办公空间健康光环境的控制模型

引言

室内光环境对于使用者行为活动、心理及情绪会产生影响，如针对白领女性的研究表明高色温高照度的光环境有利于提高工作效率，而低色温的光照环境更符合情感需求[1]。办公空间内使用者的行为活动具有固定性和长期性，因此研究办公空间健康光环境显得尤为重要。在健康的光环境下，使用者的心理和情绪能够与使用者的行为活动需求相适应。天然光照明对于办公空间使用者的健康至关重要，但是天然光照明对室内光环境的影响不仅体现在室内照度上，也引起了室内光色的变化。为了控制室内光环境的照度和光色，必须对室内人工照明进行调控，使天然光照明和人工照明联动。目前，LED技术的发展使得LED的光通量和色温易于调控，实现了对光环境精细化的控制。

近年来，大量的学者针对光环境对使用者的影响进行研究。Manav等[2]分别对2 700 K、4 000 K及两个色温混合的场景下办公室内工作者对空间及光环境评价进行研究，试验表明4 000 K色温与2 700 K色温相比，空间的舒适性和感知宽敞性更好。Viola等[3]在办公室内比较17 000 K和4 000 K色温下工作者在情绪、睡眠质量、脑力活动以及眼疲劳等方面的自我评估，表明在高色温下工作者主观警觉度提高。Wei等[4]在灯具色温分别为3 500 K和5 000 K下对办公室内的人员进行观察试验，试验表明，色温越高，感知的空间亮度越高，同时视觉舒适度和自我报告的工作效率下降。这个试验是一周内受试者都处于同一个色温下进行的，并且灯具色温为5 000 K同时工作面引入天然光的时候，光色感觉过于偏冷，说明办公空间内的光环境不宜长时间保持高色温的状态。在相同的色温下，不同照度同样对人的心理和情绪的状态产生影响。Smolders团队[5，6]研究光源色温为4 000 K时，人眼处照度分别为200 lx、1 000 lx下的人体心率、人的工作效率、人的疲惫感。他们研究发现，明亮的光环境对人的警觉性和精力有即时的正面的影响。林怡等[7]总结办公照明光生物效应对办公人员警觉性、睡眠以及情绪等产生影响，进而影响办公人员的健康水平和工作效率。以上研究均为静态的光环境。另外也有学者研究动态光环境下人的行为表现，同时也有不针对特定空间中色温、照度对人的影响研究。罗明等[8]通过对比照度相同，色温随时间变化的照明场景与平均色温相同的静态照明场景下被试者的任务表现，结果表明高色温、高频率的动态光环境更容易让人警觉，任务反应速度更快。在其他生理方面，有研究发现[9-11]，不同色温光源对抑制褪黑色素分泌有不同的影响，同时对受试者的睡眠状况、行为表现和主观清醒程度等产生影响。同时，大量的研究表明眼睛处的垂直照度对人昼夜节律和睡眠质量有影响[12]，Vries等[13]的研究表明办公室的墙照度也会对受试者的主观清醒产生影响。

综上所述，光环境的色温和照度对使用者的工作效率，情绪和清醒程度产生了影响。因此，办公空间健康光环境需要同时考虑光环境的照度和色温，而同时办公空间的光环境受天然光和人工照明的共同影响，因此办公空间健康光环境需要控制天然采光和人工照明，从而使光环境满足办公空间使用者对照度和色温的需求。

本文提出一种控制室内光环境的照度及色温的控制模型，通过采用多目标差分进化算法，使得天然光照明和人工照明的混合照度和混合视色温满足办公空间健康照明的需求；并且对比了室外天然光在不同色温下，与室内LED照明联动，均可满足室内给定照度和给定色温的计算结果，从而验证了该模型在不同条件下都能输出合适的结果。

1 健康光环境的控制模型

1.1 混合光源

注意到当室内照明只有单一光源的时候，光源色温与人眼感知的色温没有差距，但是当室内空间存在天然光时，人眼感知光环境的色温和灯具的色温之间是有差距的。引入的天然光越多，这种情况越明显。本文提出“混合视色温”概念，即在任意时刻被照面由天然光和人工照明相叠加混合形成的光是由一个假想的“混合光源”发出的，该混合光源的色温，即为人眼感知到的被照面接收到光的颜色温度，称为混合视色温。混合视色温方便描述环境的光色并对其进行控制，从而，光环境控制由单一的照度评价变化到照度和混合视色温的双重评价。

为描述光环境中混合视色温的分布，本文定义混合视色温的相关计算如下。计算面上混合视色温的平均值的计算如式(1)所示。

在罗扎诺夫看来，在陀思妥耶夫斯基之后，对于心理和思想方面的革命者来说，并未留下“新的道路”。 也就是说，他并未阐明新的真理。 如果“神言”留给我们的不是新的道路，也不是新的真理，那么，它留下了什么呢？罗扎诺夫回答：

三是要有好装备。首先当然是车辆。越野车是首选，没有越野车也得质量相对过硬一些。因为所到之处，有些是尚未开放的景区或景点，道路设施不太完善，逢山爬山，遇水涉水。不能后退，只有前进。另外，“零件”也不可忽视。想爬山最好准备登山杖，想去沙漠最好备好沙地鞋，还有什么水具、地图、指南针、照明灯、太阳眼镜、雨伞、防晒衣、防晒霜、药品等等，总之宁可备而不用，不可用而无备。

(1)

其中，Tm,i 是被照面上第i个(i∈[1,N],i是整数)点上的混合色温。混合视色温均匀度，其计算方法如公式(2)所示。

(2)

其中min(Tm)为混合视色温的最小值；avg(Tm)为混合视色温算术平均值。

1.2 混合视色温的计算

n种不同颜色的光混合时，结合CIE1931色品坐标和格拉斯曼颜色定律可得[14]

(3)

其中Xm,Ym,Zm是混合光对应的三刺激值,Xk,Yk,Zk是第k个颜色光对应的三刺激值。对于所有颜色光，其三刺激和色品坐标的对应关系如下：

(4)

其中(x,y)是颜色光的色品坐标。结合式(3)、式(4)可知混合光的色品坐标计算如下：

(5)

其中(xm,ym)是混合光对应的色坐标，(xk,yk)是第k个颜色光色温对应的色坐标。Y既是颜色光的三刺激值,同时也等于颜色光的亮度L,即Y=L。由式(5)可知，当n种颜色光的色品坐标确定之后，混合光的色品坐标和n种颜色光的亮度有关。混合视色温是对被照面的描述，与被照面相关的照明指标是照度。理想漫反射面的亮度L和漫反射面的照度之间的关系如下：

(6)

则式(5)可以写为

(7)

其中Ek是每一个颜色光在被照面上形成的照度。混合白光相关色温的计算公式如下[14]：

(8)

其中Tm是混合光源的色温，R是多项式的系数，其具体数值见文献[15]。A是等温斜率的倒数，其表示如式(9)所示。

(9)

可见，已知n种光源的色度坐标及其在被照面上产生的照度，就可以计算混合白光的相关色温。因为这是被照面上的色温，所以光环境的混合色温的计算可由式(8)、式(9)计算得出。

（1）国忌日分，有无乐社会。恃田乐、乔谢神、乔做亲、乔迎酒、乔教学、乔捉蛇。（南宋·西湖老人《西湖老人繁胜录》）

若已知混合光源在计算点的照度为Em，该照度由两种光源A和B混合所得，其中光源A是天然光，B是室内灯具，光源A和B的色温色坐标分别为(xA,yA)，(xB,yB)，当给定混合光源的色坐标xm后，可以计算出光源A和B在计算点上的分别产生的照度EA和EB，计算过程如式(10)所示。

(10)

若测得此时室外天然光照度Eout，则可得基准点上的采光系数

产业扶贫是解决“一方水土养活不了一方人”的重要措施，是让搬迁移民“稳得住、能致富”的突破口。惠水县以金融助推产业，以产业带动就业，通过阶梯利率浮动及授信额度调整措施，鼓励地方优质企业吸纳搬迁移民就业，通过联结企业与搬迁移民利益，实现金融扶持产业的同时带动搬迁移民就业，由“输血”变为“造血”，有效解决搬迁移民增收脱贫问题。

1.3 模型构建

1)健康光环境控制模型。本文对室内光环境的控制主要评价4个指标，分别是照度、照度均匀度、混合视色温、混合视色温均匀度。办公光环境健康控制模型可以按如下描述。

目标函数需满足以下条件

(11)

其中E为计算面照度；Eg为目标照度；Tm为计算面混合视色温；Tg为目标混合视色温；U0为计算面照度均匀度；UT为计算面混合视色温均匀度；Φs为第s盏灯具的标准化光通，即把灯具光通量标准化为0～100%；Ts为第s盏灯具的色温，色温变化间隔取100 K；N为灯具的数量。

本文采用的评价要求为，计算网格所有照度计算点的平均照度在给定照度Eg内，照度均匀度大于0.6，平均色温在给定色温Tg内，混合视色温均匀度UT大于0.9。

2)控制模型求解方法。综上可知，该问题为在可行域内求多解的多目标优化问题。进化计算是一种成熟的具有高鲁棒性和广泛适用性的全局优化方法，具有自组织、自适应、自学习的特性，能够不受问题性质的限制，有效地处理传统优化算法难以解决的复杂问题。除了上述优点以外，进化算法还经常被用到多目标问题的优化求解中来，一般称这类进化算法为进化多目标优化算法(MOEAs)。所以，本文采用差分进化算法(DE)求解满足目标函数的Φs、Ts取值，差分进化算法是进化算法中的一种。算法的主要流程如下：

加强项目监管实现多方位。全年制定出台东北四省区节水增粮行动、农村饮水安全等管理制度21项。对23个省份的饮水安全和25个省份的小农水重点县进行了稽察和督促整改，通过“飞行”检查、专项督导、信息化跟踪、约谈通报，以及强化农村水利项目稽察、督促整改等措施，进一步强化重点项目和关键环节的有效监管。强化绩效考核，不断完善小农水重点县、饮水安全和灌区改造等项目绩效考核办法，并兑现奖惩，有力促进了地方资金落实和项目规范建设。

Step1：设定DE的控制参数，包括比例因子F、交叉率Cr、种群个数NP、进化代数G和解向量维数D。

坡度空间数据由DEM数据在ArcGIS 9.3中，通过Slope功能生成。曼宁系数空间数据利用ArcGIS 9.3将查阅文献获得的曼宁系数属性数据（表1）与土地覆盖类型空间数据相关联生成。土壤饱和导水率与土壤储水能力，通过结合土壤类型组成及其土壤剖面等属性数据，借助于土壤水分运动参数模型RETC推导获得，空间数据在ArcGIS 9.3下通过建立土壤水分运动参数与土壤类型空间数据之间的关联生成。

Step2：随机产生初始种群，其中并且种群个体内的变量都在给定的范围内，其中

Step3：通过当前代数中的每一个个体产生一个新个体。

近日，中国恩菲工程技术有限公司与云南驰宏锌锗股份有限公司成功签订会泽矿业分公司膏体制备输送厂膏体充填自动控制系统升级改造项目总承包合同。

Step3.1：变异。在这一步中，产生一个合成向量该合成向量的计算方法为

Step3.2：交叉。这一步产生实验向量该交叉步骤由概率产生，具体如下：if(randi,j[0,1]≤Cror j=jrand)then uj,i,G=vj,i,G，otherwise，uj,i,G=xj,i,G。

Setp3.3：选择表现好的个体进入下一代种群中

Step4：满足条件跳出循环，不满足则跳至Setp3。

输出进化中表现最优的个体和对应的目标函数优化结果。

在本文研究问题中，解向量维数D为2N，在中前N各变量对应Φs,后N各变量对应Ts的取值。

其次，政府要加强农村养老事业的职能建设，在农业养老保险具体制度建设、农村产品及公共服务、财政税费等方面充分发挥公共职能。

2.2.3 我国农村医疗救助资金总量不足，不能完全解决受助群众的困难。由于我国农村地区需要救助的人群比较多，而我国农村医疗救助资金总量不足，所以往往只有患大病的困难群众才能享受医疗救助，其他困难群众则得不到救助，受助群体范围较小。而且救助资金最高限额较低，对患大病的农民家庭来说是杯水车薪。

3)控制策略。当室外照度小于一个定值Eout时，此时室内天然光极小，室内照度全部由灯具提供，全部灯具的色温设为给定平均色温为Tg，此时室内混合视色温与灯具色温相等。本文设Eout为5 lx，此时室内灯具输出固定为夜晚模式。

当室内有天然光存在时，应调整百叶的角度，限制过多的天然光进入室内，当天然光的色温与给定色温的差值在一个范围内，此时灯具的混合色温输出直接设为给定色温，能够满足色温均匀度。该范围大小与色温均匀度的大小关系如下：

已知室外色温为Tout，给定平均色温为Tg，室内计算面上混合视色温矩阵为Tm，Ti是Tm的元素，代表计算面上某一点的混合视色温，混合视色温均匀度为UT，则当室内所有灯具的色温都等于给定平均色温Tg，根据色温叠加可知，叠加后的色温在叠加的两个色温范围之间。则有Tout<Ti<Tg或Tg<Ti<Tout同时易知min(Ti)<avg(Ti)<max(Ti)。

当Tg<Tout时，有Tg<min(Ti)<avg(Ti)<max(Ti)<Tout，则有

(12)

同理可得，当Tout<Tg时有

四氢呋喃用量和提取温度对叶黄素提取量影响的响应面和等高线见图5。如图5所示，固定KOH甲醇溶液质量浓度为0.1g/mL，当提取温度一定时，稻谷中叶黄素提取量随四氢呋喃用量的增加而增加，到达峰值后，叶黄素提取量缓慢下降；当四氢呋喃用量不变时，提取量随温度的上升而增加，在温度到达50℃后，叶黄素提取量随温度上升而逐渐下降。

(13)

由式(12)、式(13)可得

(14)

可知在给定色温均匀度UT，室外色温Tout与给定平均色温为Tg之间满足式(14)的关系时，所有灯具的色温全部设为Tg可保证室内计算网格上色温均匀度达到给定值。

因为天然光照度随着与窗户的距离增大而减小，此时百叶角度应使得距离窗户最近的计算点上天然光照度接近给定平均照度Eg，这样能够最大程度地利用天然光，即距离窗户最近的计算点上的采光系数应为Eg/Eout。通过采光系数函数，可以查到该采光系数对应的百叶角度。

当天然光的色温与给定色温的差值大于该阈值范围内，分为两种情况，一是天然光的色温小于给定色温，二是天然光的色温大于给定色温。以离窗户最近的计算点计算，当天然光色温小于给定色温时，假设人工照度全部由灯具处于最高色温(TH)的情况下提供，在达到目标照度的前提下，由式(10)计算得此时天然光与高色温灯具在计算点上的照度,分别为Ed、Eh。已知计算点上天然光照度Ed和室外天然光照度Eout，可计算得该计算点上的采光系数的最大值。同理，当天然光色温大于给定色温时，假设室内照度全部由灯具处于最低色温(TL)的情况下提供，同样可以计算得该计算点上采光系数的最大值。由采光系数最大值可通过采光系数与百叶角度的关系查得对应的百叶角度最大值，综上可知百叶角度是关于目标照度Eg、目标色温Tg、天然光色温Tout和灯具的最高色温TH或最低色温TL的函数。

铁路行业十分关心的一些问题，如轮轨噪声、钢轨粗糙度尤其是波浪形磨耗的萌生和发展以及车轮多边形的形成等，从根本上说是由于轮轨的高频相互动力作用产生的。在频(率)域中处理轮轨相互动力作用时，通常需要计算车轮在轮轨接触点处的动柔度。在过去，多数研究者在计算车轮的动柔度时不考虑车轮的旋转，甚至把车轮当成刚体，只有少数人在做了一定的简化后考虑了车轮的旋转。

最后通过优化算法，对灯具的输出进行优化，优化结果由平均照度，照度均匀度，平均色温及色温均匀度四个指标评价，达到评价要求结束优化。

图1 办公空间健康光环境控制流程图
Fig.1 The control flow chart of healthy light environment in office space

2 实验与分析

2.1 样例空间介绍

本文将办公空间简化为一个长9 m、宽5 m、高3 m的独立空间模型。窗口面积为(5×3)m2，窗口朝南，单侧采光。灯具布置满足在没有天然光的情况下，人工照明能够提供满足《建筑照明设计标准》(GB 50034—2013)中办公室内工作面的照度，及照度均匀度的要求，即夜晚模式下能满足设计标准。根据这一标准要求，进行室内的灯具布置。灯具安装高度为3 m，位置如图2所示。在距离窗口0.5 m处开始，与窗口距离每增加0.5 m，设一个照度计算点，与窗户平行方向，每隔0.5 m设一个照度计算点，一共18×10个计算点，照度计算点网格高度为0.75 m。

图2 灯具布置位置图
Fig.2 Luminaire layout plan

2.2 仿真结果

假设此时室外没有天然光照明，则室内照明全部由人工照明提供。当给定照度为500 lx，给定色温为4 000 K，此时将每个灯具的色温设为4 000 K，则能保证室内的光色色温为4 000 K。通过差分进化算法，可得每个灯具的输出光通量，如表2中所示。此时室内的平均照度为500 lx，照度均匀度为0.76，满足《建筑照明设计标准》(GB 50034—2013)所规定的平均照度500 ×(1±10%)lx的要求和照度均匀度不小于0.6的要求，此时工作面照度值如图3所示。

受植区的骨质和骨量是影响种植体稳定性的重要因素，并且影响整个骨结合的过程。通过术前的CT影像，可用骨密度(HU)值评估受植区骨组织的密度，为种植体植入提供可靠的手术方案[12] 。CBCT具有放射剂量低、扫描时间快等特点，近年来在临床上应用广泛。有研究显示，CBCT可用于术前HU值的评估，还能评价术后骨结合情况[13-15] 。

图3 全人工光照明模式照度分布图
Fig.3 Illumination distribution diagraminfull artificial light illumination mode

由图3可以看出，办公间工作面上照度分布为左低右高，对比表2中灯具的光通输出可知，3、4、5、8、9、13、14、15号灯具的输出较大，接近100%光通量输出，其对应的位置下方工作面的照度较高，接近600 lx，而左边靠近窗口处工作面照度较低，约为420 lx，因为其上方灯具的光通输出较低。

接下来对比不同情况下优化算法的计算结果。在窗口处室外天然光照度(3 000 lx)，室内工作面目标照度(500 lx)和目标色温(5 000 K)不变的情况下，室外天然光色温不同时(分别为8 000 K和3 000 K)，观察此时的优化计算结果。

表1中根据天然光色温和室内灯具色温的极值计算得基准点的采光系数边界值和天然光照度的边界值。

表1 不同室外色温对应的采光系数
Table 1 Daylight factor for different outdoor color temperature

室外色温/K8 0003 000天然光照度边界值/lx315150基准点采光系数边界值10.5%5.0%

同时灯具的计算输出结果如表2所示。其中序号1和序号11的灯具输出相同，其他以此类推。当室外色温高于目标色温时，靠近窗口处的序号1、6、11灯具的色温比目标色温要低，从而使得混合视色温接近目标色温。当室外色温低于目标色温时，靠近窗口处的序号1、6、11灯具的色温比目标色温要高，从而使得混合视色温接近目标色温。同时可以看到灯具对应的光通比例较大，所以序号1、6、11灯具下的混合照度会比较高，具体分布见图4。从总的光通量看，全人工光照明时为达到目标照度，所需总光通量为与室外色温为3 000 K时相似，室外色温为8 000 K时总光通量低于前两者，这是因为此时采光的增加，使得人工灯具光通量减少。由此可见，在差分进化算法下，达到目标照度和目标色温的要求下，能够有效减少灯具的输出。

表2 不同室外色温的光通比例和色温
Table 2 Luminous flux ration and color temperature for different outdoor color temperature

灯具全人工光照明室外色温为8 000 K时室外色温为3 000 K时光通比例色温/K光通比例色温/K光通比例色温/K1和1175% 4 00076%4 70090%6 4002和1259%4 00058%4 10089%4 9003和1397%4 00085%4 10087%5 9004和14100%4 00070%4 40088%4 7005和15100%4 00086%4 40090%5 400681%4 00090%4 50087%6 300779%4 00084%4 50088%6 500896%4 00076%3 80074%4 300998%4 00048%4 10066%5 6001070%4 00087%5 50084%4 500总和855%—760%—843%—

图4为不同室外色温情况下，优化算法计算所得室内天然光照明和人工照明混合的照度和混合视色温分布结果。可以看到在两种情况下，混合照度呈斜坡状，从窗口到进深最大处，混合照度由高到低变化，混合色温也有类似的分布。当室外色温为8 000 K时，靠近窗口处的混合视色温较高，约为5 500 K比室外色温低，接近目标色温。当室外色温为3 000 K时，接近窗口处的色温约为5 200 K，接近目标色温。这个色温分布符合优化算法的预期效果，即使室内混合视色温接近目标色温。

图4 改变室外天然光色温的计算结果
Fig.4 The illuminance and blend apparent color temperature in differentoutdoorcolortemperature

在不同的室外天然光色温下，差分进化算法对目标函数的具体优化结果见表3。从表3中可以看到，不同的室外天然光色温下，差分进化算法中各目标函数都达到了式(11)的要求。这证明差分进化算法在照度和混合视色温的优化中是可行的。

经与企业合作协商，逐步建立校企合作专业建设指导委员会，聘请企业技术人员为学院电气类专业建设指导委员会委员，共同制定测控专业培养方案、课程体系、培养过程及人才培养质量标准等[2]。

表3 不同室外色温下各评价指标计算结果
Table 3 Evaluating indicators in different outdoor color temperature

评价指标全人工照明8 000 K3 000 K平均照度/lx500.0542.8547.7照度均匀度0.760.840.88平均视色温/K4 00048115 023视色温均匀度1.000.910.93

3 结束语

动态变化的天然光色温与天然光强度影响着室内光环境的混合照度及在工作面的混合色温。为更好地描述由于天然光色温与灯具色温不同而导致室内工作面上视觉颜色不同的现象，本文提出了混合视色温的概念及混合视色温的计算方法。利用昼光照度模型及人工照明模型，可以计算出室内工作面上计算点的混合照度和混合视色温。本文提出照明控制策略，给出不同情况下的控制方式，并将该控制策略应用于一个长9 m、宽5 m、高3 m的独立空间模型。效果分析表明，该控制策略使室内的光环境满足平均照度，照度均匀度的要求，同时平均视色温和混合色温均匀度等指标上也有较好的表现。

针对室内光环境在引入天然光后，与人工照明混合后产生的混合照度和混合视色温可能存在不均匀的问题，本文提出了相应的控制方法。但是光环境中色温的均匀性最低要求是多少，以及色温的不均匀在多大程度上影响光环境中使用者的视觉舒适和心理反应，目前尚未有相关的研究。本文为这方面的研究给出了控制环境变量的方法，相信经过后续的深入研究，该控制方法可以有进一步的提高。

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