城市地鐵光環(huán)境模糊綜合評價方法研究

黃 璐，段中興

HUANG Lu,DUAN Zhongxing

西安建筑科技大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，西安 710055

School of Information and Control Engineering,Xi’an University of Architecture and Technology,Xi’an 710055,China

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，城市發(fā)展也進入了可持續(xù)增長階段。與此同時，城市規(guī)模、人口密度不斷增加，致使交通運輸壓力越來越大，城市地上交通不能完全滿足人們?nèi)粘３鲂幸?，這時便產(chǎn)生了地下交通運輸方式——地鐵。地鐵的興起，使得交通運輸方式變得多元化。但是地下環(huán)境不同于地上環(huán)境，人們進入沒有自然光照射的環(huán)境中，更容易產(chǎn)生不安、不快、消沉、孤立、黑暗、缺乏吸引力、不開闊、缺乏刺激緊張、氣悶等消極反應(yīng)[1]。這就需要對影響地下環(huán)境及人群心理的因素做以評價分析，從而提出改進措施，完善地鐵的運營環(huán)境。

對于地鐵地下環(huán)境，照明光環(huán)境是其重要的一部分。照明的質(zhì)量以生理、心理等多種方式影響著人們的健康狀況和生命節(jié)律[2]。良好的光環(huán)境不僅可以為出入地鐵的流動乘客提供較為充足的視覺條件和準(zhǔn)確的方向引導(dǎo)，而且可以改善地鐵工作人員的工作環(huán)境，降低因長時間在地下工作引起的心理上的不舒適感，在提高工作效率、保證乘客和地下設(shè)備的安全方面起著重要的作用。

目前，在人工照明評價領(lǐng)域中，多數(shù)是地上空間或地上建筑物的光環(huán)境評價。例如住宅起居室和辦公室的光環(huán)境評價[3-4]，以及AYS-E Durak等學(xué)者建立的結(jié)合照度等客觀指標(biāo)與愉悅感等主觀指標(biāo)得出綜合評價結(jié)果[5]。而對于地下空間的光環(huán)境評價研究，較之地下空間照明的設(shè)計則是相對滯后。同時，人們對地鐵空間照明的要求也開始從數(shù)量向質(zhì)量轉(zhuǎn)變，不僅要求可以提供照明還要求照明效果舒適且節(jié)能。這就使得照明設(shè)計人員需要對自己的設(shè)計成果做進一步的完善，而光環(huán)境評價體系對其改進提供了理論與數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確依據(jù)。因此，本文參考國內(nèi)外空間光環(huán)境評價的研究成果，利用層次分析和問卷調(diào)查相結(jié)合的方法確定評價體系中各個指標(biāo)因子的權(quán)重值。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建城市地鐵光環(huán)境模糊綜合評價模型，對地鐵光環(huán)境進行評價[6-7]。該方法可結(jié)合MATLAB軟件進行數(shù)據(jù)計算，不僅降低了計算的復(fù)雜性，而且提高了光環(huán)境評價的效率及準(zhǔn)確性。

2 構(gòu)建評價指標(biāo)體系和AHP確定指標(biāo)權(quán)重

本文在借鑒國內(nèi)外地下空間光環(huán)境評價指標(biāo)體系[8-9]、地下光環(huán)境設(shè)計和地下空間心理影響因素和環(huán)境行為學(xué)等領(lǐng)域的研究成果，結(jié)合城市建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)GB50034-2004[10]、視覺環(huán)境評價方法 GB/T12454-2008[11]、城市軌道交通照明標(biāo)準(zhǔn)GB/T16275-2008[12]和地下鐵道照明標(biāo)準(zhǔn)GB/T16275-1996[13]，構(gòu)建能體現(xiàn)和反映我國城市地鐵光環(huán)境內(nèi)涵的城市地鐵光環(huán)境評價指標(biāo)體系。在建立指標(biāo)體系后，利用AHP（層次分析法）法確定指標(biāo)權(quán)重。

2.1 體系指標(biāo)的選取

評價指標(biāo)的選取，主要分為兩類，一類是基于主觀的指標(biāo)，往往直接利用愉悅感、舒適度來進行綜合評價，多需要進行大量的問卷調(diào)查試驗。另一類是以建筑物照明設(shè)計和地下鐵道照明標(biāo)準(zhǔn)中得出的客觀指標(biāo)作為依據(jù)。光環(huán)境的客觀指標(biāo)主要有照度、照度均勻度、亮度、眩光、色溫、亮度比、平均照度比、顯色指數(shù)、光影、顏色顯現(xiàn)等[11-12，14]。在實際中，只利用照度、亮度等量化指標(biāo)，不能完全反映人們對光環(huán)境舒適愉悅度的感受，所以將兩種評價指標(biāo)相結(jié)合，從而得到更合理化的評價指標(biāo)。

對于本文，可結(jié)合主觀指標(biāo)與客觀指標(biāo)，從光的視覺特性即視覺環(huán)境、色彩效果即色彩環(huán)境、心理影響即心理環(huán)境和整體空間環(huán)境[14]出發(fā)，引入照度、亮度、眩光等概念，以此構(gòu)建一個評價指標(biāo)體系。

2.2 AHP法確定指標(biāo)權(quán)重

（1）根據(jù)以上選取的指標(biāo)，建立合適的層級結(jié)構(gòu)模型。評價對象的層級結(jié)構(gòu)模型一般可以分為：目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層。建立的層級結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，其中目標(biāo)層A代表城市地鐵光環(huán)境，準(zhǔn)則層B分別為視覺環(huán)境、色彩環(huán)境、空間環(huán)境和心理環(huán)境，方案層有17個指標(biāo)，具體情況見表1。

圖1 模糊聚類因子指標(biāo)體系圖

（2）構(gòu)建判斷矩陣。根據(jù)模糊聚類因子指標(biāo)體系圖，將同一層中各因素相對于上一層而言兩兩進行比較，對每一層中各因素相對重要性給出一定的判斷，從而形成判斷矩陣。一般，隸屬于指標(biāo)Ai的指標(biāo)Bj（j=1，2，…，m)，其判斷矩陣為一個m維方陣，如表2所示。判斷矩陣中元素bij表示指標(biāo) Bi和 Bj之間的重要性程度比即bij=Bi/Bj。其中bij用數(shù)字1~9及其倒數(shù)作為標(biāo)度，并且

對于重要性程度比，即各指標(biāo)的判斷矩陣，可采用問卷調(diào)查的方法得出。評分時，按照兩兩相對重要性程度比，結(jié)合1~9級標(biāo)度評分方式，制作調(diào)查問卷，而后對受試者進行評價試驗。例如表4中，如果視覺環(huán)境指標(biāo)相比色彩環(huán)境指標(biāo)略為重要，則在兩個指標(biāo)相對應(yīng)的空格中填“3”。以此法得出各層次兩兩比較矩陣，整理數(shù)據(jù)，最終得出判斷矩陣。

表1 地鐵光環(huán)境評價指標(biāo)體系

表2 A-B判斷矩陣

表3 相對重要性標(biāo)度及其含義

表4 準(zhǔn)則層指標(biāo)兩兩比較矩陣調(diào)查問卷

（3）計算權(quán)向量。為了得到指標(biāo)權(quán)重，需要計算每個判斷矩陣的權(quán)重向量。在本文中，選用和積法計算權(quán)重。

①將判斷矩陣每一列正規(guī)化：

②將每一列經(jīng)正規(guī)化后的判斷矩陣按行相加：

③對向量作正規(guī)化，歸一化處理：

所得到的W=[w1，w2，…，wn]T即為所求的特征向量。

④計算判斷矩陣最大特征值λmax：

式中(BW)i是向量BW 的第i個元素，B矩陣為判斷矩陣。

（4）一致性檢測。首先確定隨即一致性比率CR：

式中RI為判斷矩陣的一般一致性指標(biāo)，其值如表5所示。

表5 平均隨即一致性指標(biāo)

隨即一致性比較結(jié)果CR的判斷標(biāo)準(zhǔn)為：

CR＜0.1：說明判斷矩陣有良好的一致性，判斷合理；

CR=0.1：說明判斷矩陣有較好的一致性，判斷較為合理；

CR＞0.1：說明判斷矩陣不符合一致性原則，需要從新調(diào)整，直到滿意為止。

3 構(gòu)建模糊綜合評價模型

本文構(gòu)建的城市地鐵光環(huán)境評價指標(biāo)體系是一個二級模糊綜合評價模型。整體評價過程為先對方案層的指標(biāo)進行模糊綜合評價方法應(yīng)用，得出其對應(yīng)的準(zhǔn)則層指標(biāo)的綜合評價結(jié)果；然后對準(zhǔn)則層的指標(biāo)進行模糊綜合評價方法應(yīng)用，得出其對應(yīng)的目標(biāo)層的綜合評價結(jié)果。其基本原理為：

（1）根據(jù)所構(gòu)建的城市地鐵光環(huán)境評價指標(biāo)體系，確定各級評價指標(biāo)集（因素集）得U={u1，u2，…，un}。

（2）根據(jù)問卷調(diào)查和層次分析法所確定的城市地鐵光環(huán)境評價指標(biāo)體系中每個評價指標(biāo)的權(quán)重值，則可得到各層權(quán)重集 A={a1，a2，a3，…，an}。

（3）建立評語集。評語集是評價者對評價對象可能做出的各種評價結(jié)果所組合的集合，不論評價層次有多少，評語集只有一個，即評語集為V={v1，v2，…，vn}。

（5）綜合評價。在單因素評價基礎(chǔ)上利用所得的因素權(quán)重矩陣 A，可得綜合評價：B=A?R。對于評價向量 B=(b1，b2，…，bm)，bj表示地鐵光環(huán)境被評為 vj的隸屬度，根據(jù)最大隸屬度原則，取B中最大隸屬度對應(yīng)的評價集指標(biāo)作為最終評價結(jié)果，這樣就確定了地鐵光環(huán)境綜合優(yōu)劣程度。

4 應(yīng)用實例分析

應(yīng)用上述層次分析法結(jié)合模糊綜合評價模型的方法對西安某地鐵站光環(huán)境進行評價。

（1）建立評價指標(biāo)體系

本文選定的城市光環(huán)境評價指標(biāo)體系如表1。

（2）建立評價指標(biāo)集

根據(jù)前文構(gòu)建的城市地鐵光環(huán)境評價指標(biāo)體系，將指標(biāo)集U分為兩個層次：

首先進行實地測量。在本次實驗中，使用光照度計、光亮度計和光譜輻射計等儀器，在均經(jīng)校準(zhǔn)的情況下，按照GB/T5700-2008照明測量方法[15]，對地鐵變電站控制室，計算機房，售票室，行車調(diào)度、電力調(diào)度、配電控制室，站臺，站廳，辦公室，站內(nèi)自動扶梯，通道，視屏控制室，行車值班室，檢票處，通信信號機房，變電設(shè)備室、風(fēng)機房，廁所處的亮度、亮度均勻度、照度、照度均勻度、色溫和顯色性進行測量和計算。

其次，選取問卷調(diào)查人員。本文在調(diào)查試驗中選取了兩組受試者。第一組為專家小組，由建筑室內(nèi)視覺環(huán)境設(shè)計與研究方面專業(yè)人士組成，人數(shù)為10人。第二組為隨即選取的50位視力正常的人所組成的用戶評價小組，其中年齡在20~30歲的15人，30~40歲15人，50-60歲15人，60歲以上5人，均為地鐵職工和乘客。

最后，將儀器測量結(jié)果對照地下鐵道照明標(biāo)準(zhǔn)，整理數(shù)據(jù)并檢查測量結(jié)果是否符合標(biāo)準(zhǔn)。而后將分析檢查結(jié)果與調(diào)查問卷交于兩組受試者進行評分，得到N份問卷調(diào)查表，依據(jù)公式（6）

其中Bi為判斷矩陣，結(jié)合問卷調(diào)查結(jié)果和1~9級評判方法，得出最終判斷矩陣。例如準(zhǔn)則層相對于目標(biāo)層的判斷矩陣，如表6所示。

表6 準(zhǔn)則層相對于目標(biāo)層的判斷矩陣

得到以上各層級的判斷矩陣，通過MATLAB編程計算出各個指標(biāo)的權(quán)重。而后進行一致性檢驗，并得出一致性檢驗結(jié)果為CR均小于0.1，判斷矩陣設(shè)置合理。根據(jù)每一層次中各個因素的重要程度，分別賦予每個因素以相應(yīng)的權(quán)重值，則各權(quán)重集為：

根據(jù)評價集的形式，可將本文所涉及內(nèi)容的評價等級劃分為四等，即評語集為V={優(yōu)，良，中，差}。

（5）建立模糊矩陣R

模糊矩陣的確立，可結(jié)合評語集和指標(biāo)集，先做出調(diào)查問卷，其問卷調(diào)查評價票數(shù)統(tǒng)計如表7。再利用公式（7）的計算方法得出模糊矩陣R，其中rij模糊評價矩陣中的元素，mij為rij所對應(yīng)指標(biāo)的評價票數(shù)，n為總的評價票數(shù)。

表7 地鐵光環(huán)境問卷調(diào)查評價結(jié)果統(tǒng)計

對于本文的評價對象，可以得出一、二級指標(biāo)的模糊矩陣R。

根據(jù)前文介紹的單因素評價以及綜合評價的概念和計算方法，結(jié)合以上的二級指標(biāo)權(quán)重向量和模糊矩陣可求得一級指標(biāo)模糊綜合評價結(jié)果如下：

由最大隸屬度原則可知地鐵的視覺環(huán)境水平為良，其隸屬度為39.00%。

由最大隸屬度原則可知地鐵的色彩環(huán)境水平為良，其隸屬度為47.08%。

由最大隸屬度原則可知地鐵的心理環(huán)境水平為優(yōu)，其隸屬度為43.53%。

由最大隸屬度原則可知地鐵的空間環(huán)境水平為良，其隸屬度為39.98%。

再根據(jù)一級指標(biāo)的權(quán)重，得到地鐵光環(huán)境模糊綜合評價結(jié)果如下：市地鐵光環(huán)境評價結(jié)果為“良”，其隸屬度為41.21%。

5 結(jié)束語

本文針對城市地鐵光環(huán)境的現(xiàn)狀，從視覺環(huán)境、色彩環(huán)境、心理環(huán)境和空間環(huán)境等四個方面對影響光環(huán)境質(zhì)量的因素進行分析，建立了更加詳細的評價指標(biāo)體系，利用層次分析法結(jié)合問卷調(diào)查確定了各個指標(biāo)的權(quán)重，得出二級模糊綜合評價模型，最終得出其評價結(jié)果。這一實例分析評價結(jié)果符合實際情況，表明本文建立的城市地鐵光環(huán)境評二級模糊綜合評價模型可操作性強，適用性好，可為城市地體光環(huán)境評價提供參考。

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