城市居住区照明检测新技术研究

党 睿 马 剑 刘 刚

(天津大学天津市建筑物理环境与生态技术重点实验室，天津300072)

1 绪论

随着社会的发展，人们的夜晚生活模式也发生了巨大改变，城市居民夜间活动时间正逐渐延长，活动范围也在扩展，而这一切都对居住区夜间光环境提出新的要求［1］。但我国尚缺乏专门指导和控制居住区照明设计、建设和评价的专项标准，因此导致目前在我国居住区照明设计和施工方面存在不能满足使用功能、能源浪费、存在安全隐患等诸多问题。所以制订一套符合我国城市居住区发展规律，满足实际需求的照明专项标准已成为迫在眉睫的工作。标准的制订首先需要对居住区夜间光环境进行科学检测，以正确评价光环境特征。

本文基于地理位置、气候、居民生活习惯、社会发展水平等众多因素对居住区光环境质量的影响，选取天津、长沙、郑州三市共计30个居住区为样本进行了实地调研［2］。通过对调研成果的总结分析，关于我国城市居住区光环境检测得到如下结论:

1.在指标参数方面:照度和亮度仍是居住区光环境检测的两项主要指标，同时照度适用范围更广，而亮度更侧重于在居住区机动车道应用［3］。

2.在技术方法方面:每人每次只能在某一个点进行一项指标的测定，检测效率较低;只能间断性逐点测量，无法实现数据的连续采集;需动用多名测量和记录人员，携带大量仪器，造成人力物力的浪费;由于人员在测量过程中为徒步手持仪器式检测，测量位置和测量角度等无法保持一致，造成检测不精确;记录人员在大量数据的记录过程中难免出现纰漏，同时完毕后还要人工进行计算机数据录入，工作量极大;夜间光线较暗，来往车辆对测试人员的人身安全造成威胁。

2 城市居住区照明检测新技术

2.1 技术目标

针对在调研中发现的问题，本文综合应用建筑学、城市规划、机械控制、自动化、系统通信、计算机软件等多学科知识，开发出一套“基于遥控车载平台的居住区夜间光环境检测硬件系统”。从而在根本上解决上述问题，达到以下技术目标:

1.精确快速测量照度和亮度等多个检测指标，提高检测效率;

2.能够在行进中进行连续无间断测量，保证数据的连续性;

3.实现软硬件高效整合，将车辆控制、目标测量、数据传输、记录与存储、参数分析全流程操作集成于一套系统中，只使用一名测试人员完成所有工作;

4.计算机智能化控制检测过程，减少人为干扰因素，提高测量数据精确性;

5.实现数据的实时传输和自动记录存储，避免因人为操作失误而产生的误差;

6.远距离遥控测量，避免来往车辆对人员造成的安全威胁。

2.2 技术内容

1.检测平台:采用遥控车作为检测平台，车体具有0～20km/h的行进速度和多角度方向调节功能，能够实现前进、后退、转向、加速、减速和定速巡航;使用大马力电动机驱动，载重2.5kg，在搭载所有机械设备、操控设备、传输设备和检测设备的情况下能够顺利启动和平稳运行，并具有一定爬坡能力;使用大容量铅酸蓄电池作为车辆动力，能以最大速度运行30分钟，而且没有噪音和尾气污染;具有避震功能，能够在相对崎岖的道路上平稳运行。

2.车载机械系统:为了检测某一高度和角度的相关光环境数据，在车辆中部设有一支三角升降架，其最大升起高度可达1.2m，在升降架顶端安装一座旋转云台，其可实现水平角180°和俯仰角180°自由旋转。二者均依靠伺服电机驱动，并能通过计算机进行远程操作。检测人员依靠计算机对安装于云台上的检测设备进行远程控制，在所需高度角度定位进而测量相关数据。

3.车体远程操控系统:使用车载前端摄像头采集行驶环境图像数据，并将视频图像通过车载无线通信模块传输到计算机，工作人员能够在计算机“车辆运行显示窗口”中看到传回的实时图像，然后根据当前的行驶环境和检测要求发出控制信号，检测车接收后将此信号指令传输到车载电机运动控制模块和转向伺服模块，从而实现检测车远程计算机操纵控制。其所传输的图像质量高、无延迟、最大无线传输距离可达800米，而且具有红外功能，完全适应夜间工作需求。此外对于检测车的操控方式有三种，即鼠标控制、键盘控制和外接手柄控制，使用者可依据不同检测条件和个人操作习惯自由选择，非常方便灵活。

4.照度检测系统:检测车安装有两部照度检测设备，一是位于车辆前端的水平照度计，用以采集近地面水平照度数据;二是安装于升降架旋转云台上的半柱面照度计，用以采集任一高度和角度的半柱面照度数据。这些数据能够通过车载通信模块传输到计算机，同时在“照度信息窗口”中显示出两组照度数据的实时变化曲线图和具体数值情况，进而对其进行数据锁定、显示暂停、画面缩放、定位、存储、打印等操作。

5.亮度检测系统:将经过标定的数码相机安装于升降架顶端的旋转云台上，相机能够实时捕捉当前的光环境图像信息，该图像经车载通信模块传输到计算机后，通过“光环境信息监测窗口”显示，检测人员根据回传视频情发出指令，对相机拍摄高度和角度进行调整，当发出“拍摄”命令后，相机会根据SM系统工作要求自动以预设的三档不同曝光量拍摄三张数码照片。最终将所拍摄的照片传回计算机数据库并录入SM系统进行分析，得到亮度、色度、眩光等光环境参数指标［4］。

编号说明编号说明1检测车5前端运行状况采集单元2升降机构5.1道路监控摄像机3旋转云台5.2前端水平照度计探头4图像采集单元6车载天线4.1相机7远程控制计算机单元4.2半柱面照度计探头8控制天线

2.3 系统构成

本系统由车载端(即检测车及车载设备)和控制端(即计算机)两部分构成，其中控制端通过无线通信技术对车载端进行操控，完成照明检测任务。(见图1)

图1 系统构成图

3 居住区夜间光环境检测系统综合应用

3.1 检测对象

选取天津大学新园村二期住宅小区作为实验样本，使用“基于车载平台的居住区夜间光环境检测系统”进行现场检测，以验证其实际使用效果，并分析实验结论以对其进行改进和完善。

该小区位于天津大学校内，总建筑面积13.4万平方米，居住面积11.6万平方米。其中包括4幢28层和2幢26层高层住宅，1幢9层多层住宅，1座地下车库(含设备机房)以及l幢小区公建。在交通规划上采用人车分流，将道路分为两级:居住小区级道路沿居住区外围布置，为机动车交通线路，且为单向通行;小区内部为宅前道路，供行人及非机动车使用。设有地上停车场及地下车库，并单独设置地下车库出入口。在小区中心集中组织景观，包括公共活动广场和水景、绿化等(见图2)。

由以上分析可知，天津大学新园村二期住宅小区整体建设标准较高，为近年来新建居住区代表。其中照明设施也较为完善，包括各类型功能照明和景观照明，光源和灯具种类丰富，照明方式多样，能够反应我国新建居住区照明特点。因此选取该小区作为检测对象具有典型性。

图2 天津大学新园村二期住宅小区

3.2 检测过程

以居住小区级道路检测为例，道路宽度为6.5米，沿机动车道一侧布置地上停车位，灯具布设方式为单侧布灯，灯杆间距为30米。

对于照度的检测，在道路纵向上采用连续测量方式，即检测车按预定线路行驶，在行驶过程中检测连续照度值。在道路横向上，按照我国《照明测量方法》(GB/T—5700—2008)规定，在道路边缘与道路中线处测量［5］。当检测完毕后可直接根据所测数据和照度曲线图得出连续水平照度、连续半柱面照度、平均照度及最小照度值，进而还可以计算出照度均匀度。对于亮度的检测，由于该道路为单向布灯，因此检测车在两点拍摄检测区域的数码照片，然后将照片录入SM光环境测试系统读取平均亮度和最小亮度值，进而计算出亮度均匀度和亮度纵向均匀度(见图3)。实际检测数据见表1。

3.3 结论分析

图3 居住小区级道路检测示意图

表1 居住小区级道路检测数据指标

表2 两种检测技术测得数据对比

为了证实“基于车载平台的居住区夜间光环境检测系统”检测效果，对本次检测数据与前期调研中使用传统方法所检测到的数据进行了对比分析，见表2。

通过表2可使用两种不同的检测技术方法所得到的参数值基本相同，说明“基于车载平台的居住区夜间光环境检测系统”检测精确度不逊于传统方法。另外在实验中发现相比于传统技术方法，本系统还具有以下优势:

1.在检测效率上，使用传统方法时，整个小区的检测时间为3.5小时，使用新方法为1.5小时，效率提高57%。

2.本次实验由一人完成，这是对人力成本的极大节省;

3.所有测得数据的记录、分析、整理均由系统自动完成，不仅节约人力提高效率，还能避免因人为疏忽造成的误差;

4.实验得到了连续参数指标值，这是传统逐点检测方法所不能够实现的;

5.在草地绿化等不便于人员直接进入的区域，该系统能够完成检测任务。

4 总结和展望

夜间光环境检测研究是一项非常有必要去进行深入探索的的课题，其研究成果具有极大的价值。本研究只是在照明检测新技术方面做了一些小小的尝试和探索，其中存在很多问题和漏洞，因此对该研究的后续工作计划在以下两方面着重开展:

1.提升车体性能，使具有更强的动力、更大的载重量、更长的续航时间和更坚实的车身结构。因为只有在车体水平提升之后才有可能将质量更大、结构更复杂、功能更完备的亮度计和工业相机等设备进行车载安装，才能加装功率更强的车载数据存储和传输设备，才能设置升起高度更大运行速度更快的升降机械结构，才能应对更加复杂和恶劣的检测环境。

2.由于整套检测系统的外壳加工、机械焊接、零件组装等工作均为作者及其团队成员独立制作完成，因此设备外观形式粗糙简陋，属于实验性科研产品，其外观形式还有待于提高。

［1］詹庆旋.建筑光环境.北京.清华大学出版社.1988

［2］马剑，姚鑫，刘刚等.城市居住区室外光环境现状调查研究，照明工程学报，第20卷第4期，2009

［3］崔辛云.居住区光环境检测方法研究.天津.天津大学硕士学位论文.2010

［4］沈天行，杜江涛.城市夜景照明的测试技术.上海.国际夜景照明研讨会.2001

［5］国际照明委员会.CIE136-2000，城区照明指南，2000