中小学光环境的模糊数学综合评价_图文

1、 杨彪 马磊 林燕丹 孙耀杰(复旦大学信息学院光源与照明工程系,上海200433摘要:目前,我国中小学生视力不良发生率居高不下,中小学教室光环境亟待改善,而国内对于教室光环境的综 合评价尚无统一的方法。本文运用模糊综合评价法建立了中小学教室光环境综合评价指标体系,并利用Delphi法和 改进的层次分析法确定了各指标的相对权重。实际应用结果表明:该方法解决了传统检验只能得出合格与否结论 的问题,对光环境的综合评价具有一定的指导意义。关键词:视力不良;中小学教室;光环境;模糊综合评价;层次分析法Fuzzy Comprehensive EvaluationonLuminous Environment

2、ofMiddleand Primary SchoolClassroomsYang BiaoMa LeiLin YandanSunYaoj ie(Dept.Illuminating Eng.&Light Sources,School of Information Science and Engtneering,Fudan University,Shanghai200433AbstractTherateof pooreyesight among middle and primary school students in China isonthe rise,this situationsh

3、ould be changed by improving the luminous environment.However,there is nounified methodtoaccessaluminous environment of classroom.Inthis paper,a comprehensive evaluation index system ofmiddle and primary school classrooms is established by fuzzy comprehensive evaluation(FCEmethod.Delphimethod andimp

4、roved analytic hierarchy processareused to determine the relative weights.Practical application of FCEcansolve the problem that traditional inspectioncanonly lead toaconclusion of eligibleornotproperly,therefore,itisfavorable for comprehensive evaluation of luminous environment.Keywords:poor-eyesigh

5、t;middleandprimaryschoolclassrooms;luminousenvironment;fuzzycomprehensive evaluation;analytic hierarchy process1引言学校是学生学习和进行各种活动的主要场所。我国中小学生课程任务繁重,用眼时间过长,城市 学校的学生每天平均在校时间长达78小时,有的 农村学校甚至超过了10小时。教室的光环境质量直接影响学生和教师的视觉作业完成效果,良好的光环境可以提高学习效率和减少视觉疲劳,保护青少 年学生的视力t,23。然而许多中小学教室都或多或少 存在着某种天然采光及人工照明不合理的现象,学 生们长

6、期在不良的光环境下学习,是导致我国中小 学生视力不良发生率居高不下的原因之一41。因此,改善中小学教室光环境意义重大。上海市已率阿 拉丁 照 明网资 料 频道第20卷第4期 杨彪等:中小学教室光环境的模糊综合评价先开展了改善中小学教室光环境试点工作。随着光环境改善工作在全国范围内的扩大,如 何评价其改善效果也成为了一个亟待解决的问题。 目前,国内已有学者提出了基于模糊数学的住宅光 环境综合评价法b6。,但对于室内光环境的综合评价 尚未建立统一的方法"-。评价中小学教室光环境改 造效果时,一般由检测机构按照相关标准进行检测 并出具检验报告,而检测报告也只能从技术层面定 性地说明改善工作

7、的合格与否,并不能对其优劣进 行定量的描述,更不能对照明设计参数、舒适度以 及整体效果做出综合评价。为了将主观评价与客观测量更好的结合起来, 以便给出更具参考价值的综合评价,本文根据相关 标准,运用模糊综合评价法确定了以照明质量、光 源性能和天然采光三个方面为准则的教室光环境综 合评价指标体系,并利用层次分析法计算出了各指 标间的相对权重,从而建立了中小学教室光环境的 模糊综合评价模型。2模糊综合评价模型2.1模糊综合评价法基本原理与步骤模糊综合评价是一种基于模糊数学的综合评价方法。它根据模糊隶属度理论把定性评价转化为定 量评价,解决了定性与定量评价不能很好结合的问 题,使评价方法在综合性、合

8、理性、科学性等方面 得到了改进,在多层次指标评价体系中具有重要的应用。通常,其评价过程分为以下步骤哺:(1确定因素集U=H。,“:,配,H。 (2确定评价集V=秽。,口:,”,秽。 (3确定隶属度函数,即根据评价指标的具体 性质选取合适的隶属度函数。(4进行单因素评价。确定各评价因素对评语的隶属度r.:,构建模糊综合评价矩阵R=h。×m。(5确定评价因素的权重集A=n。,o:,o。, ,口。(6得到综合评价结果县=AR。 2.2改进层次分析法层次分析法(AnalyticHierarchyProcess,AHP 是美国运筹学家萨蒂(T。L.Saaty在20世纪70年 代初提出来的,它可

9、以将一些难量化的定性问题,在严格数学运算的基础上进行量化,并将一些定量 与定性相混杂的复杂决策问题综合为统一整体后, 再进行综合分析评价阳。基本步骤如下n引:(1建 立评价指标体系的递阶层次结构模型;(2构造两 两成对比较的判断矩阵;(3计算每一层次相应因 素对上一层次的相对权重;(4逐层计算各层次中 的诸因素对总目标层的相对权重。层次分析法的整 个求解过程,符合人脑“分解一判断一综合”的思 维特征,因此容易被决策者接受,特别适宜于具有 分层结构评价指标体系,而且评价指标又难于定量 描述的决策问题。模糊综合评价的可靠性和准确性依赖于评价指标体系和相对权重的确定。评价指标体系是业内专家根据经验和

10、实际需要确定的,一般来说比较明确。而通过传统的层次分析法确定相对权重时引入了人 的主观判断,需要进行一致性检验,有时要通过多 次调整才能通过检验,这也在一定程度上破坏了综 合评价的准确性和客观性。因此,本文采用一种利 用最优传递矩阵改进的层次分析法直接求出权重,使判断矩阵自然满足一致性要求¨“。其具体方法如下:(1根据标度法构造判断矩阵C=(c。 (2作C的反对称矩阵C7=(e:。,其中c:=lgc“。(3求C的拟优矩阵C+=(C:。,其中n.,一,c:10咯,dd:y垒二皇。k一=l凡(4运用方根法计算C。的特征值,并作归一 化,即为所求权重集A。3教室光环境模糊综合评价模型3.1

11、综合评价指标体系根据室内工作场所照明CIES008/E.2001,建筑照明设计标准GB 500342004,建筑采光设 计标准GB 50033.2001以及上海市中小学教室专 用灯具及现场照明技术要求(2009年修订版中 的要求和指标¨2。15,建立中小学普通教室光环境评 价指标体系,如图1。目标层A表示中小学教室光环境综合评价的总 体目标,它是由准则层B和指标层C、D组成的多 层次多因素关系,主要通过照明质量、光源性能和阿 拉丁 照 明网资 料 频道16照明工程学报 2009年12月天然采光三个方面对其进行综合描述。图1中小学教室光环境综合评价指标体系3.2各指标参考标准值表13列

12、出了标准中对这些指标所规定的标准 值。表1照明质量指标(B1标准值表2光源性能指标(B2标准值光源性能指标 标准值镇流器功率因数 镇流器总谐波失真 镇流器灯电流波峰比镇流器寿命频闪 显色指数 光源色温 灯具悬挂高度 照明功率密度表3天然采光指标(B3标准值天然采光指标 标准值顶棚反射系数 墙面反射系数 地面反射系数 桌面反射系数 采光系数 天然光i临界照度 窗地面积比o.70一o.80O.50o.70O.20一o.400.25一o.45>2%>100lx>1:63.3评价集的确定检验部门检测和验收项目时,若各项指标全部 符合标准值,则认为该项目合格,而有一项不符时则认为其不合

13、格。这种评价结论不利于各部门之间相互取长补短,进一步做好后续工作。因此我们使用v=严重不合格,不合格,合格,良好,优秀作为教室光环境综合评价模型的评价集。选取满足 线性关系的半梯形和三角形作为评价集的模糊隶属 度函数,如图2。1O082O6jO402wl 2XstdX 3X 4J5Xb图2评价集的模糊隶属度函数其中横坐标代表该指标测量值,。为参考标准值(若标准值为给定范围,则为临界值,即合格与不合格之间的临界值,满足菇耐:半。为最佳期望值,石。为最差期望值。例如,教室平均照度(D1参考标准值并州=300Ix,根据建筑照明设计标准GB 50034-2004第4.1.1节对照度等级的划分,取更高一

14、级的照度 值为最佳期望值,即x。=500lx。当实际测量值为戈=350lx时,其隶属度为岸(A=0.000,0.000,0.750,0.250,0.000。对于标准值为给定范围的指 标来说,如墙面反射比(D10的标准范围为(0.5。0.7,则将给定范围中心值(0.6设为髫。,边界值(0.5或0.7设为菇耐。分大于算。和小于石。两种 情况确定该指标的隶属度。是睡,篇尝Z 等阿 拉丁 照 明网资 料 频道第20卷第4期 杨彪等:中小学教室光环境的模糊综合评价174层次分析法确定相对权重照明质量直接体现了中小学教室光环境的优劣, 是最重要、最直接的评价准则,因此占有最大的权 重。又由于中小学教室的使

15、用时间多为白天,因此 自然采光在光环境的评价中应占有较大的权重。而 光源性能指标基本上取决于生产厂家,更多地依赖于招标和采购环节,所以相比另外两个准则来说,权重较小。至于各指标权重的精确值,则需要进行 科学的定量计算才能够被确定下来。4.1Delphi法(专家法确定判断矩阵利用Delphi法和Saaty的19标度法91(表4对ABC三层进行权重分析。将5位本领域专家的评 分表作平均和取整处理,分别得到A,B1,B2和B3的判断矩阵。表4判断矩阵的标度值及其含义cd取值定义c.与Ci相比,同样重要 q与q相比,稍微重要 q与c,相比,明显重要C.与Ci相比,强烈重要 c。与Ci相比,极端重要重要

16、程度介于相邻两奇数之间c,比c;重要,且重要程度为n由于同一指标层C下的D指标距目标层A的距离较远,准确确定其权重意义不大,也比较困难,因此我们近似认为其权重相等,即D1和D2对C1, D3和D4对c2的权重都为0.500,D5.9对c6为 0.200,D10.13对C11的权重都为0.250。CA=CBl=CB2=CB3=11_21_51。-一 61256134113-3l l l 2431, 土。341, 丢414.2改进层次分析法确定相对权重利用最优传递矩阵改进的层次分析法可以将判断矩阵转化为天然满足一致性的拟优矩阵。现以目 标层A的判断矩阵为例进行计算:153(1判断矩阵:c=l1/5

17、11/3|;l l/331J(2反对称矩阵:o0699叭477C7=l一0.69900.477l;lo.477o.477oJ(3拟优矩阵:16m812-466c+=f0.16410.406f;lo.4062.4661J(4权重集A=2.466,0.405,1.000,归 一化后得A。=0.637,0.105,0.258。同理,可得A。=0.356,0.356,0.117, 0.117,0.054,AB2=l 0.343,0.188,0.084, 0.042,0.343,A口3=l0.143,0.385,0.087,0.385。图3列出了整个综合评价指标体系的权重。5综合评价实例以我国西南某城市

18、九年制学校某普通教室的光 环境改善项目为例,依照上海市中小学教室专用灯具及现场照明技术要求(2009修订版对其改善前后光环境进行布点测试,得到的各指标测量数 据分别见表5,表6。3161一352。 , 。 撇 311l一5¨l 川 川川I 3。 。 。一55l333l115阿 拉丁 照 明网资 料 频道18照明工程学报 2009年12月图3综合评价指标体系相对权重表5某教室光环境改善前测试数据表6某教室光环境改善后测试数据由于本文着重研究教室光环境改善效果的评价, 其措施主要为灯具的更换,所以检测时忽略天然采光等建筑因素。未检测的指标,都按照隶属度为(0.00,0.50,0.50,0

19、.00,0.00来计算,即“刚 好合格”。综合评价结果为:改善前B前=A尺=0.227,0.351,0.285,0.0352,01,根据最大隶属度原 则,结果为“不合格”;改善后曰后=AR=0.00882,0.262,0.410,0.0624,0.18,根据最大隶属 度原则,结果为“合格”。可以看出,模糊综合评价法的评价结果与测试报告的结论一致。 6结论(1本文根据相关标准,运用模糊综合评价法确定了以照明质量、光源性能和天然采光三个方面 为准则的教室光环境综合评价指标体系,并利用层 次分析法计算出了各指标间的相对权重,从而建立 了中小学教室光环境的模糊综合评价模型。与传统 评价不同,此模型可以

20、给出多个等级的模糊综合评 价结果,并将主观评价与客观测量很好地结合起来,克服了检验报告只能得出合格与否这一绝对结论的 缺点,为指导进一步完善学校卫生条件和教学环境的工作提供了参考依据。(2利用最优传递矩阵改进的层次分析法,可 以避免进行判断矩阵的一致性检验,排除了人为因 素对评价结果的影响,使其更具客观性和参考价值。(3将此方法实际应用于某教室改善前后光环 境效果对比的综合评价中,结果表明:一些具有模 糊性的参数得到了很好的处理,符合综合评价的基 本要求,最终得到的“合格”评价结果与检测报告 的结论一致。(4本方法亦可以应用于其他场合的光环境评 价,只需调整其结构和相对权重即可。参考文献1Ab

21、dou,OssamaA.Effects of luminous environment onworkerproductivityinbuildingspaces.如uraal ofArchitecturalEngineering,1997,3(3:1241312Anca D.Galasiu,JenniferA.Veitch.Occupant preferencesand satisfaction with theluminousenvironment andcontrolsystemsindaylitoffices:a literaturereview.Energy andBuildings,

22、2006,38(7:728742(下转第37页一一一一霎l 一 一 一 一 一 一 一 一一一一一一一一 一 一 一 一 一 一 一一一一一一一一阿 拉丁 照 明 网资 料 频道明 网 资 （上接第页） 料 陈壬贤，彭伦焕，严奕等农村地区教室光环境现状 调查研究照明工程学报，（）： ， 照 许树柏实用决策方法：层次分析法原理天津大 学出版社， 谢全敏，夏元友边坡治理多层次多目标优化决策方法 研究武汉理工大学学报，（）： ： 姚远教室照明设计的几个问题照明工程学报， 陈仲林，奚于成建筑光环境评价方法照明工程 拉 学报，（）： 丁 ，（）： 频 张耀根，张建平，张绍纲住宅光环境综合评价方法 照明工

23、程学报，（）： 道 【 阿 阮秀英，丁力行，段西超室内环境的多级模糊综合评 价方法制冷空调与电力机械，（）： 中国建筑科学研究院 建筑照明设计标 准中华人民共和国建设部， 中国建筑科学研究院 建筑采光设计标 【 ， ， 准中华人民共和国建设部， 上海市教育委员会，上海市卫生局上海市中小学教室 专用灯具及现场照明技术要求（年修订版）。 沪教委体号文件， ，： 更多资料请到阿拉丁照明网资料频道： 中小学教室光环境的模糊综合评价 作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期： 被引用次数： 杨彪， 马磊， 林燕丹， 孙耀杰， Yang Biao， Ma Lei， Lin Yandan 复旦大学信息学院光源与照明工程系,上海,200433 照明工程学报 CHINA ILLUMINATING ENGINEERING JOURNAL 2009，20(4 0次 Sun Yaojie 参考文献(15条 1.Abdou,Ossama A Effects of luminous environment on worker productivity in building spaces 1997(3 2.Anca D.Galasiu.Jennifer A.Veitch Occupant preferences and satisfaction with the luminous