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京津地区LED广告屏的光侵扰模拟研究

发布日期:2020-03-10 点击次数:1085

汪亚江,李娜,王琛,张明宇*

(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)

 

摘要:以往研究表明,LED广告屏的亮度是造成光侵扰问题的主要因素。论文调查了京津地区17LED广告屏参数及其对周边居住建筑造成的光侵扰。展开针对不同设置条件下LED广告屏光侵扰模拟研究。设置条件确定为LED广告屏亮度、距受侵扰建筑水平距离、面积、与居住建筑水平夹角、以及与居住建筑垂直夹角五个自变量,以窗口受到25lx的侵扰照度为基准,得出多变量共同影响下窗口照度的变化规律以及单一变量与窗口照度之间的相对关系。

关键词:光侵扰;模拟;亮度;窗口照度

Study on Light Intrusion Simulation of LED Advertising Screen in Beijing and Tianjin

ABSTRACT

Previous studies have shown that the brightness of the LED advertising screen is the main cause of optical intrusion problems. The research includes the optical intrusion to the surrounding residential architectures with different setting conditions based on the parameters of 17 LED advertising screens in Beijing and Tianjin. The setting conditions is composed of five independent variables including the brightness and area of the screens, straight and level distance from the intrusive architectures, and both the horizontal and vertical angle of the architectures. The research is based on 25lx intrusive illumination indicating the the variation tendency of window illumination under multi-variable influence , and relationship between the single variable and window illumination.

Key words: optical intrusion; simulation; brightness; window illumination

 

1 引言

随着城市建设快速发展,LED广告屏得到了普遍的应用,随之产生了其对周边居住区居民光侵扰的问题。LED广告屏光侵扰问题研究较为复杂,主要涉及亮度、瞬时变化、光色等多重因素的影响,根据为京津地区17LED广告屏的现场调研发现,居民最介意“LED广告屏太亮了”“太晃眼了”对其的影响(约占30%),因此,本文对LED屏的亮度侵扰进行模拟。

本文通过模拟软件GWLE2015计算出居住建筑窗口的照度,通过窗口照度值是否满足相关标准来判断是否对居住区产生光侵扰,衡量是否超标的标准取值于《城市夜景照明设计规范》(JGJ/T 163-2008),因为本文研究的范围主要是商住混合区的LED广告屏,该区域属于E4区,综合实际情况取值为25lx

 

2 模拟软件及模拟方法

2.1 模拟评价原则及模拟软件

本文采用的模拟软件GWLE2015是上海天乔科技有限公司基于建模软件AutoCAD上研发的国内关于幕墙光环境分析的软件,并二次开发了LED屏亮度侵扰模拟插件。其可以计算出受LED广告屏侵扰窗口的平均照度

2.2 模拟方法

采用的GWLE2015模拟软件使用步骤如下

1、 SU建造建筑模型。还原LED屏周边环境和建筑以及受侵扰的居住建筑

2、 建筑模型上插入受侵扰的窗口。

3、 创建LED广告屏。可以自行设定LED广告屏的亮度,尺寸等自身参数,调整距地面高度,建筑的相对位置(包括角度和距离)安装位置参数

4、 计算照度。通过选择建筑窗口、LED显示屏、遮挡物等相关现状,软件就能分析对应的建筑窗口照度

3  典型模拟模型

通过改变LED广告屏与居住区建筑窗口的水平夹角、垂直夹角、水平直线距离就能包括相对位置的所有情况,因此将典型居住建筑窗口模型简化为单一窗口模型,通过设置LED本身参数,调整LED确定相对位置关系,便可以构成典型模拟模型,具体模型构建和流程如图1所示

 

 图1典型模拟模型

 

Fig.1  Typical simulation model 

4 LED广告屏光侵扰多因素模拟

居住建筑窗口照度会随着LED广告屏面积、亮度、与居住建筑水平夹角、与居住建筑垂直夹角以及距受侵扰建筑水平直线距离五个参数的变化而变化。通过模拟研究这些变量对窗口照度的共同影响趋势,得出单一变量与窗口照度之间的关系。

4.1 模拟参数数值选取

单一因素模拟中将居住建筑的窗口尺寸定为1.5m*1.5m,五个变量具体取值根据前期调研分级如下。

1、 LED广告屏亮度取值

将LED屏亮度值在调研阈值之间按照等比数列进行分级,亮度划分为65cd/m2,195 cd/m2,585 cd/m2,1755 cd/m2,5265 cd/m2

2、 LED广告屏面积取值

LED屏面积在数值上呈等比变化,边长则呈等差变化。因此本次模拟LED屏面积分为48 m2,192 m2,432 m2,768 m2,1200 m2五个等级,设定参数宽高比为4:3,则宽高分别为8 m *6 m,16 m *12 m,24 m *18 m,32 m *24 m,40 m *30 m

3、 LED广告屏距受侵扰建筑水平直线距离取值

水平直线距离取41m106m,171m236m301m五个距离,满足等差变化。

4、 居住建筑窗口与LED屏水平夹角取值

为满足夹角等差变化和具体参数选择范围,水平夹角取值为0°,30°,60°三个角度

5、 居住建筑窗口与LED屏垂直夹角取值

垂直夹角取值为0°,30°,60°三个角度

4.2数据初步分析

通过模拟结果(表1)可知,模拟结果共1125个,最大值为3020.5945lx,最小值仅为为0.0011lx。利用SPSS软件可知,数据的标准偏差为221.378。说明数据较为分散,照度数据主要集中于100lx以内,约占91.38%

1数据统计结果

Table1 Data statistical results

N

有效

1125

缺失

0

均值

51.33157813333332

中值

2.4154

全距

3020.5934

极小值

0.0011

极大值

3020.5945

4.3相关性分析

利用统计学原理,探讨单一模拟参数与居住建筑窗口照度之间的关系,用SPSS软件进行相关性分析,对模型进行皮尔森相关系数检验,如果P0.01<P<0.05,则为差异显著,如果P<0.01,则差异极显著。根据表2所示LED屏亮度居住建筑窗口照度呈现正相关,P=0.286LED屏面积和窗口照度显著相关P值为0.180表明两者呈现正相关LED屏与居住建筑窗口间的垂直夹角和水平直线距离与窗口照度值均成呈现负相关,P分别为-0.270-0.160.;而窗口照度和水平夹角之间并没有明显的关联

2各变量窗口照度相关性分析

Table2 Correlation analysis of variable and window illumination

 

LED广告屏亮度

LED广告屏面积

LED广告屏距窗口水平直线距离

LED广告屏与窗口垂直夹角

LED广告屏与窗口水平夹角

窗口照度值

LED广告屏亮度

Pearson相关性

1

0.000

0.000

0.000

0.000

0.286**

显著性(双侧)

 

10.000

10.000

10.000

10.000

0.000

N

1125

1125

1125

1125

1125

1125

LED广告屏面积

Pearson相关性

0.000

1

0.000

0.000

0.000

0.180**

显著性(双侧)

10.000

 

10.000

10.000

10.000

0.000

N

1125

1125

1125

1125

1125

1125

LED广告屏距窗口水平直线距离

Pearson相关性

0.000

0.000

1

0.000

0.000

-0.270**

显著性(双侧)

10.000

10.000

 

10.000

10.000

0.000

N

1125

1125

1125

11205

1125

1125

LED广告屏与窗口垂直夹角

Pearson相关性

0.000

0.000

0.000

1

0.000

-0.160**

显著性(双侧)

10.000

10.000

10.000

 

10.000

0.000

N

1125

1125

1125

1125

1125

1125

LED广告屏与窗口水平夹角

Pearson相关性

0.000

0.000

0.000

0.000

1

-0.045

显著性(双侧)

10.000

10.000

10.000

10.000

 

0.134

N

1125

1125

1125

1125

1125

1125

窗口照度值

Pearson相关性

0.286**

0.180**

-0.270**

-0.160**

-0.045

1

显著性(双侧)

0.000

0.000

0.000

0.000

0.134

 

N

1125

1125

1125

1125

1125

1125

**0. 在 0.01 水平(双侧)上显著相关。

 

5窗口照度与单一影响因素规律模拟及分析

5.1 LED屏亮度与窗口照度的关系

通过控制水平直线距离LED广告面积、水平夹角和垂直夹角,分析LED亮度与窗口照度的关系

1、 模拟参数值选取

控制变量模拟参数取值根据调研数据选择(表3LED屏水平直线距离、LED屏面积取值调研数据平均值,水平夹角和垂直夹角均取值均为。模拟自变量亮度参数数值等比数列分为以下21等级65 cd/m2,80.97251 cd/m2,100.87 cd/m2,125.6568 cd/m2,156.5346 cd/m2,195 cd/m2,242.9175 cd/m2,302.6099 cd/m2,376.9705 cd/m2,469.6038 cd/m2,585 cd/m2,728.7526 cd/m2,907.8297 cd/m2,1130.912 cd/m2,1408.811 cd/m2,1755 cd/m2,2186.258 cd/m2,2723.489 cd/m2,3392.735 cd/m2,4226.434 cd/m2,5265 cd/m2。

3模拟参数

Table3  Simulation parameters table

亮度(cd/m2

面积(m2

水平直线距离(m)

垂直夹角

(°)

水平夹角

(°)

65-5265

300

147

0

0

 

2、 模拟结果及分析

 模拟结果如图2所示,窗口照度值随着LED屏亮度值增加而增加,且趋势相近,呈现显著的相关性。

 

图2 模拟结果

Fig.2  Simulation results

明确LED亮度与窗口照度的关系,对数据结果进行统计分析。如图3可知,决定系数R21,模型拟合效果良好。因此得出,LED屏亮度跟受侵扰窗口照度为线性关系,拟合方程为 y = 0.0138x + 4E-05

 


 

 

3  LED广告屏亮度与窗口照度关系图

Fig.3  LED advertising screen brightness and window illumination diagram

5.2 LED广告屏面积与窗口照度的关系

通过控制LED广告亮度、水平夹角、垂直夹角和水平直线距离,可以分析LED屏面积与窗口照度的相互关系。

1、 模拟参数值选取

控制变量模拟参数取值根据调研数据选择(表4LED屏水平直线距离、LED屏亮度取值均调研数据平均值,垂直夹角和水平夹角取值均为LED广告屏面积参数数值按等比数列分为21等级,取值分别为48 m2,69.12 m2,94.08 m2,122.88 m2,155.52 m2,192 m2,232.32 m2,276.48 m2,324.48 m2,376.32 m2,432 m2,491.52 m2,554.88 m2,622.08 m2,693.12 m2,768 m2,846.72 m2,929.28 m2,1015.68 m2,1105.92 m2,1200 m2。

4模拟参数

Table4  Simulation parameters table

亮度(cd/m2

面积

(m2)

水平直线距离

(m)

垂直夹角

(°)

水平夹角

(°)

792

48-1200

147

0

0

 

2、 模拟结果及分析

模拟结果如图4所示,窗口照度值随着面积值增加而增加。

图4 模拟结果

Fig.4  Simulation results

 


对模拟
数据进行分析可知(图5因此可以确定LED屏面积与窗口照度为线性关系,决定系数值1拟合曲线y = 0.036x + 0.1189

 

图5  LED广告屏面积与窗口照度关系图

Fig.5  LED advertising screen area and window illumination diagram

 


5.3
LED广告屏距窗口的水平直线距离与窗口照度的关系

 

通过控制LED屏亮度、面积、垂直夹角和水平夹角,分析水平直线距离与窗口照度的对应关系。

1、 模拟参数值选取

控制变量模拟参数取值根据调研数据选择(表5),LED屏亮度、面积取值调研数据平均值,LED距居民窗口水平和垂直夹角均取值均为0°。LED屏距受侵扰窗口的水平直线距离参数数值按等数列可以分为以下21等级41m,54 m,67 m,80 m,93 m,106 m,129 m,132 m,145m,158m,171m,184 m,197 m,210m,223m,236m,249 m,262m,275 m,288 m,301 m。

5模拟参数

Table5  Simulation parameters table

亮度(cd/m2

面积

m2

水平直线距离

m

垂直夹角

(°)

水平夹角

(°)

792

48-1200

41-301

0

0

 

2、模拟结果及分析

模拟结果如图6所示, LED广告屏到居民窗口的水平直线距离越远,窗口照度值也就越低。

 


图6 模拟数据结果

 

Fig.6  Simulation results

对模拟数据进行分析可知,如图7LED屏到居民窗口的水平直线距离受侵扰窗口照度为指数函数关系,利用SPSS软件拟合可以得到拟合曲线y = 109.85e-0.014x

 


7 LED广告屏距窗口的水平直线距离与窗口照度关系图

 

Fig.7  LED advertising screen from the window of the horizontal line distance and window illumination diagram

5.4 LED广告屏与窗口的水平夹角与窗口照度的关系

通过控制LED屏亮度、面积、LED与居住建筑窗口间的水平直线距离和垂直夹角,分析水平夹角与窗口照度的关系。

1、 模拟参数值选取

LED屏亮度、LED屏面积、LED距居民窗口水平直线距离均取值为调研数据平均值,垂直夹角均取值均为(表6)。LED屏距窗口的水平夹角参数数值按等数列可以分为以下21等级0°,3°,6°,9°12°15°18°21°24°27°30°33°36°39°42°45°48°51°54°57°60°

6模拟参数

Table6  Simulation parameters table

亮度(cd/m2

面积

m2

水平直线距离

m

垂直夹角

(°)

水平夹角

(°)

792

300

174

0

0-60

 

2、模拟结果及分析

 


通过8可知窗口照度值随着水平角度的增加而逐渐降低,水平角度时,窗口照度到达最大值数值为10.9436lx

 

图8 模拟结果

Fig.8  Simulation results

 


经过
分析,得知LED屏与受侵扰建筑窗口间的水平夹角与受侵扰窗口照度之间的关系为二元一次方程,如图9。曲线的拟合度较高,R2值为0.9999,拟合方程为:y = -0.0014x2 - 0.0066x + 10.977(R2=0.9999)。

 

9  LED广告屏与居民窗口水平夹角与窗口照度关系图

Fig.9  LED advertising screen and residents window horizontal angle and window illumination diagram

5.5 LED广告屏与窗口的垂直夹角与窗口照度的关系

通过控制LED屏亮度、面积、LED受侵扰建筑窗口间的水平直线距离和水平夹角,分析垂直夹角与窗口照度的对应关系。

1、 模拟参数值选取

LED屏亮度、LED屏面积、LED距居民窗口水平直线距离均取值为调研数据平均值,水平夹角均取值均为(如表7)。LED屏距窗口的垂直夹角参数数值按等数列可以分为以下21等级0°,3°,6°,9°12°15°18°21°24°27°30°33°36°39°42°45°48°51°54°57°60°

7模拟参数

Table7  Simulation parameters table

亮度(cd/m2

面积

m2

水平直线距离

m

垂直夹角

(°)

水平夹角

(°)

792

300

174

0-60

0

 

2、模拟结果及分析

通过10可知,垂直角度时,窗口照度到达最大值。通过数据可知受侵扰窗口照度值随着垂直角度的增加而逐渐降低

 


图10模拟结果

 

Fig.10  Simulation results

经过统计可知LED屏与居住建筑窗口间的垂直夹角和窗口照度呈三元一次方程的关系如图11,拟合系数值为0.9999程度较高,方程为y = 8E-05x3 - 0.0078x2 + 0.0015x + 10.963

 


11 LED广告屏与居民窗口垂直夹角与窗口照度关系图

 

Fig11.  LED advertising screen and residential windows vertical angle and window illumination diagram

6 总结

1. 本文通过模拟软件GWLE2015计算出居住建筑窗口的照度,通过窗口照度值是否满足相关标准来判断是否对居住区产生光侵扰,衡量是否超标的标准取值于《城市夜景照明设计规范》(JGJ/T 163-2008),因为本文研究的范围主要是商住混合区的LED广告屏,该区域属于E4区,综合实际情况取值为25lx

2.对每个单一模拟参数与受侵扰建筑窗口照度进行相关性分析可知LED屏亮度与居住建筑窗口照度显著正相关,P=0.286;LED屏面积和窗口照度显著相关,P值为0.180,表明两者呈正相关; LED屏与受侵扰建筑窗口间的垂直夹角和水平直线距离与窗口照度值均成呈负相关,P值分别为-0.270-0.160;而水平夹角和受侵扰窗口照度之间并没有显著的相关性。

3.构建控制变量的模拟模型,最终可知。

① LED屏亮度与受侵扰窗口照度为线性关系,拟合方程: y = 0.0138x + 4E-05(R2=1)。

② LED屏面积参数与受侵扰窗口照度的为线性关系,拟合曲线:y = 0.036x + 0.1189(R2=1)。

③ LED屏到受侵扰居民窗口的水平直线距离与受侵扰居民窗口照度为指数函数关系,拟合曲线:(R2=0.9445)。

④ LED屏与受侵扰居住建筑窗口间的水平夹角与受侵扰窗口照度之间的关系为二元一次方程。拟合曲线:(R2=0.9999)。

⑤ LED屏与受侵扰居住建筑窗口间的垂直夹角和受侵扰窗口照度呈三元一次方程的关系,拟合曲线:(R2=0.9999)。

 

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