基于層次分析法的道路照明設計評價方法

引言

照明系統(tǒng)設計是道路照明的核心，理想的照明方案不僅要滿足行人行車安全舒適的需求，還要節(jié)能環(huán)保，其涉及的評價指標[1，2]繁多，這使得評價方案的建立非常困難。此外，由于周圍光環(huán)境的影響、車行的影響致使照明效果參數值的現場測試效率低、測量精度不高，這也對道路照明效果的評價造成了不便。目前，對道路照明系統(tǒng)設計的綜合評價方法的研究仍處于探索階段，如何便捷準確地獲得道路照明設計指標值，進而對參數復雜多樣的道路照明效果進行綜合評價，成為道路照明設計方案選擇的關鍵問題。

1 照明道路設計評價模型

層次分析法是一種多目標、多準則的決策分析方法，它將定量分析與定性分析相結合，具有將復雜問題結構化、條理清晰、統(tǒng)籌兼顧等優(yōu)點，是項目選擇、系統(tǒng)評價及資源配置等問題的一種有效解決方法[3～7]。本文基于層次分析法理論建立道路照明方案評價模型，如圖1所示。模型包含有四部分:1)目標層:目標層是照明效果評價要達到的最終目的，即選擇更合理的照明方案;2)準則層:準則層主要是目標層的影響因素，包括照明質量與能耗2個方面;3)指標層:該層主要是照明效果評價指標，由于該層元素原則上不能相關，而亮度與照度指標及亮度均勻度與照度均勻度之間具有相關性，同等的兩者只能取其一;4)方案層:該層主要是道路照明不同的方案設計。依據以上分析建立照明方案評價的層次結構。

2 道路照明設計評價方法

2.1照明方案評價影響因素判斷矩陣的確定

建立照明方案評價的遞階層次結構之后，通過將因素之間對于其上一層次因素的相對重要性進行兩兩比較，并按SattyTL提出的1～9標度[8]進行賦值建立判斷矩陣，其含義如表1。如準則層B相對于目標層A建立判斷矩陣A=[aij]n×n，其中，aij為層次B第i個因素與第j個因素相比對于其上一層次A的相對重要性比例標度。

2.2層次單排序與一致性檢驗

由判斷矩陣A=[aij]n×n計算準則層B中的因素相對于目標層A的優(yōu)先權重，然后由這些權重構成表示B層因素排序優(yōu)先程度的單排序向量。層次單排序向量的計算可以歸結為求解矩陣A最大特征值所對應的特征向量W。本文采用判斷矩陣首行求方根并歸一化方法，如式(1)、式(2)，進而可由式(1)、式(2)、式(3)式求得矩陣A最大特征值。

同理可以通過判斷矩陣B求得指標層次C的單排序向量與矩陣B的最大特征值。

由于兩兩比較確定的判斷矩陣存在主觀差異，存在判斷矩陣自相矛盾的風險，需對其進行一致性檢驗。根據CI=(λmax-n)/(n-1)，CR=CI/RI計算判斷矩陣的一致性指標CI、隨機一致性指標CR(RI為平均隨機一致性指標，可查表獲得)，對層次單排序一致性檢驗。若CR=0，判斷矩陣有完全隨機一致性;若CR0.1，判斷矩陣有滿意隨機一致性;若CR>0.1，判斷矩陣需進行調整。

2.3層次總排序與此與一致性檢驗

從最高層到最低層，逐層計算同一層次所有元素相對最高層的重要性權值，并進行一致性檢驗，得出最低層各元素對總目標的相對重要性權值。設準則層B有m個元素，層次B相對于目標層A的單排序向量AB=[A1，A2，…Am]，設指標層C包含n個元素，它們對于層次B的層次單排序BC=[C1，C2，…Cn]，則層次C相對于層次A的總排序向量為：

RI對F層的層次總排序進行一致性檢驗，依此類推。

2.4照明方案評價指標值的獲得

照明方案評價指標分為兩部分，能耗指標與照明質量指標。能耗指標LPD可依據燈具系統(tǒng)節(jié)能認證技術規(guī)范CQC3105—2009中的相應公式求得。而照明質量評價指標值是以路燈測試與道路照明仿真相結合的方法確定。

2.5照明方案判定評價

對照明方案Dk的評價指標cik進行歸一化處理，如式(5)

式中i為指標編號，k為照明方案編號，qik為指標值歸一化后的計算值。cimax為所有方案中第i個指標的最大值。

然后根據式(6)計算出照明方案Dk的期望值Ei

其中，Ai表示第i個指標相對于目標層的排序向量值期望值Ei最大的照明方案便是最佳的照明設計方案。

3 實驗

3.12種照明方案

2種照明方案都選用相同的布燈方式，路況與布燈狀況如表2，而選用的燈具分別為新型150W的LED路燈和廣為應用的250W高壓鈉燈。

3.2判斷矩陣確定

根據圖1所示照明方案評價的層次結構，由多位照明領域的專家依據1～9標度法，得出照明方案評價層次結構中準則層相對目標層的判斷矩陣A～Bj和指標層相對于準則層B1的判斷矩陣B1～Cj，分別如表3和表4所示。