

表7 平均隨機一致性指數(shù)

本文對矩陣1進行一致性檢驗，求得λmax=4.011，CI=0.003,CR=0.004<0.10,故表2成對比較矩陣通過一致性檢驗，由此可得，照明水平的優(yōu)先級為0.463，眩光感覺的優(yōu)先級為0.104，亮度分布的優(yōu)先級為0.255，室內布置的優(yōu)先級為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布置，最后是眩光感覺。

同理，對矩陣2進行一致性檢驗，求得λmax=3.055，CI=0.028,CR=0.048<0.10,故表3成對比較矩陣通過一致性檢驗，由此可得，A校的優(yōu)先級為0.221，B校的優(yōu)先級為0.685，C校的優(yōu)先級為0.094。也就是說在照明水平這一標準下，B校為最佳選擇，其次是A校，最后是C校。

對矩陣3進行一致性檢驗，求得λmax=3.033，CI=0.017,CR=0.029<0.10,故表4成對比較矩陣通過一致性檢驗，由此可得，A校的優(yōu)先級為0.265，B校的優(yōu)先級為0.080，C校的優(yōu)先級為0.656。也就是說在眩光感覺這一標準下，C校為最佳選擇，其次是A校，最后是B校。

對矩陣4進行一致性檢驗，求得λmax=3.012，CI=0.006,CR=0.010<0.10,故表5成對比較矩陣通過一致性檢驗，由此可得，A校的優(yōu)先級為0.193，B校的優(yōu)先級為0.107，C校的優(yōu)先級為0.700。也就是說在亮度分布這一標準下，C校為最佳選擇，其次是A校，最后是B校。

對矩陣5進行一致性檢驗，求得λmax=3.019，CI=0.010,CR=0.017<0.10,故表6成對比較矩陣通過一致性檢驗，由此可得，A校的優(yōu)先級為0.623，B校的優(yōu)先級為0.240，C校的優(yōu)先級為0.137。也就是說在室內布置這一標準下，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，可計算出每個因素的優(yōu)先級再乘積對應的標準優(yōu)先級[11]，累計求和便可得到最終結果。

1)A校的綜合優(yōu)先級：

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

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

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

由上述計算，排列綜合優(yōu)先級可得最終的AHP排名結果，如表8所示，即AHP優(yōu)先級顯示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

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

3.1 提高照明水平

關于照明水平，A高?？筛鶕?jù)實際情況從以下幾點進行優(yōu)化：第一，采用無縫隙接合的燈光布置。因為實地調研時發(fā)現(xiàn)，三校中平均照明水平最高的學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

教室眩光是造成學生視力下降的主要因素之一，本文建議利用百葉窗調節(jié)自然光線。在陽光明媚的晴天，常常會因為自然光過于強烈，靠窗的學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?，避免自然光直射課桌面或是黑板面，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，并滿足國標推薦的亮度差，教室應選擇合適材質的室內表面反射系數(shù)。本文根據(jù)新標準推薦的室內各表面反射系數(shù)的取值范圍，并結合A校的實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 改善燈具與室內布置

關于燈具布置，在保證教室照明水平的同時，力求達到亮度的均勻分布，使得燈具的排列和數(shù)量發(fā)揮其最大綜合效果，符合人因學的宜人原則。另外關于教室內的課桌布置，以本文調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感受，在合理設計走道寬距的基礎上，建議橫排不要超過10排，每橫排以不超過10個座位為宜。

[1] 嚴永紅，關楊，劉想德，等.光生物效應作用下教室光源對學生視功效及效率—疲勞影響研究[C]//中國科協(xié)第249次青年科學家論壇——照明對生態(tài)環(huán)境影響的量化觀測與評價報告文集.北京：中國照明學會，2015:53-54.

[2] 史德強,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機票模糊銷售機制研究[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.地震應急避難場所建設的需求與人因分析[J].工業(yè)工程,2013,2:10-11.

[7] 劉斌,宋成利,王殊軼,等.腹腔鏡手術器械手柄人因工程設計與評價[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模糊綜合評價[J].工業(yè)工程,2015,2:2-3.

[9] 王美強,李勇軍.輸入輸出具有模糊數(shù)的供應商評價——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

國家自然科學基金項目(70971099，71371144)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助(1200219198)，上海市科技發(fā)展基金軟科學研究博士生學位論文資助(12692193000)，上海市哲學社會科學規(guī)劃課題一般項目(2013BGL004)，2016上海市教委“教師專業(yè)發(fā)展工程”高校教師培養(yǎng)計劃專項(B1-5407-15-0001-12)，高校教指委(JZW2016049)和教學團隊項目(B1-5003-15-000109)

TU113.6

A

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