【半月分享】健康环境设计研究——人机自然共居光环境设计探索

发布时间：2025-01-03 12:38

环境艺术设计讲究人与自然的和谐共处，打造绿色宜居环境 #生活乐趣# #生活艺术# #生活美学设计# #环境艺术设计#

北京建筑大学孙曦

摘要：随着室内服务机器人在家居生活中的普及，适应于机器人使用要求及服务方式的空间分配为居住环境中的光环境设计提供了新的要求。同时，通过对室内光环境构成中光源的布局方式、光通量、色温及显色性等属性的协调控制，使之与健康人居环境的设计原则相吻合。

关键词：人机自然共居健康环境光环境

1引言

近年来，室内服务机器人逐渐走入大众家庭，从扫地机器人到可实现智能语音情感互动的陪伴机器人，无论从服务类型、功能范围还是智能化程度上都层出不穷乃至屡见不鲜。然而，对于这样的家庭生活方式的改变并没有相应的空间光环境的设计理论及步骤的调整。作为设计服务对象中的“新成员”，机器人通过微型计算机的控制实现其功能，通过对环境信息的一些判断和处理而执行指令。假设机器人在接受外界信息的环节出了差错，在其随后的执行等一系列的工作流程中，很有可能无法完成我们交代的任务。例如，不同环境光源的显色性差异所引起的机器人眼识别信息的不同，根据机器人的服务类型，相应对于完成任务的干涉也可大可小。这也是在人机共居的光环境设计中必需研究的内容。

在人居室内空间的光环境设计中，照明系统的空间分布状况及其单位——光源的选择和安装方式等因素，无疑是为实现人机自然共居的生活方式所需重点考虑的。

2室内光源的选择

据室内照明系统中光源的功能与使用范围，照明类型可分为基本照明、重点照明、装饰照明、应急照明。在本文中，主要对基本照明（环境照明）与重点照明展开讨论。

2.1 日光与人工光源

在室内基本照明中，自然光与人工光的载体是两大主要光源。日光，是一种应用度广又不可或缺的光照能源。位于美茵河左岸，德国法兰克福的施泰德艺术馆展示大厅的灯光设计就很好地利用了日光。这个地下艺术馆通过其草坪建筑平顶上的圆形天窗引入日光，采用了精密的基于多层日光过滤层的日光控制系统，并结合了对人工光的智能控制系统，达成室内环境中日光与人工光源的极为协调的转换以及其所营造的柔和氛围。正如在2007年展览馆扩建方案竞赛中赋予该设计桂冠的评审所说：“白天是璀璨的珠宝，夜晚则化身成光与影结合的幻境”。〔1〕

灯具，作为人工光的主要载体，因用户对于室内一隅的光照强度、氛围等方面的不同要求，而衍生了其不同类型。表1就现代住宅环境典型功能区中几种主要光源效率、显色性、色温度及光色效果等对比，对其适用空间的灯具选择和人机自然共居光环境设计提供参考。

2.2 光源主要属性与人机参数

（1）光量属性，其指标主要为：总光通量、亮度、光强、紫外线量、热辐射量等。其中光通量，一定空间范围内的亮度对比是决定用户心理感受、舒适度及居住人生理健康的首要考虑因素。同时，空间中持续、稳定、均匀的光环境也是使得家庭服务机器人在一定时间内有效工作的前提。

（2）光色属性，其指标主要为：光色、色温、显色性、色度、光谱分布等。其中色温、光色、显色性是对人机活动影响最大的，也是在选择室内环境灯具时所重点考虑的。同为应用最广泛，显色性最好的白色灯光，不同色温的白光会给人不同心理感受和情境舒适度。

譬如，在工作强度大，效率高的办公场所，室内装潢普遍使用了冷光灯。为提升愉悦氛围，契合咖啡厅的慵懒悠闲，商铺中的暖光灯便大显神通。然而，随着城市土地资源的日渐紧俏，且近年来，在对城市生活与工作空间的规划中，设计理念也走向了趋同化，因此，对于同一空间内的灯光要求不再是单一的，而需要多方面的即时转换。

近年来，LED灯具因其节能、环保、转换效率高等优点越来越多地被用于普通照明领域，但传统的LED灯具在出厂时一般都为固定的色温，若要在不同场合、不同时间满足不同色温的照明需求，往往需要适当更换另一色温的LED灯具，这使得成本提高、安装不便。因此，我国以李文环为代表的专利发明者设计了一款可调色温白光LED照明光源。这种LED照明光源使用了一种调节LED色温的方法，即通过设计复杂的控制电路来实现的，主要是利用CPU控制LED灯群不同色温的LED灯体发光亮度数值，从而使混合的LED灯整体色温发生改变。〔2〕

其他光源属性，如电气属性、机械属性，取决于灯具产品自身技术方案以及与一般家庭电气装置的匹配程度，是在选配灯具之初需要调查统计的信息。

关于灯具的心理属性，即带给用户怎样的心理感受，是通过其外观属性及其灯光效果所传达的，也是我们在研究健康人居生活中所要了解的内容。关于灯具产品的形态、色彩、材料、肌理纹样、表面处理以及零件组装方式，既是设计师对于光的一种表达形式，反映了设计者的主观思考和灯具生产等环节的技术条件，也很大程度上决定了使用者的感觉、使用体验和交互内容。

3人机共居住宅模型与与使用需求

为系统地研究人机共居住宅光环境中的人、机需求，我们的议题放到一个现存标准住宅模型中讨论才有意义。随着城市建筑内外结构与居住生活方式的日益个性化，这里只讨论一般家庭对住宅空间典型功能区的日常使用。

3.1 标准住宅模型的空间划分

根据人居住宅空间依次对人社交需求、生理需求等方面的满足，典型功能区有：客厅、厨房、卫生间、卧室等区域。人机共居光环境的构建基于各区域的典型功能和空间布置。

（1）客厅、起居室主要承载着招待客人与家庭公共空间的功能作用。作为住宅中代表主人喜好、体现审美意趣及给予宾客良好印象和享受的区域，其空间照明需因地制宜、恰到好处地烘托出该区域视觉上宽敞、装潢高档等特点。作为家庭公共活动空间，客厅照明更须明亮、舒适，同时满足家庭成员进食、交谈、娱乐等活动的亮度要求。同时，还应满足室内服务机器人在收集环境信息时，保持亮度稳定，光色明晰，显色性强的光环境。

（2）厨房承担着人机共居住宅中的烹饪、进食、餐具存放等功能。近年来，随着厨房电器产品的人性化、智能化发展，使得以往颇令家庭成员头疼的做饭越来越轻松便捷。我们有理由相信，未来的科技会使烹饪以全自动化的方式进行，厨房可实现由机器人完成大部分的工作，以减轻人的劳务。厨房的灯光设定以契合机器人的工作需要为主，在主人进食之时则依情境切换为柔和舒适、气氛欢快、可表现食物诱人色泽的暖光。

（3）目前住宅中卫生间区域的功能主要包括沐浴、如厕、梳洗及整理仪容等。这是一个多功能的、极具创造性空间的区域。一直以来，设计师在此处施展的才华灵感层出不穷，常使小空间中的人机互动内容丰富，用户完成个人清洁中的每一个操作都令人愉悦。很难预测未来的人机共居空间中的卫生间的演变趋势。然而，在布置卫生间中的光环境中很重要的一点就是，突出小环境的高档、洁净感。因为这一部分在整个住宅环境中非常特别，在一般民居中该区域占地不大，却是反映主人生活态度与习惯、体现住宅洁净程度，介于客厅与卧室之间，既是公共空间又具私人空间特点的重要区域。如果灯光效果不合适，打造出空间逼仄、邋遢的印象，将会降低整个住宅的舒适性和高级感。

（4）卧室的灯光布置。卧室是人机共居住宅中相对独立的、最体现个人生活习惯与喜爱风格的区域。这里的灯光设计也总是依照用户个人喜好来布置。未来的卧室灯光应能根据用户的使用情境，经室内服务相关模块切换灯光模式与照明效果，例如在用户学习、工作期间，相关控制模块须启动工作平面的重点照明；在用户休息、娱乐期间，应各自按照用户的灯光喜好调节灯光明暗、色温等属性，并实时提示用户个性化的健康标准参数以供选择。〔3〕

关于卧室的照明设计，还要注意光照对夜间人体褪黑素分泌的影响，不合时宜的光照会抑制松果体内褪黑素的合成，从而影响人的睡眠状况、衰老程度及生理、心理健康。用户在经历了晚间的家庭活动，即将进入就寝准备阶段时，过强的卧室灯光以及含有较多蓝、绿色光谱的灯光照射，会抑制人体的褪黑素合成，不利于睡眠。选用照度低而含有较多红色光谱成分的灯光作为寝前照明，类似白炽灯，则非常有助于保护人随自然生理节律休息。〔4〕

3.2室内服务机器人的光环境需求

目前的家庭服务机器人主要类别有，家用清洁服务机器人、医用智能轮椅、康复机器人（辅助病患的日常生活行为）等自主移动机器人，通常通过红外传感器、超声传感器及视觉传感器等感知住宅环境，从而完成对任务路线的规划。其中与环境照明效果最直接相关的是其视觉感知系统，其接收环境信息的工作流程如下：

这个过程可描述为，室内服务机器人通过图像感知传感器，即摄像头，将室内环境通过镜头生成的光学图像投射到内部感光器件上，内部感光器件据此产生相应的电信号，电信号经过A/D转换后变为计算机或微控制芯片能够处理的数字图像信号。

自主移动机器人视觉系统按照视觉传感器的数量和特性可分为单目视觉双目立体视觉，多目视觉和全方位视觉等。为了扩大机器人视野，全方位视觉系统在移动机器人领域得到了普遍重视。这种视觉系统是一种高效、可靠的信息采集途经，其最大特点就是宽视野，能够在一幅图像中提供周围环境的全局鸟瞰图，不需要机器人通过本体或者视觉机构的转动来寻找目标。从而在执行目标跟踪、地图构建以及自身定位和导航等任务时，能够提高机器人的反应速度。而其限制在于，只使用一个视觉传感器，在成像过程中损失了场景的深度信息，且获取的图像分辨率较低。〔5〕

这就要求我们在布置人机共居光环境时，选择较高照度的光源且使用照明均匀的光布局方式，使机器人的移动范围保持照明通透、稳定。在室内构件，如使用大范围的深色家具、墙纸等，还要加强相应区域的亮度，使用重点照明。且尽量避免彩色灯光，如红色、绿色、紫色等。因为单一色彩、纯度较高的环境光会弱化空间物体的颜色差异，很有可能导致室内环境在视觉传感器中的成像无法被计算机正确识别。下图为一组不同颜色灯光的室内环境的对比：

如图，左侧是两种照明效果下的通往房间的走廊。由于一些机器人的视觉系统只使用一个视觉传感器，例如因结构简单、算法成熟而被广泛采用的单目视觉机器人，对于环境的表达完全体现在二维图像的明暗度、纹理、表面轮廓线及阴影等因素中，而无法从视觉感应中得出场景的深度信息，且通常情况下其感知范围有限。在走廊这样的狭窄作业范围，如果基本照明的亮度不够或四周墙面明度太暗，机器人的图像感知系统就很有可能无法进行清晰准确的环境判别，为辅助用户去往房间带来困难。甚至在走廊中发生碰撞危险。

在进行人机共居室内空间的设计时，如何营造使人轻松愉悦、又可平静专心的光环境氛围，还可享受空间活动中的机器人功能服务，兼顾机器人工作的照明要求，是在未来人机自然共居光环境的设计中要重点讨论的问题。

4人机共居住宅中的光环境搭建

在未来人机共居光环境的构建中，上文中提到的可调色温白光的照明光源必然会在用户的“一室多用”中派上用场。此外，应将涉及建筑立面的采光设计与室内灯光设计有机结合，以期达到最大化节约能源的目的。在室内光源的布置中，要尽量避免眩光现象，因而需打造光照均匀、舒适的整体光环境。在灯具光源的选择上，宜选择显色性好、明亮不刺眼、丢弃后不易产生汞污染的白炽灯、卤素灯。从节省能源、发光效率和使用寿命等方面考虑，白炽灯不占优势。LED灯的显色性虽略逊于上几种光源，但因其具有高效能、低功耗、应用广、不含汞等优越特性，也会在人机共居光环境中起主要作用。在面向室外的采光设计中，尤其要注意日光下大片玻璃窗反光所导致的光污染问题，并且也会导致眩光引起人们的生理不适。〔6〕

综上所述，在室内光源的布局方式上，除了使用基本照明，令人机活动空间内的光照均匀外，在作业范围内的重点照明也是构建健康光环境的重中之重。

（1）在客厅里，需重点照明的构件范围包括，茶几、电视、沙发等；

（2）厨房的重点照明包括：餐桌、料理台等；

（3）卫生间重点照明：浴室、洗手台等；

（4）卧室重点照明：书桌、床等。

以上是根据住宅内各典型区域的功能区划分的，细化的人机共居光环境设计探索将在设计实践中持续展开。以下是在室内环境中常用照明灯具的的照明类型、照明方式及技术方案的对比，对其适用空间的灯具选择和人机自然共居光环境设计提供参考。

5总结

日常居住环境与人类身心健康息息相关。未来的居住环境不仅向着更加绿色、可持续的方向迈进，也是智能科技就走进千家万户，为人所用的人机共居友好型空间。通过这次对人机共居光环境的设计探索，我们明确了一些用户、机器人在使用同一空间时对光环境的不同需求，为健康光环境的设计提供了理论支持，进而向人机自然共居的未来生活更迈进一步。

参考文献

[1]吴迪.新施泰德展览馆[J].景观设计,2012,(5):90.

[2]李文环,金尚忠,邹艳秋,余彬彬,陈亮,王乐,石岩. 一种可调色温白光LED照明光源:中国, CN105449079 A[P].2016-03-30.

[3]史习平,马赛,董宇.展示设计[M].北京:清华大学出版社,2005:45-46.

[4]刘炜,杨春宇,陈仲林.影响人体生物节律的褪黑素与住宅光环境设计[J].照明工程学报,2002,(3):48.

[5]徐德.室内移动式服务机器人的感知/定位与控制[M].北京:科学出版社,2008:156-161.

[6]生态光环境与光污染防止[J].光源与照明,2001,(4):27.

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