基于田口方法的道路照明精細(xì)化設(shè)計(jì)

袁 征

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院 (集團(tuán))有限公司，上海 200092)

1 引言

道路照明能為各種車(chē)輛的駕駛?cè)藛T以及行人創(chuàng)造良好的視覺(jué)環(huán)境，達(dá)到保障交通安全，方便人民生活，美化城市環(huán)境等目的。道路照明設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響到道路工程的實(shí)際使用效果，是道路工程設(shè)計(jì)的重要組成部分。

傳統(tǒng)的道路照明設(shè)計(jì)方法主要憑借設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定主要參數(shù)，道路照明的相關(guān)計(jì)算也主要采用利用系數(shù)法，該方法只能計(jì)算道路的平均照度且誤差較大。而標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的亮度評(píng)價(jià)系統(tǒng)各指標(biāo)的計(jì)算由于計(jì)算方法復(fù)雜，不被設(shè)計(jì)者普遍掌握。而且由于計(jì)算工作量巨大，人工計(jì)算難以完成。從而使得道路照明工程的設(shè)計(jì)一直停留在粗放化的階段。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，許多軟件開(kāi)發(fā)公司都推出了專(zhuān)業(yè)化的道路照明計(jì)算軟件，如德國(guó) DIAL公司的 Dialux、Philips公司的Calculux、LTI公司的LumenMicro。采用專(zhuān)業(yè)照明計(jì)算軟件建立道路模型并選用燈具來(lái)進(jìn)行模擬計(jì)算漸漸成為了主流，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果來(lái)不斷調(diào)整設(shè)計(jì)方案，這也為實(shí)現(xiàn)道路照明設(shè)計(jì)的精細(xì)化提供了基礎(chǔ)［1］。

2 田口方法

田口方法 (Taguchi Method)是由田口玄一博士提出的一套將工程經(jīng)驗(yàn)與統(tǒng)計(jì)學(xué)原理相結(jié)合的現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。該方法根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)的影響因素與水平設(shè)置的數(shù)量不同，設(shè)計(jì)出許多標(biāo)準(zhǔn)化的直交表，設(shè)計(jì)者可根據(jù)直交表內(nèi)設(shè)定的有限次數(shù)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行試做或模擬，并通過(guò)變量分析理論分析系統(tǒng)內(nèi)各因素水平間存在的非線(xiàn)性關(guān)系，從而利用這種關(guān)系確定各因素水平的最優(yōu)組合，這種組合能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品或系統(tǒng)特征值的望大、望小與望目特征［2］。

3 道路照明的實(shí)驗(yàn)?zāi)M

對(duì)于道路照明設(shè)計(jì)者而言，實(shí)現(xiàn)照明精細(xì)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)，就是通過(guò)在照明計(jì)算軟件平臺(tái)上的實(shí)驗(yàn)?zāi)M，對(duì)影響各道路照明評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果的因素水平進(jìn)行定量分析，為各因素水平的提供合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。以下，本文就以上海市某道路照明工程為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，并采用田口方法進(jìn)行照明的精細(xì)化設(shè)計(jì)。

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本文采用上海市寶山區(qū)某在建道路工程項(xiàng)目作為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象，利用Dialux照明設(shè)計(jì)軟件建立道路模型并進(jìn)行計(jì)算。圖1為實(shí)驗(yàn)道路的橫斷面，道路為雙向四車(chē)道，采用瀝青路面，維護(hù)系數(shù)為0.7，道路照明評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用主干路低檔值。

圖1 實(shí)驗(yàn)道路照明橫斷面圖Fig.1 Lighting section of experiment road

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)道路照明設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，影響照明設(shè)計(jì)效果的主要有燈桿桿高、燈桿間距、懸挑長(zhǎng)度、燈具仰角四個(gè)因素。根據(jù)《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)道路照明節(jié)能功率密度的要求［3］，本工程照明燈具擬采用150W高壓鈉燈，并初步擬定以上四個(gè)因素的三個(gè)水平取值，具體見(jiàn)表1所示。

利用田口方法的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃法，可以確定表1中四個(gè)因素、三個(gè)水平的L9(34)直交表［1］的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃見(jiàn)表2所示。

表1 因素和水平設(shè)置表Table 1 Factor and level setting table

表2 L9(34)直交表實(shí)驗(yàn)計(jì)劃Table 2 L9(34)orthogonal array experiment plan

根據(jù)表2中9組因素水平之間的排列組合，可在Dialux道路照明設(shè)計(jì)軟件中對(duì)以上9種燈具布置方案進(jìn)行仿真計(jì)算，為保證照明評(píng)價(jià)結(jié)果的一致型，照明燈具均采用Philips公司生產(chǎn)的SGP340系列PC 1xSONTPP150W的路燈產(chǎn)品。其配光曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)采用的150W高壓鈉燈的配光曲線(xiàn)Fig.2 Light distribution curve of 150W high pressure sodium lamp for the experiment

根據(jù)《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，本文實(shí)驗(yàn)研究照明評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇標(biāo)準(zhǔn)推薦的亮度體系［2］。經(jīng)過(guò)計(jì)算，在9組燈具布置方案下的各照明評(píng)價(jià)目標(biāo)的計(jì)算結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值如表3所示。

表3 L9(34)直交表道路照明實(shí)驗(yàn)結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)值Table 3 L9(34)orthogonal array experiment results and standard value

4 道路照明的優(yōu)化分析

從表3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，上述9組燈具布置方案均能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的要求。但是如何從以上結(jié)果來(lái)確定燈桿高度、燈桿間距、懸挑長(zhǎng)度、燈具仰角的因素水平的最優(yōu)組合以及它們對(duì)5個(gè)照明評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響程度，就要借助于田口方法的理論來(lái)進(jìn)行變量分析 (ANOVA)。

4.1 影響照明的因素優(yōu)化及優(yōu)化性能的預(yù)測(cè)

通過(guò)變量分析理論可以定量的估計(jì)各個(gè)因素對(duì)整體結(jié)果的相對(duì)貢獻(xiàn)。在田口方法的變量分析中，采用信號(hào)噪音比S/N作為評(píng)定產(chǎn)品或系統(tǒng)性能的一種量度。信噪比S/N的計(jì)算公式形式取決于優(yōu)化目標(biāo)的類(lèi)型，信噪比S/N越大表示性能對(duì)噪音的敏感程度越小，S/N越小則表示性能對(duì)噪音的敏感程度越大。

根據(jù)本文所建立的道路照明實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，將?biāo)準(zhǔn)規(guī)定的五個(gè)道路照明評(píng)價(jià)指標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo)，其中平均亮度Lav、總均勻度Uo、縱向均勻度Ui、環(huán)境比SR屬于“望大問(wèn)題”，信噪比計(jì)算公式如式 (1)所示。

而眩光限制閾值增量TI(%)屬于“望小問(wèn)題”，信噪比計(jì)算公式如式 (2)所示

式中 η——信噪比S/N;

yi——某因素在某水平下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果值;

n——某因素在直交表實(shí)驗(yàn)中重復(fù)的次數(shù)［2］。根據(jù)表3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)用式 (1)、式 (2)可計(jì)算出各因素在不同水平下對(duì)各照明評(píng)價(jià)指標(biāo)的信噪比S/N，具體結(jié)果如圖3～圖7所示。

圖3 各因素水平對(duì)平均亮度的信噪比Fig.3 SNR of average luminance for every factor level

圖4 各因素水平對(duì)總均勻度的信噪比Fig.4 SNR of overall uniformity for every factor level

圖5 各因素水平對(duì)縱向均勻度的信噪比Fig.5 SNR of front uniformity for every factor level

基于各因素水平的信噪比，可預(yù)測(cè)出為使各照明評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)最優(yōu)所應(yīng)選取因素水平，具體如表4所示。

圖6 各因素水平對(duì)眩光限制閾值增量的信噪比Fig.6 SNR of threshold increment for every factor level

圖7 各因素水平對(duì)環(huán)境比的信噪比Fig.7 SNR of surround ratio for every factor level

表4 各照明評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)最優(yōu)的因素水平組合Table 4 The optimum combination of factor levels for every criteria of road lighting

以上5種因素水平組合均未包含在表2的9組實(shí)驗(yàn)中，由于所選擇的優(yōu)化因素之間沒(méi)有相互作用關(guān)系，可以采用式 (3)來(lái)預(yù)測(cè)優(yōu)化后的信噪比S/N值。

式中 ηpre——預(yù)測(cè)優(yōu)化后的信噪比值;

ηm——9次實(shí)驗(yàn)信噪比的平均值;

ηA*，ηB*，ηC*，ηD*——分別為4個(gè)因素在最優(yōu)水平下的信噪比值。

通過(guò)式 (4)可由預(yù)測(cè)優(yōu)化后的信噪比反算出各照明評(píng)價(jià)指標(biāo)的預(yù)測(cè)值。

其中 σpre——預(yù)測(cè)優(yōu)化后的實(shí)際值。

根據(jù)表4所給出的5個(gè)照明評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化目標(biāo)所確定的因素水平組合，在Dialux中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)計(jì)算，并與式 (3)、式 (4)所得到的預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較，結(jié)果如表5所示。

表5 各因素水平組合優(yōu)化后的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)計(jì)算值Table 5 Predictive value and calculation value after combination optimization of factor levels

表5的結(jié)果進(jìn)一步印證了田口方法采用信噪比分析預(yù)測(cè)最優(yōu)因素水平組合的正確性，同時(shí)可以看出所確定的最優(yōu)組合實(shí)驗(yàn)計(jì)算值還略?xún)?yōu)于預(yù)測(cè)值。

4.2 各因素對(duì)照明評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響

為了分析各因素對(duì)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響程度，田口方法結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理，采用各因素水平信噪比的方差與各因素信噪比方差總和的比值來(lái)衡量各因素對(duì)產(chǎn)品或系統(tǒng)性能的影響程度［2］。

根據(jù)圖3～圖7計(jì)算所得的信噪比數(shù)據(jù)可以計(jì)算出各因素的影響程度，具體百分比柱狀結(jié)果如圖8所示。

從圖8可以看出，針對(duì)本文的照明實(shí)驗(yàn)計(jì)算模型，影響平均亮度的主要因素是燈桿間距與懸挑長(zhǎng)度，這兩個(gè)因素的影響程度已經(jīng)占到了90%以上，這與設(shè)計(jì)的直觀分析與工程經(jīng)驗(yàn)是一致的，而燈桿高度與燈具仰角影響較弱。此外，懸挑長(zhǎng)度主要影響總均勻度，而縱向均勻度、環(huán)境比都主要受燈具仰角的影響，燈桿高度對(duì)眩光限制閾值增量的影響最大。

基于上文介紹的田口方法的優(yōu)化過(guò)程，我們已經(jīng)可以得到針對(duì)某一照明評(píng)價(jià)指標(biāo)的最優(yōu)因素水平組合，但實(shí)際工程還需要考慮投資成本、燈桿造型、配光曲線(xiàn)等方方面面的因素。

比如縮小燈桿間距可以提高平均亮度，提高燈桿高度可以降低眩光限制閾值增量，但是燈桿數(shù)量的增多與燈桿高度的加長(zhǎng)都會(huì)成比例的增加工程的投資，而且還需考慮節(jié)能要求。合適的懸挑長(zhǎng)度與燈具仰角可以獲得較好的均勻度，但還要考慮到燈桿造型的美觀以及與周?chē)h(huán)境的配合［5］。因此，在最終的照明設(shè)計(jì)決策還可以結(jié)合其他多目標(biāo)特性的優(yōu)化方法進(jìn)行更加細(xì)致的研究［6］。

圖8 各因素水平對(duì)照明評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響程度Fig.8 Influence degree of criteria of road lighting for every factor level

5 結(jié)論

本文通過(guò)L9(34)直交表的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)獲得了道路照明模型各照明評(píng)價(jià)指標(biāo)的最優(yōu)因素水平組合，并定量分析了各因素的影響程度。作為一種成熟的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，田口方法的應(yīng)用有利于設(shè)計(jì)人員在最短的時(shí)間內(nèi)把握全面信息及關(guān)鍵因素，它可以更加廣泛的應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)的項(xiàng)目中來(lái)，特別是隨著一些新的照明設(shè)計(jì)軟件的發(fā)展，道路照明的設(shè)計(jì)將不斷向精細(xì)化方向發(fā)展。

［1］劉波，陳仲林，黃珂，張青文.道路照明的數(shù)字化仿真研究［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2006，17(1):20～22.

［2］林秀雄.田口方法實(shí)戰(zhàn)技術(shù)［M］.深圳:海天出版社，2004.

［3］李景色，李鐵楠.我國(guó)道路照明新標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2007，18(4):29～32.

［4］CJJ45－2006，城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［5］牟娜.城市道路照明設(shè)計(jì)［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2012，23(4):100～102.

［6］王剛.基于田口方法的多質(zhì)量特性?xún)?yōu)化研究［J］.工業(yè)工程與管理，2005，(5):99～102.