基于正交設(shè)計(jì)的強(qiáng)光射燈對(duì)夜天空影響的試驗(yàn)研究

劉 鳴 馬 劍 張寶剛 王 丹 劉 剛

(1.大連理工大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院，大連 116024;2.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;3.大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，大連 116024)

隨著科技的高速發(fā)展，照明新技術(shù)的日臻完善，特種燈具如激光燈、城市之光、遠(yuǎn)程探照燈、空中玫瑰應(yīng)運(yùn)而生，并不斷在城市照明中得到應(yīng)用［1-3］。它們具有射程遠(yuǎn)、發(fā)光強(qiáng)度高、視覺(jué)沖擊強(qiáng)等共同特點(diǎn)，常被安置在大廈、廣場(chǎng)、酒樓，景山、公園標(biāo)志性建筑物及體育館的頂部，是引起城市夜間光污染程度最強(qiáng)的燈具之一。這些燈具發(fā)出的光不僅對(duì)城市天空亮度影響嚴(yán)重，而且對(duì)天空中的飛鳥(niǎo)、城市中的居民等都會(huì)帶來(lái)非常強(qiáng)烈的干擾［5-6］。因此，在目前低碳化照明備受關(guān)注的情況下，如何科學(xué)、合理的進(jìn)行探照燈的布置與使用具有重要意義，本研究基于正交試驗(yàn)的方法，利用人工天空模型進(jìn)行了關(guān)于探照燈的出射角度、光源亮度、出射光束截面積對(duì)天頂亮度影響的試驗(yàn)分析，分析其燈具各設(shè)置因素對(duì)天空亮度影響的顯著性。

1 基于正交設(shè)計(jì)的強(qiáng)光射燈對(duì)夜天空影響的試驗(yàn)

1.1 城市強(qiáng)光射燈特點(diǎn)

探照燈屬于強(qiáng)光射燈的一種，已廣泛應(yīng)用于對(duì)重要物體引起注意、標(biāo)志方位、對(duì)音樂(lè)會(huì)和舞臺(tái)節(jié)目產(chǎn)生激動(dòng)反應(yīng)和對(duì)移動(dòng)畫(huà)面及電視制作創(chuàng)造出特殊的照明效果等方面。照射距離長(zhǎng)，照明范圍集中是它獨(dú)有的特性［7］。

利用反射鏡的光學(xué)性質(zhì)設(shè)計(jì)出的探照燈廣泛用于軍事、交通、城市照明等領(lǐng)域［2］。根據(jù)探照燈的用途主要有:高空探照燈、強(qiáng)光探照燈、強(qiáng)力探照燈和應(yīng)急探照燈［7，8］。高空探照燈主要用于城市照明。

1.2 試驗(yàn)方法

由于城市各種雜散光比較多，很難分析探照燈的設(shè)置和性能對(duì)天空發(fā)亮的影響規(guī)律，因此本研究利用直徑3m的人工天空來(lái)模擬探照燈向天空照射的情況，試驗(yàn)布置和測(cè)試點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。儀器包括:兩個(gè)強(qiáng)力探照燈 (分別為10W和15W，因?qū)嶒?yàn)空間有限，為便于對(duì)比，光源高度調(diào)光范圍控制在5 000～1 5000cd/m2，由強(qiáng)弱檔調(diào)光，有效射程300～500米)、黑色覆蓋薄膜、固定支架、量角器等。黑色覆蓋薄膜的目的是降低內(nèi)部漫反射進(jìn)而模擬夜天空。測(cè)量?jī)x器主要為:BM-7彩色亮度計(jì)和照度計(jì)。通過(guò)改變出射角度、光束截面積、光源亮度等參數(shù)，揭示夜天空亮度分布情況和主要影響因素。出射角度是指燈具地平線之間的夾角;光束截面積是指燈具出光口的面積;光源亮度是指光源的輸出亮度。測(cè)試點(diǎn)是按照網(wǎng)格法進(jìn)行布置，每個(gè)網(wǎng)格邊長(zhǎng)為5cm。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法是一種解決多因子對(duì)比試驗(yàn)問(wèn)題的重要數(shù)學(xué)方法，主要使用正交表進(jìn)行整體設(shè)計(jì)、綜合比較、統(tǒng)計(jì)分析［9-11］。由試驗(yàn)設(shè)計(jì)可知探照燈對(duì)夜天空發(fā)亮影響的因素諸多，通過(guò)正交設(shè)計(jì)方法利用統(tǒng)計(jì)分析對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合處理，選出最優(yōu)因子和水平。

1.3 影響天空發(fā)亮的各因素及水平號(hào)的確定

正交試驗(yàn)首先要確定影響因素及各因素的水平值。探照燈對(duì)天空發(fā)亮的影響因素主要有兩方面，其一為探照燈的安裝形式，其二為探照燈的性能參數(shù)。探照燈的出射角度、出射光束截面積 (出光口面積)、光源亮度確定是影響天空發(fā)亮的主要因素。因此，本章通過(guò)正交試驗(yàn)的方法確定探照燈的布置方式和性能對(duì)天空發(fā)亮影響的規(guī)律。

圖1 探照燈模擬試驗(yàn)布置

因素是指直接影響試驗(yàn)結(jié)果而需要進(jìn)行考察的不同原因。本試驗(yàn)選取出射角度 (用A表示)、光源亮度 (用B表示)、出射光束截面積之和 (用 C表示)三個(gè)因素。試驗(yàn)的考察指標(biāo)為模擬夜天空的天頂亮度和水平照度。

1.3.1 影響因素變化水平的確定

該試驗(yàn)是一個(gè)三因素三水平試驗(yàn)，(1)出射角度，用 A表示。三個(gè)變化水平分別為 40°、60°、80°。(2)光源亮度，用B表示，三個(gè)變化水平分別為15W弱光、10W強(qiáng)光和15W強(qiáng)光，亮度為7794 cd/m2、9738 cd/m2、14532 cd/m2。(3)光束截面積，用 C表示，三個(gè)變化水平分別為 28cm2、18cm2、10cm2。

為了消除系統(tǒng)誤差和人為因素的干擾，在確定各因素的水平號(hào)時(shí)，采用隨機(jī)抽樣法確定出各因素的水平號(hào)。

將上述影響因素和水平總結(jié)如表1。本試驗(yàn)最終目的是通過(guò)對(duì)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的分析，并根據(jù)相應(yīng)的指標(biāo)得出探照燈對(duì)天空發(fā)亮的影響的主要因素。

表1 正交試驗(yàn)主要影響因素和水平

2 SPSS進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

2.1 安排正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用SPSS進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理，可以使本研究從傳統(tǒng)繁瑣復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理工作中解脫出來(lái)。根據(jù)SPSS數(shù)據(jù)編程產(chǎn)生9個(gè)組合 (即9次試驗(yàn))，將組合進(jìn)行整理，采取隨機(jī)抽簽的方法確定因素的排序，并根據(jù)排序進(jìn)行表頭設(shè)計(jì)和安排實(shí)施試驗(yàn)。各因素與水平相互匹配表見(jiàn)表2。

表2 各因素與水平相互匹配表

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

根據(jù)正交表2進(jìn)行表頭設(shè)計(jì)和安排實(shí)施試驗(yàn)。試驗(yàn)方式及結(jié)果見(jiàn)表3。該試驗(yàn)是一個(gè)三因素三水平試驗(yàn)，正交表L9(34)滿足試驗(yàn)要求，由表2可以看出:

表3 試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算

(1)因素?cái)?shù)+要考慮的交互作用+空白項(xiàng)<正交表列數(shù);

(2)因素的水平數(shù)=正交表水平數(shù);

(3)在每一行、每一列中，1、2、3正好各出現(xiàn)一項(xiàng)。

此方案在保證各因素與各水平間均勻搭配的基礎(chǔ)上僅制造和試驗(yàn)9次就能達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康?。如果采用全面試?yàn)需33次。而這9次試驗(yàn)，既能代表33次試驗(yàn)的最優(yōu)結(jié)果，又可以大大減少試驗(yàn)次數(shù)、試驗(yàn)時(shí)間和費(fèi)用?？梢?jiàn)在多因素多水平試驗(yàn)中正交設(shè)計(jì)的重要性。一般來(lái)說(shuō)各因素取三個(gè)水平即可看出其變化規(guī)律。其中的空白因素可用來(lái)計(jì)算、分析試驗(yàn)誤差。

2.3 SPSS輸出正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

將理化指標(biāo)測(cè)定結(jié)果輸入SPSS系統(tǒng)進(jìn)行分析、對(duì)輸出的結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，SPSS軟件通過(guò)單變量方差分析可以處理各種不同設(shè)計(jì)，包括隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)、析因設(shè)計(jì)。在輸出結(jié)果中每一個(gè)響應(yīng)有2個(gè)表，即方差分析表 (Tests of Between-Subjects Effects)、估計(jì)邊緣均數(shù)表 (Estimated Marginal Means)和輪廓圖(Profile Plots)。

2.3.1 方差分析

通過(guò)正交試驗(yàn)的方差分析，進(jìn)一步明確各獨(dú)立因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度。方差分析的優(yōu)點(diǎn)是能把總平方和分解成因素與誤差平方和。而正交設(shè)計(jì)將這種分解固定在每一列上，對(duì)于沒(méi)有安排因素的空列，該列的平方和用來(lái)反映試驗(yàn)誤差。為了減少正交試驗(yàn)的誤差，采用重復(fù)試驗(yàn)的方法。

表4對(duì)三個(gè)因素作出了方差分析，該表各列的意義分別是方差來(lái)源、平方和、自由度、均方、F值及顯著值。由表中的方差分析結(jié)果可知:

天空發(fā)亮影響次序:出射角度>光束截面積>光源亮度;

其中出射角度的顯著值為0.002束面積的顯著值為0.008亮度的顯著值為0.005因素均有顯著意義 (小于0.05)。

表4 方差分析

2.3.2 各因素對(duì)天頂亮度的影響結(jié)果分析

為比較不同天頂亮度，取各因素的水平值為橫坐標(biāo)，以相應(yīng)因素的同水平對(duì)應(yīng)的天頂亮度為縱坐標(biāo)。利用正交設(shè)計(jì)結(jié)果輸出天頂亮度估計(jì)邊緣輪廓圖見(jiàn)圖2，這是探求各因素可能達(dá)到更大輸出天頂亮度的一個(gè)直觀方法，它有助于發(fā)現(xiàn)正交表中所未列入而可能更大的天頂亮度值。對(duì)于光源亮度1條件下，天頂亮度最大值為0.220cd/m2，光源亮度2條件下天頂亮度最大值為0.284cd/m2，光源亮度3條件下天頂亮度最大值為0.306cd/m2。從圖中單因素估計(jì)邊緣輪廓圖可以看到，天頂亮度的最大值與光源亮度成正比，光源亮度越高引起的天空亮度也越大。

圖2 天頂亮度估計(jì)邊緣輪廓圖

從圖表中可以看到，隨著出射角度、光源亮度和光束截面積的增加，天頂亮度也相應(yīng)提高。隨出射角度的增大，天頂亮度提高的幅度最大;隨光源亮度增加，天頂亮度提高的幅度最小。出射角越大對(duì)天定亮度增加的程度越強(qiáng)，而出射的角度越低射向城市的光越多，對(duì)居民的影響越大。另外探照燈在天空來(lái)回掃射，也會(huì)提高背景天空的亮度。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究將正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)的方法運(yùn)用到城市光環(huán)境污染的研究中，正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)的方法可以明顯減少試驗(yàn)次數(shù)，并可以定量地分析探照燈的設(shè)置因素對(duì)天空發(fā)亮的影響以及這種影響隨因素水平的變化。隨著出射角度、光源亮度和光束截面積的增加，天頂亮度也相應(yīng)提高。隨出射角度的增大，天頂亮度提高的幅度最大;隨光源亮度增加，天頂亮度提高的幅度最小。出射角越大對(duì)天頂亮度增加的程度越強(qiáng)，而出射的角度越低射向城市的光越多。

此外，探照燈出射光的投射位置或方向與居民相對(duì)越近，給周?chē)用裆詈陀^測(cè)帶來(lái)的干擾越大;相反，與居民的相對(duì)位置越遠(yuǎn)，對(duì)居民的影響相對(duì)減弱;探照燈在天空來(lái)回掃射，也會(huì)提高背景天空的亮度，甚至?xí)由顚?duì)居民正常生活和休息的干擾。因此，在非重大節(jié)日期間，現(xiàn)代城市中應(yīng)少用或不用探照燈、激光燈、“空中玫瑰”燈等光污染嚴(yán)重的燈光，以防止對(duì)附近居民、天文觀測(cè)等產(chǎn)生影響。

感謝

感謝馬劍教授對(duì)本論文的指導(dǎo)，寄以此文，謹(jǐn)記老師風(fēng)范，告慰在天之靈。

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