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城市夜景照明灯光污染智能控制技术研究

发表时间：2020/7/3 来源：《基层建设》2020年第6期作者：刘宏

[导读] 摘要：近年来人们生活水平的提高，对居住环境的要求也在提高。

        天津市滨海新区汉沽街道整修办公室天津市滨海新区汉沽 300480
        摘要：近年来人们生活水平的提高，对居住环境的要求也在提高。城市夜景照明成为丰富和美化人们生活的一部分。与此同时，人们也对城市夜景的观赏性有了进一步的需求。在城市照明迅速发展中也出现了一系列问题，如整体建筑景观照明效果过于明亮，造成单一，缺少层次感，照明过分夸张等。如果在最初设计时便考虑到照明效果，在实施过程中注重生态性，就可以避免后续所产生的不良后果，于此设计出符合城市特色，可持续应用的夜景照明作品。本文就城市夜景照明灯光污染智能控制技术状况展开探讨。
        关键词：城市；夜景；照明；规划；设计
        引言
        城市夜景照明是一种借助灯光来营造城市夜景和夜间形象的照明技术，城市的夜景照明的有效展开，能够让一所城市具备更好的精神面貌，并且有助于城市个性化色彩的彰显。城市的夜景照明是帮助人们从另一个视角来认识与感受一座城市的风貌，领略一座城市的光彩的方法，这也会让人们以一种不一样的方式来认识一座城市。城市夜景照明设计到一些具体的设计方案、设计理念，并且可以有一些个性化设计和思路的表达。在整体的城市夜景照明的设计中，要结合一座城市的风格有效展开，这样才更加有助于城市特色的彰显。
        1城市夜景照明的原则与内容
        夜景照明相较于白天景观建设从某种意义而言是实现景观环境在夜晚的再现，丰富和美化夜晚的空间设计。随着城市的整体规划与合理安排，夜景照明在规划设计中也要遵循一定的原则与规范，一方面是要创造出夜晚绚丽丰富的灯光效果，另一方面还要规范城市灯光设施的使用，减少或消除灯光所带来的光污染。在夜景照明设计中要具有以下原则:（一）优化环境原则。城市夜景照明是运用不同表现形式的灯光以及绚丽夺目的各种色彩相结合，使城市景观在夜晚中突显出来，从而丰富夜晚景观环境，起到美化和装饰环境的作用。（二）调节性原则。针对不同空间形式的夜景照明设计应对光照的强度以及时间差别进行调整，进而营造出与使用时间相吻合的照明空间，同时对人们活动起到适当的干预与协调，而且对于夜晚社会治安安全性的提高起到一定的作用。（三）人性化原则。夜景照明主要服务对象为人，因此在照明中的体现人性化是重中之重。在夜景设计表现中，要重点分析城市居民的行为方式，并且考虑不同城市的地域性特点，研究人们的交流方式的差异性，通过设计为人们提供舒适、自然又富有趣味的环境场所。这样才能使夜景照明合理化、人性化。（四）可持续发展性原则。夜景规划不仅要求美化夜间环境、符合地域性特征，也要求与时俱进，与城市的发展相统一。因此，适应城市发展或各种空间形态、功能的演变，实现夜晚灯光的可持续性利用，避免污染，达到节约能源与绿色照明是城市夜景照明的重要原则。
        2城市夜景照明的规范设计方法
        夜景照明设计作为一门建筑电气设计领域新兴的技术，有其自身的规律和特点。在规划设计时，应以本城市或地区的建设和发展规划为依据，在认真调研分析该城市或地区的自然和人文景观的构景元素的历史和文化状况及景观的艺术特征的基础上，按夜景照明的规律，对本城市或地区的夜景照明建设作出的规划。细部设计时要紧密结合被照明物的功能和外部条件，采用灵活多变的手法。夜景照明的方式和方法主要有以下几种：（1）泛光照明，通常指利用投光灯照射一个具体的目标或者情景，让其照度明显区分周围物体及环境；（2）轮廓照明，利用灯光直观勾画出整个建筑体或建筑物的外部轮廓，让建筑体的外形特点和结构特征清晰明朗；（3）内透光照明，采取室内光线向外透彻的照明方法，在建筑体中使用较为普遍；（4）建筑化夜景照明，通常光源在建筑体的内部结构中，可以在墙、檐、窗、柱等结构中，和建筑体融为一体；（5）剪影照明法，既我们常说的背景照明法，这种方法主要是利用光线将被照物与其背影进行区分，让整个被照物呈现黑暗状态，并且在背景上构成清晰的轮廓；（6）层叠照明法，针对室外的特定景物采取多种灯光，只将那些最精彩的部分进行凸显，其余部分保持黑暗，以呈现被照物的特点的照明方法；（7）月光照明法，顾名思义，就是透过对于月光的利用形成相应的照明效果，一般会将光源设置在高大的树枝或者是建筑物体上，模拟朦胧的月光光线感，还可以让树木枝叶在地面上形成一定的光影；（8）多元空间立体照明，通常会从景物空间存在的立体环境出发，对于多种照明方法进行综合利用，赋予景点和特定景物以最佳的照明状态，体现出合适的明暗变化，并且能够呈现出照明物清晰的轮廓，这种照明方式能够凸显出物体的立体特征，并且彰显出一些的艺术内涵。
        3城市夜景照明灯光污染控制算法设计
        为了实现城市夜景照明灯光污染智能控制系统设计，进行控制算法和控制律的优化设计是关键，构建灯光污染智能控制的约束参量模型，以光照强度、灯光强度、环境的人流量、车流量等参数为约束参量指标，构建城市夜景照明灯光污染智能控制对象模型，采用如图1所示的三层模糊PID神经网络模型，进行城市夜景照明灯光污染智能控制结构模型设计。三层网络分别为输入层、中间层和输出层，其中在输入层输入灯光控制的约束参量，在中间层中执行智能计算，根据环境因素进行灯光的实时调节和控制，并根据模糊自适应加权控制结果，实现智能控制，并将控制结果通过输出层输出到每个灯光控制的开关节点中。

图1 模糊三层 PID 神经网络
图1中，输入到城市夜景照明灯光污染智能控制输入层的约束参量模型描述为:

其中，

为不确定项。分别表示灯光强度、输入功率、输出功率以及环境光照强度。为了提高灯光控制的随动性，降低环境污染，在PID网络的中间层进行自适应加权控制，将自适应加权过程描述为:

式中，b＞0，φa为表示输入到照明系统的功率强度，

为神经元的积分项，u为输入到PID网络的微分控制项，fd为外加的干扰信号。根据环境光照强度，进行反馈调节，得到光照强度的控制输出为:

d(t)=b－1fd，引入Lyapunov指数进行灯光照明时间的自动控制，得到照明间控制律为:

其中，

假设城市夜景照明灯光污染控制系统的不确定上界为

，即:

在城市夜景照明灯光的控制中断，令光照强度控制的联合误差为:

        4灯光污染治理对策建议
        4.1建立健全法律法规、标准
        目前，我国有关环境保护方面的法律法规体系已基本形成，但至今没有一部有关环境保护方面的法律将灯光污染纳入其中，使得有关灯光污染的投诉仍无“法”解决。而国外一些国家针对照明污染问题已经制定了相应法规标准，如国际照明委员会就对居住区干扰光线进行了严格的规定，其中针对城市住宅区干扰光线的限定为宵禁前10lx，宵禁后2lx，同时对照明灯具的光强也有明确规定，另外对灯具的最大发光强度或亮度也进行了限定。因此建议我国在国家或地区性环境保护法规中增加有关灯光污染的内容，组织相关机构开展灯光污染标准专项研究，参照国际的有关规定和标准着手制定我国照明生态安全标准和规范。
        4.2提高市民对夜光污染危害的认识
        通过主流媒体、网络等对夜光污染危害的报道，让越来越多的人认识到防治夜光污染的重要性，从而呼吁市民合理利用光源，节约能源，培养公众的夜光污染防范意识。
        4.3完善城市管理，优化照明设计
        控制城市夜间灯光污染问题，应加强城市管理，优化城市布局。建议如下：（1）为控制由于玻璃幕墙而引起的建筑反光问题，在城市建筑不宜设计玻璃幕墙，或大片玻璃采用隔断和直条在中间加以分隔(如铝板幕墙间隔使用)，或采用技术先进的反射率小的幕墙玻璃。（2）加强对夜间商业广告牌、霓虹灯等的管理规划和彩灯污染的管理，针对道路灯光照明，合理选择光源、灯具和布局方案。（3）合理控制道路照明时长、时段、方式，目前道路照明设施开关时间一般采用人工、光电掌控等方式，在采取以上方法的同时可以通过适时关闭一些照明设施以降低灯光污染，同时也可降低能源消耗。
        4.4加强利用新科技开展夜光污染监测和新型材料研究
        一方面要利用更先进的空间遥感技术，对夜光污染开展大范围宏观调查，并结合地面观测，实现夜光污染的快速监测；另一方面，加强对低耗环保等新能源照明材料的研究，控制夜光污染源。
        4.5加强城市灯光与广告灯光整合
        夜晚的各类发光广告牌原则上应纳入灯光控制体系中分类管理,集中控制,以利节能。广告灯光是城市夜间灯光环境中的景观活泼元素,也是城市灯光建设得以持续发展的动力之一。但在实际操作中不能盲目求多,还是应从整体环境需要的角度出发,避免广告灯光过多过滥。在设计时,将广告灯光作为景观元素加以利用,使广告牌的设置位置、亮度与光色等因素与建筑及环境的使用功能相结合。广告牌提供的亮度、光色应与道路照明、城市环境照明提供的亮度光色加以协调,特别在景观节点(广场、城市出入口、人流聚集地、商业旺街等)处,动感的大型电子广告牌在中视距范围应成为灯光景观的视觉中心。灯光景观总体规划与设计中,应把大型、连续有特点的广告牌作为景观加以重视。沿街边的小型广告牌,为人行道空间提供了部分亮度,在进行辅路照明设计时,应统一考虑
        4.6创新推动夜景照明长远发展
        未来的城市夜景照明中，舞台控制技术、物联网技术及大数据都开始介入。夜景照明舞台艺术化也已融入市民和游客的喜好和需求，通过文化与科技手段的结合、艺术与产品的结合，打造互动灯光装置、灯光音乐小品、灯光烟花、3D、4D、5D及大型实景演绎灯光秀等，创新应用新型灯光科技手段，以智慧城市和文化旅游等作为依托进行建设与提升，有利于城市夜景照明长远发展。
        结语
        城市夜光在一定程度上反映了城市的发展水平，然而在全球化经济高速发展的当下，盲目地“点亮”城市已不再是城市发展的趋势，“关灯一小时”等行动可以反映出全球对节能环保的呼声越来越高，城市夜光照明不应该盲目发展，而应以绿色、宜居为主。霓虹灯的色彩斑斓代替不了美丽夜空的璀璨，商业街的灯红酒绿也只能换来消费者的浮躁与不安，夜间灯光在促进经济发展的同时不应该以牺牲生态环境和违背生物的自然规律为代价，可持续发展要求我们每个人都要做到节能环保，防治灯光污染。
        参考文献
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