基于F-AHP的室外公共空间疏散照明评价研究

郑 策，张明宇

(1.天津大学，天津 300072；2.天津商业大学，天津 300134；3.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)

引言

从国家统计局的统计数据可以看出，2019年国内城镇化率超过了百分之六十，居民户籍城镇化率接近百分之四十五。同时，“十四五”规划也提出要推进新型城市建设，提升城市智慧化水平，推行城市楼宇、公共空间、地下管网等的数字化管理和城市运行的一网统管。可见，城市化进程必然伴随各类文化、社会活动公共空间的持续发展，“安全”将成为首先需要考虑的设计问题，避免类似2010年柬埔寨金边踩踏事件、2014年上海外滩踩踏事故再度发生。通过调研发现，设计标准及设计思想的滞后仍会在未来很长时间内造成公共空间在疏散过程中的安全隐患，如2020年10月，阿富汗东部城市贾拉拉巴德的一处露天场地发生踩踏事件，造成至少15人死亡；2021年3月，坦桑尼亚前总统悼念活动上发生踩踏致45人死亡等。与此同时，学者们也对公共空间疏散问题开展着持续性的研究，现有研究中，关注设计策略的较多，如构建基于Pathfinder模型[1]、Dijkstra算法[2]的疏散策略等；面向仿真进行分析也较多，如基于影响人群踩踏若干因素进行仿真分析[3]；基于模糊算法构建仿真模型[4]等；也有重点关注疏散路径的，如构建了基于改进蚁群算法的疏散路径规划模型[5]；形成了基于疏散路线个人风险分布特征分析的疏散路线优化方法[6]等，针对疏散时间灵敏度[7]、社会行为驱动[8]等展开思考，同时，也开始关注照明设计的疏散功能，进行了面向安全疏散视角的街道自然采光分析[9]、面向可视性的应急疏散标识布局设计研究[10]等，体现了其中照明设计的必要性，许多研究成果是现代大型公建疏散照明分析、设计的依据和工具，但开展评价研究的较少。

目前，多属性、多指标的综合评价方法应已成为评价方法的主要研究方向，运筹学专家Saaty教授1970年提出[11]了层次分析法。近年来，设计领域内层次分析法在景观规划[12]、产品设计[13]等都有较多使用。此外，在智慧照明设计过程中也运用层次分析作为设计评价的手段[14]。相比之下，该评价方法在室外公共空间应急照明疏散功能评价设计中应用较少。因此，为了进一步解决室外公共空间的安全疏散问题，本文将基于F-AHP展开室外公共空间照明疏散功能评价研究，尝试将层次分析法和模糊综合评价法运用在应急照明设计评估中，采用定性和定量相结合的分析方法，提出室外公共空间应急照明疏散功能的多层次和多要素评价分析模型，以室外公共空间应急照明设计为例，利用模糊评价方法对具体的设计方案进行设计评价，以此得到客观、严谨的评价结果，为室外公共空间应急照明设计提供依据。

1 评价模型的构建与关键点分析

1.1 基本程序分析

室外公共空间类型丰富、层次多样，大到广场、公园、街道，小到街头绿地、社区活动场地等，其空间疏散能力需由政府部门、专业设计人员、社会力量和普通用户等多方参与和协同，涉及照明的环节需要诸多设计因素的影响，这就导致室外公共空间应急照明疏散功能的量化评价比较复杂。

层次分析法，可以解释为依据评估要素建立判断矩阵进行评价分析，可以帮助多特征值分析问题构建定性、定量相结合的决策分析方法。在研究路径上，首先公共空间应急照明疏散功能在设计过程中所涉及的因素进行分层，形成科学的评价指标；再结合设计调研数据，应用数学计算得出评价指标的权重值并进行排序；最后，运用模糊综合评价法得出综合分析数据，完成对公共空间应急照明疏散功能的量化评价。综上，基本分析步骤如图1所示。

图1 基本分析步骤Fig.1 Basic analysis steps

1.2 F-AHP评价层次模型

评价模型包括目标层、准则层和方案层。第一， 目标层。目标层是照明效果评价要达到的最终目的， 即合理的公共空间应急照明设计方案；第二，准则层。依据目标层进行准则层分析，可知面向室外公共空间疏散照明设计评价应基于空间本身的防灾避险功能分析开展，国内学者对公共空间防灾避险功能已有研究，如强调应急照明应明确辨识疏散路径、疏散方向、安全出口的位置、所处位置等[15，16]，表明这些可以被定义为目标层的主要影响因素。因此，在准则层内需要考虑具体的照明标准、用户感受(主要指用户对疏散照明设计防灾避险功能的主观感受)以及公共空间的疏散特性；第三，指标层。指标层内容为针对照明效果具体的评价指标，可以参考上述准则层完成实践中评价指标的定义。具体而言，“照明标准”包含照明清晰度、眩光适度、照度均匀度和光色感觉；“用户感受”用感性意象词汇描述，包含安全的、舒适的和明亮的，且主要用于表达用户的主观感受，需要在后续的仿真实验中依据实际情况选择合适的照明指标；“疏散特性”包含疏散路径明确的、障碍无干扰、标识清晰和人流可控。应该注意到，为了更好地研究疏散照明与用户感性意象的匹配，需要将照度均匀度和光色感觉纳入到照明指标中，指标层在具体元素的选取上应不能产生相关性，因此，“亮度”和“照度”指标、“亮度均匀度”与“照度均匀度”须进行选择。据此，确立照明方案评价的层次结构，如图2所示。

图2 照明方案评价的层次结构Fig.2 Hierarchy of lighting scheme evaluation

1.3 模糊综合评价

设计评价较为模糊[10]，通常不可避免地要反映出参与评价者较为强烈的主观性。那么，为进一步增强评价的科学性，学者扎德在20世纪60年代提出了模糊集合的概念，对如设计评价这一类问题进行量化分析，评价过程如下：

(1)选定若干用户用于设计评价的要素。可用a={b1，b2，b3}表示，分别为准则层中各项指标，确定评估要素子集为bi={bij} (i，j=1，2，3，…，n)。

(2)确定评价等级及其对应标准。评价等级可以用如下集合表示：F={F1，F2，F3，F4}，对应具体的分值可用集合{90，80，60，50}表示，转换为向量后H=(90，80，60，50)T。

(3)确定不同层次要素的权重向量。计算各评估要素的最终权重向量(用W表示)。

(4)构建方案层对各方案模糊综合评价矩阵。具体地，参与评价的用户将依次针对目标方案的方案层中的各个评价要素展开评价赋值。同时，考虑到设计要素赋值过程本身融入了用户过多的主观性，那么，这里只需统计用户打分的次数，构建具体设计要素与评语登记到对应关系即可，在此基础上去完成模糊综合评价矩阵的构建，用X表示；然后，根据单因素模糊综合评价矩阵，可计算得出设计方案的评价权重向量如式(1)：

P=W×X

(1)

式中，P—设计方案的评价权重向量；

W—评估要素的最终权重向量；

X—设计要素的模糊综合评价矩阵。

进行设计要素的综合评价模型，并得到百分制评价结果如式(2):

N=P×H

(2)

式中，N—百分制评价结果；

P—设计方案的评价权重向量；

H—评价等级分值的集合向量。

2 仿真设计实验——基于室外公共空间应急照明设计

根据上述层次分析法分析，本文将选取室外公共空间应急照明设计展开具体的实验，在实验中将依据方案层中的照明参数进行不同导向的方案设计，以此完成仿真及评价筛选。

2.1 实验准备

第一，参与仿真实验的被测试者设定。为提高仿真实验的准确性，需要参与实验者具备一定的专业理论水平，且应能在短时间内理解VR仿真场景内设计指标的效果呈现，因此本次被测试者为具有高级职称的专家用户，且均通过了色盲测验(石原氏法)，为VR仿真实验的正常开展提供基本保障。

第二，基于Twinmotion软件的VR仿真实验。室外公共空间照明设计方案依次通过Twinmotion软件转换为VR仿真场景，提供给被试者进行沉浸式、全方位的观看体验，每个方案呈现120 s，完毕后在额外的60 s内针对方案感受进行评价赋值(90，80，60，50)，然后休息120 s再进行下一方案体验，保证视觉感受的舒适性。

2.2 用户调研及场景构建

通过对上海、深圳、杭州等城市的室外人流密集公共空间应急照明现状进行了考察分析。具体而言，对上海外滩、深圳福田中心、杭州城市阳台等10余处室外人流密集公共空间的设计类型、照明配给等情况等进行调研，如图3所示，确认室外公共空间作为典型设计作为本次实验的照明仿真设计研究目标。

图3 调研室外人流密集公共空间Fig.3 Research outdoor crowded public space

第一，由15名设计学类、建筑学专业高校师生为主的用户参与评价，计算各层级评估要素的权重，并确认整体层次结构中各个方案指标的权重，统计由yahhp软件完成，各层级权重结果如图4所示，整体权重拟合后结果如图5所示。

图4 各层级要素权重结果Fig.4 Weight results of elements at each level

图5 各个方案指标的权重Fig.5 The weight of each scheme index

第二，经计算机辅助建模后的场景方案，图6为引导优先方案，图7为节能优先方案。

图6 引导优先方案Fig.6 Bootstrap priority scheme

图7 节能优先方案Fig.7 Energy conservation priority scheme

2.3 仿真实验方案确立与量化评价

在VR实验场景中，虚拟光源选用了白色LED为主，依据照明标准对灯光基本参数进行了设定，以此作为两个照明方案的设计基础，基于BIMmotion插件构建的Twinmotion的VR场景(图8)，用户可通过虚拟现实设备对场景进行感知与评价，本次实验选取的是HTC-VIVE虚拟设备，具体实验过程如图9所示。

图8 VR辅助照明场景(示意)Fig.8 VR auxiliary lighting scene (schematic)

图9 实验过程演示Fig.9 Experimental process demonstration

基于模糊评价理论的设计评价。将实验数据结合文中设计评价相关公式进行计算与分析，可量化分析用户对各个照明设计场景评价，因涉及较强的专业性，为保证评价结果的准确定，评价将基于5名具备高级职称的专家用户展开，只统计各分值的打分次数，以此构建方案对各模糊综合评价矩阵，X1表示准则层照明标准的方案层对方案的模糊综合评价矩阵；X2表示准则层“用户感受”的方案层对方案的模糊综合评价矩阵；X3表示准则层“公共空间疏散特性”的方案层对方案的模糊综合评价矩阵，形成最终评价结果如表1所示，可得知方案1更优。

表1 评价结果Table 1 The evaluation results

3 结论

以提高室外公共空间疏散效率为目的，文中通过提出基于层次分析法与VR仿真的评价实验方法，研究照明对疏散行为的影响。基于心理学和行为学分析，结合模糊综合评价法(F-AHP)对室外公共空间逃生行为及影响因素进行研究，并依据层次分析法完成了5名专家用户的VR仿真设计评价实验，形成评价指标并构建判断矩阵输出评价结果，完成照明疏散功能评价，具有一定的参考价值。

同时，本研究具体的实验是针对室外公共空间照明设计的初步研究，实验样本以室外公共空间的两种场景设计为依据进行。因此，实验在样本的选择上存在局限性，未来将开展更多空间的研究和实验，以进一步提高分析方法的适用性。