基于層次分析法的道路照明設(shè)計評價方法
引言
照明系統(tǒng)設(shè)計是道路照明的核心,理想的照明方案不僅要滿足行人行車安全舒適的需求,還要節(jié)能環(huán)保,其涉及的評價指標(biāo)[1,2]繁多,這使得評價方案的建立非常困難。此外,由于周圍光環(huán)境的影響、車行的影響致使照明效果參數(shù)值的現(xiàn)場測試效率低、測量精度不高,這也對道路照明效果的評價造成了不便。目前,對道路照明系統(tǒng)設(shè)計的綜合評價方法的研究仍處于探索階段,如何便捷準(zhǔn)確地獲得道路照明設(shè)計指標(biāo)值,進而對參數(shù)復(fù)雜多樣的道路照明效果進行綜合評價,成為道路照明設(shè)計方案選擇的關(guān)鍵問題。
1 照明道路設(shè)計評價模型
層次分析法是一種多目標(biāo)、多準(zhǔn)則的決策分析方法,它將定量分析與定性分析相結(jié)合,具有將復(fù)雜問題結(jié)構(gòu)化、條理清晰、統(tǒng)籌兼顧等優(yōu)點,是項目選擇、系統(tǒng)評價及資源配置等問題的一種有效解決方法[3~7]。本文基于層次分析法理論建立道路照明方案評價模型,如圖1所示。模型包含有四部分:1)目標(biāo)層:目標(biāo)層是照明效果評價要達到的最終目的,即選擇更合理的照明方案;2)準(zhǔn)則層:準(zhǔn)則層主要是目標(biāo)層的影響因素,包括照明質(zhì)量與能耗2個方面;3)指標(biāo)層:該層主要是照明效果評價指標(biāo),由于該層元素原則上不能相關(guān),而亮度與照度指標(biāo)及亮度均勻度與照度均勻度之間具有相關(guān)性,同等的兩者只能取其一;4)方案層:該層主要是道路照明不同的方案設(shè)計。依據(jù)以上分析建立照明方案評價的層次結(jié)構(gòu)。
2 道路照明設(shè)計評價方法
2.1照明方案評價影響因素判斷矩陣的確定
建立照明方案評價的遞階層次結(jié)構(gòu)之后,通過將因素之間對于其上一層次因素的相對重要性進行兩兩比較,并按SattyTL提出的1~9標(biāo)度[8]進行賦值建立判斷矩陣,其含義如表1。如準(zhǔn)則層B相對于目標(biāo)層A建立判斷矩陣A=[aij]n×n,其中,aij為層次B第i個因素與第j個因素相比對于其上一層次A的相對重要性比例標(biāo)度。
2.2層次單排序與一致性檢驗
由判斷矩陣A=[aij]n×n計算準(zhǔn)則層B中的因素相對于目標(biāo)層A的優(yōu)先權(quán)重,然后由這些權(quán)重構(gòu)成表示B層因素排序優(yōu)先程度的單排序向量。層次單排序向量的計算可以歸結(jié)為求解矩陣A最大特征值所對應(yīng)的特征向量W。本文采用判斷矩陣首行求方根并歸一化方法,如式(1)、式(2),進而可由式(1)、式(2)、式(3)式求得矩陣A最大特征值。
同理可以通過判斷矩陣B求得指標(biāo)層次C的單排序向量與矩陣B的最大特征值。
由于兩兩比較確定的判斷矩陣存在主觀差異,存在判斷矩陣自相矛盾的風(fēng)險,需對其進行一致性檢驗。根據(jù)CI=(λmax-n)/(n-1),CR=CI/RI計算判斷矩陣的一致性指標(biāo)CI、隨機一致性指標(biāo)CR(RI為平均隨機一致性指標(biāo),可查表獲得),對層次單排序一致性檢驗。若CR=0,判斷矩陣有完全隨機一致性;若CR<0.1,判斷矩陣有滿意隨機一致性;若CR>0.1,判斷矩陣需進行調(diào)整。
2.3層次總排序與此與一致性檢驗
從最高層到最低層,逐層計算同一層次所有元素相對最高層的重要性權(quán)值,并進行一致性檢驗,得出最低層各元素對總目標(biāo)的相對重要性權(quán)值。設(shè)準(zhǔn)則層B有m個元素,層次B相對于目標(biāo)層A的單排序向量?AB=[A1,A2,…Am],設(shè)指標(biāo)層C包含n個元素,它們對于層次B的層次單排序?BC=[?C1,C2,…?Cn],則層次C相對于層次A的總排序向量為:
RI對F層的層次總排序進行一致性檢驗,依此類推。
2.4照明方案評價指標(biāo)值的獲得
照明方案評價指標(biāo)分為兩部分,能耗指標(biāo)與照明質(zhì)量指標(biāo)。能耗指標(biāo)LPD可依據(jù)燈具系統(tǒng)節(jié)能認(rèn)證技術(shù)規(guī)范CQC3105—2009中的相應(yīng)公式求得。而照明質(zhì)量評價指標(biāo)值是以路燈測試與道路照明仿真相結(jié)合的方法確定。
2.5照明方案判定評價
對照明方案Dk的評價指標(biāo)cik進行歸一化處理,如式(5)
式中i為指標(biāo)編號,k為照明方案編號,qik為指標(biāo)值歸一化后的計算值。cimax為所有方案中第i個指標(biāo)的最大值。
然后根據(jù)式(6)計算出照明方案Dk的期望值Ei
其中,?Ai表示第i個指標(biāo)相對于目標(biāo)層的排序向量值期望值Ei最大的照明方案便是最佳的照明設(shè)計方案。
3 實驗
3.12種照明方案
2種照明方案都選用相同的布燈方式,路況與布燈狀況如表2,而選用的燈具分別為新型150W的LED路燈和廣為應(yīng)用的250W高壓鈉燈。
3.2判斷矩陣確定
根據(jù)圖1所示照明方案評價的層次結(jié)構(gòu),由多位照明領(lǐng)域的專家依據(jù)1~9標(biāo)度法,得出照明方案評價層次結(jié)構(gòu)中準(zhǔn)則層相對目標(biāo)層的判斷矩陣A~Bj和指標(biāo)層相對于準(zhǔn)則層B1的判斷矩陣B1~Cj,分別如表3和表4所示。[!--empirenews.page--]
由于準(zhǔn)則層B2中包含的指標(biāo)元素只有一項,可略去對B2判斷矩陣的建立。
3.3照明方案層次排序與一致性檢驗
根據(jù)建立的判斷矩陣并依據(jù)式(1)、式(2)計算兩矩陣的特征向量分別為WA=[0.75,0.25]和WB1=[0.39,0.33,0.12,0.12,0.04].也就是對應(yīng)的層次單排序A和B1,而B2的單排序為1。
再進行一致性檢驗,由于矩陣A中僅有2個元素,不需進行一致性檢驗,而對矩陣B1的一致性檢驗結(jié)果如表5所示,該矩陣具有滿意的一致性。進而可由式(4)得層次總排序?AC=[0.29,0.25,0.09,0.09,0.03,0.25],并對總排序進行一致性檢驗得CI=0.033,RI=0.839,CR=0.039<0.1,總排序具有滿意的一致性。
3.4照明方案指標(biāo)值確定
采用光強分布儀對兩盞路燈進行光強分布測試[9,10],將測得的燈具光強分布數(shù)據(jù)導(dǎo)入照明設(shè)計軟件D
IALux,對2種照明方案進行仿真,仿真結(jié)果如表5所示。
3.5照明方案評價
依據(jù)式(5)對照明評指標(biāo)進行歸一化處理,并依據(jù)式(6)計算出兩種方案的值,最終結(jié)果如表6所示。
由表6照明方案期望值可知,LED燈期望值E1=0.884,高壓鈉燈期望值E2=0.772,E1>E2,故在同等路況和布燈方式條件下,規(guī)格150W的LED燈的照明效果優(yōu)于規(guī)格250W的高壓鈉燈的照明效果。
4 結(jié)論
本文基于層次分析法建立了一種道路照明系統(tǒng)的評價方法。該方法通過建立不同評價指標(biāo)的組合權(quán)重,并利用各歸一化的評價指標(biāo)參數(shù)進行系統(tǒng)綜合評價值的計算和決策。由于該評價方法將各評價指標(biāo)進行了合理量化分析,克服了評價過程中的主觀性,有助于對道路照明系統(tǒng)進行客觀有效的評價。具體到研究對象,通過對LED路燈和高壓鈉燈照明系統(tǒng)進行AHP分析,得出在同等路況和布燈方式下,規(guī)格150W的LED燈照明效果優(yōu)于規(guī)格250W的高壓鈉燈,更具節(jié)能優(yōu)勢。