動(dòng)車組客室燈具設(shè)置對(duì)眩光的影響

李彥潔，方衛(wèi)寧，沈 鵬

(北京交通大學(xué)，軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044)

引言

動(dòng)車組客室照明作為列車室內(nèi)環(huán)境的重要組成部分，對(duì)改善運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量、提升乘客舒適感和滿意度有著十分重要的影響。列車客室照明設(shè)計(jì)旨在營(yíng)造良好的照明環(huán)境以提高乘客視覺(jué)舒適性。因此探討客室燈具設(shè)置對(duì)眩光的影響對(duì)進(jìn)一步優(yōu)化客室照明設(shè)計(jì)有著十分重要的意義。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)列車室內(nèi)眩光研究大多集中在駕駛室且與駕駛員性能或任務(wù)相聯(lián)系[1,2]，對(duì)客室不舒適眩光的成因研究較少涉及。列車客室照明有其自身的獨(dú)特性和復(fù)雜性，文獻(xiàn)[3]中提出室內(nèi)不舒適眩光對(duì)人有負(fù)面影響，會(huì)降低用戶舒適性和滿意度。雖然章勇和徐伯初[4]曾提出列車內(nèi)室要善用燈光避免乘客產(chǎn)生視覺(jué)不適，但對(duì)如何通過(guò)燈具設(shè)置營(yíng)造良好的燈光效果以提高乘客視覺(jué)舒適性的研究較少。

為探討燈具設(shè)置列車客室眩光的影響，本文利用CATIA/SPEOS光學(xué)仿真軟件，基于視覺(jué)仿真技術(shù)對(duì)CRH380B動(dòng)車組列車二等車廂室內(nèi)照明眩光環(huán)境進(jìn)行仿真模擬，為后續(xù)動(dòng)車組客室光環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 列車客室眩光及評(píng)價(jià)方法

1.1 客室眩光影響因素

眩光包括不舒適眩光和失能眩光[5]。不舒適眩光指觀察者看到高亮度光源時(shí)產(chǎn)生的不舒適或厭煩的感覺(jué)，故又被稱為“心理眩光”，它不會(huì)損害人的視覺(jué)功能，但會(huì)讓人產(chǎn)生生理和心理的不舒適感[6]。列車客室眩光屬于不舒適眩光，會(huì)嚴(yán)重影響乘客的乘車體驗(yàn)，故不舒適眩光是列車照明設(shè)計(jì)中需要考慮的一個(gè)重要指標(biāo)。

列車客室眩光影響因素主要包括：照明方式、燈具數(shù)量、遮光角、發(fā)光面尺寸、布置形式以及燈具光源本身光參數(shù)(如亮度、光譜等)、背景亮度等?，F(xiàn)有動(dòng)車組列車客室中的LED燈具提供了整個(gè)車廂內(nèi)部的照明環(huán)境，其照明效果的好壞直接影響乘客的視覺(jué)滿意度。故本文以CRH380B動(dòng)車組二等車廂頂部LED燈帶為研究對(duì)象，探討燈具布置形式、安裝間距和發(fā)光面尺寸這三種影響因子對(duì)列車客室不舒適眩光的影響規(guī)律。

1.2 基于視覺(jué)仿真的眩光評(píng)價(jià)方法

傳統(tǒng)眩光評(píng)價(jià)往往是在物理樣機(jī)或?qū)嵨锍鰜?lái)以后進(jìn)行測(cè)量評(píng)估，不但成本高、周期長(zhǎng)，而且無(wú)法模擬列車客室的視覺(jué)環(huán)境。目前視覺(jué)仿真技術(shù)的發(fā)展為設(shè)計(jì)階段的眩光評(píng)估提供了可能，文獻(xiàn)[11]中提出利用視覺(jué)仿真在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段進(jìn)行分析，可以節(jié)約成本，避免后期設(shè)計(jì)反復(fù)。

視覺(jué)仿真是根據(jù)眼點(diǎn)位置建立人眼探測(cè)器，利用逆向光線追蹤，從眼點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)屏幕的像素點(diǎn)分別射出的一條光線，后被模型中不同光學(xué)屬性物體表面吸收、反射或投射，被反射或投射后的光線重復(fù)上述過(guò)程直至達(dá)到設(shè)定的次數(shù)或者射出模型，該過(guò)程終止，將該過(guò)程中獲取的光學(xué)信息計(jì)算并返回對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的亮度等參數(shù)值[12]。

本文采用ANSYS公司的SPEOS光學(xué)仿真軟件，該軟件通過(guò)了CIE 171—2006 照明計(jì)算機(jī)仿真程序計(jì)算精度測(cè)試[13]，有研究表明SPEOS軟件仿真精度高出其他仿真軟件10%[14]，因此采用視覺(jué)仿真方法對(duì)列車客室眩光進(jìn)行評(píng)估是可行的。

統(tǒng)一眩光值(UGR)是用于預(yù)測(cè)視野范圍內(nèi)由光源引起的主觀不舒適感的眩光評(píng)估模型，Akashi等[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出UGR計(jì)算結(jié)果與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果的相關(guān)性高達(dá)0.89。但該模型在評(píng)估眩光源大小上有一定的適用范圍，當(dāng)眩光源較大時(shí)UGR值偏低，而眩光源較小時(shí)則會(huì)偏高。動(dòng)車組客室照明環(huán)境復(fù)雜，眩光源形狀大小、數(shù)量各不相同，如果僅僅把這些眩光源歸為一般光源或小光源進(jìn)行計(jì)算評(píng)估，所得到的結(jié)果將會(huì)出現(xiàn)較大偏差。

詹自翔等[15]提出了適用于評(píng)估室內(nèi)非均勻眩光、不規(guī)則形狀眩光和反射眩光列車客室不舒適眩光評(píng)估模型如下：

(1)

式中：Lb為背景亮度，Li為第i個(gè)一般光源亮度，ωi為第i個(gè)一般光源的立體角，Pi為第i個(gè)一般光源位置指數(shù)，Ij為第j個(gè)小光源在眼睛方向的光強(qiáng)，rj為第j個(gè)小光源離眼睛的距離，Pj為第j個(gè)小光源位置指數(shù)，m為指一般光源的總數(shù)，n為小光源總數(shù)。其眩光評(píng)估流程如圖1所示。本文采用其眩光評(píng)估方法進(jìn)行列車客室眩光評(píng)估。

圖1 客室眩光計(jì)算流程Fig.1 Calculation flow of glare in the passenger cabin

2 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

實(shí)驗(yàn)選取CRH380B動(dòng)車組列車二等車廂客室為研究對(duì)象，該車廂內(nèi)乘客坐席區(qū)采用“3+2”座位布置方式，定員為80人，如圖2所示。

圖2 CRH380B二等車廂Fig.2 CRH380B second-class

該列車客室照明分為兩個(gè)部分：主體照明和通過(guò)臺(tái)照明，其中主體照明包含四種條形LED燈照明模塊；通過(guò)臺(tái)照明燈具類型為射燈。燈具照明參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 客室燈具照明參數(shù)Table 1 Lighting parameters of lamps in the passenger cabin

2.2 變量設(shè)置

1)燈具布置形式。通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外比較典型的動(dòng)車組列車客室燈具的布局，梳理發(fā)現(xiàn)動(dòng)車組列車客室的燈具布置主要有三種形式：采用兩條燈具二位對(duì)稱或整條燈具縱向布置；橫向均勻布置和采用縱橫交錯(cuò)的燈具布置。三種布置方式的實(shí)際應(yīng)用效果見(jiàn)圖3。故選取這三種布置形式進(jìn)行眩光分析。

圖3 三種常見(jiàn)客室燈具布置形式Fig.3 Three kinds of common arrangement forms of lamps in Home and Abroad

2)安裝間距。眩光產(chǎn)生原因與其安裝位置有關(guān)[16]。因此，計(jì)算眩光時(shí)需要考慮安裝間距。

燈具安裝間距需滿足一定的距高比，GB/T 29293[17]給出了距高比的計(jì)算方法，即式(2)，一般來(lái)講，僅對(duì)公式修正至0.1。

(2)

式中S為燈具最大允許安裝間距，H為工作面計(jì)算高度，γ1/2為1/2最大光強(qiáng)時(shí)對(duì)應(yīng)的γ角。

按式(2)計(jì)算得到列車客室燈具最大安裝間距S為3.3 m，而車廂頂板跨度為2 180 mm，所以據(jù)實(shí)際車廂頂板結(jié)構(gòu)，綜合考慮現(xiàn)有燈具布置形式，均勻選取550 mm、670 mm、790 mm、910 mm、1 030 mm、1 150 mm六種間距。

3)發(fā)光面尺寸。有研究表明，對(duì)于同一眩光源其亮度隨著發(fā)光面尺寸的增大而增大[18]，因此，計(jì)算眩光時(shí)，需要考慮燈具的發(fā)光面尺寸。

CRH380動(dòng)車組列車客室燈具尺寸多樣，為了方便控制變量、簡(jiǎn)化模型，忽略燈具厚度，選取長(zhǎng)度固定值為2 m的燈具，僅通過(guò)改變燈具寬度控制發(fā)光面尺寸來(lái)分析其對(duì)列車客室眩光的影響，根據(jù)實(shí)際車體安裝情況，本文均勻選取56 mm、108 mm、200 mm三種燈具寬度。

4)列車客室眩光。CIE 117[19]中規(guī)定了常規(guī)采用均勻座位陣列的照明“最壞情況”，即對(duì)于設(shè)施整齊、規(guī)律、同向擺放的室內(nèi)環(huán)境，其兩個(gè)墻面中心離地面高度1.2 m處(坐姿觀察者眼高通常為1.2 m)不舒適眩光感最強(qiáng)。如圖4(a)、(b)所示；CRH380B列車座椅為縱向布置，方向統(tǒng)一，從理論上看，列車客室眩光感最大位置為左右墻或前后墻中心點(diǎn)，即圖4(c)、(d)所示位置，距離地面1.2 m處。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)中最大眩光值位置圖Fig.4 Maximum glare location map in standard

但是對(duì)于圖4(c)、(d)視點(diǎn)，若采用上述位置為眩光測(cè)量位置，由于座椅遮擋，其計(jì)算的眩光值將與無(wú)遮擋條件下的眩光值有較大偏差；圖4(d)視點(diǎn)所對(duì)應(yīng)區(qū)域與乘客實(shí)際視野范圍不符。因此本文選取客室前后端圖4(c)視點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置，以第5th女性和第95th男性站姿時(shí)人眼高度作為眩光測(cè)量點(diǎn)的高度尺寸，確定該范圍為乘客視野內(nèi)的最壞視覺(jué)條件范圍進(jìn)行眩光計(jì)算，該范圍基本涵蓋了列車客室絕大部分乘客視線內(nèi)最糟糕的眩光情況。

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文采用正交實(shí)驗(yàn)，選取Minitab中的田口設(shè)計(jì)完成混合正交設(shè)計(jì)表[L18(16×23)]，詳見(jiàn)表2。為保證仿真實(shí)驗(yàn)精確可靠，每次仿真實(shí)驗(yàn)需保證其他干擾因素(如燈具安裝高度、燈具數(shù)量等的影響)保持不變，分別對(duì)18種布局方案進(jìn)行計(jì)算，共需進(jìn)行仿真72次。

表2 各影響因素正交實(shí)驗(yàn)表Table 2 Orthogonal experiments table

2.4 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)在CATIA/SPEOS仿真平臺(tái)上完成。CRH380B列車二等車廂客室仿真模型如圖5所示；根據(jù)GB/T 10000[20]以及GB/T 12985[21]確定人體尺寸選取范圍和功能修正值，確定乘客站姿眼點(diǎn)的位置；實(shí)驗(yàn)流程如圖6所示。圖7為方案10仿真結(jié)果，表3為仿真結(jié)果匯總。

圖5 CRH380B列車二等車廂三維模型Fig.5 Three-dimensional model of second-class passenger cabin of CRH380B EMU train

圖6 仿真實(shí)驗(yàn)流程Fig.6 Flow chart of simulation experiment

表3 18種布局方案仿真結(jié)果匯總表Table 3 Summary table of the 18 kinds of simulation results

圖7 部分仿真結(jié)果示意圖Fig.7 Schematic diagram of partial simulation results

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 仿真結(jié)果極差(直觀)分析

表4 列車客室前端部UGR1極差分析結(jié)果Table 4 Range analysis results of UGR1 at the front of the compartment

表5 列車客室后端部UGR2極差分析結(jié)果Table 5 Range analysis results of UGR2 at the back end of the cabin

3.2 仿真結(jié)果方差分析

為了進(jìn)一步研究各因素對(duì)客室眩光的影響顯著性，以確定關(guān)鍵影響因素，采用方差分析法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。由SPSS.22軟件采用Levene檢驗(yàn)數(shù)據(jù)間的方差齊性分析結(jié)果見(jiàn)表6，由此得出UGR1、UGR2在A、C因素下的Levene檢驗(yàn)顯示P值均大于0.05，不能拒絕方差齊性假設(shè)，均滿足方差分析的條件。

表6 UGR1、UGR2在各因素下的方差齊性檢驗(yàn)結(jié)果Table 6 Test results of homogeneity of variance for UGR1 and UGR2

對(duì)A、C因素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，方差分析結(jié)果見(jiàn)表7，由表7可以看出：

表7 客室前、后端部在A、C因素下的方差分析結(jié)果Table 7 ANOVA analysis results of UGR1 and UGR2 under A and C factors

1)A因素對(duì)UGR1、UGR2的方差結(jié)果顯示各水平間的結(jié)果無(wú)差異(P>0.05)，其影響不具有顯著性。

2)C因素對(duì)UGR1、UGR2的方差結(jié)果顯示各水平間的結(jié)果無(wú)差異(P>0.05)，其影響不具有顯著性。

針對(duì)拒絕方差齊性假設(shè)的B因素相關(guān)數(shù)據(jù)，本文采用Welch檢驗(yàn)進(jìn)行分析，見(jiàn)表8。結(jié)果得出：對(duì)于UGR1、UGR2來(lái)說(shuō)，B因素的P值均小于0.01，其影響極為顯著，故B因素為關(guān)鍵影響因素。進(jìn)一步對(duì)其各水平進(jìn)行多重比較，當(dāng)方差不齊時(shí)，可選用Dunnett’s T3檢驗(yàn)[22]，結(jié)果見(jiàn)表9。由此得出：

表8 客室各部位眩光在燈具布置形式下的Welch檢驗(yàn)Table 8 Welch test results of UGR1 and UGR2 in lighting arrangement

表9 燈具布置形式在UGR1、UGR2下的多重比較Table 9 Multiple comparison of lighting arrangement under UGR1 and UGR2

1)對(duì)UGR1：橫向布置與縱向布置下的眩光值有顯著性差異；縱向布置與橫向布置下的眩光值有顯著性差異。

2)對(duì)UGR2：橫向布置與縱向布置下的眩光值有顯著性差異；縱向布置與橫向、混合布置下的眩光值均有顯著性差異；混合布置與縱向布置下的眩光值有顯著性差異。

對(duì)表3仿真結(jié)果選取UGR平均值95%置信區(qū)間的誤差線，建立燈具布置形式水平下的UGR1、UGR2的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 燈具布置形式中各水平對(duì)客室眩光的影響Fig.8 The influence of different levels of arrangement forms of lamps on the passenger cabin glare

結(jié)合多重比較結(jié)果發(fā)現(xiàn)橫向布置形式對(duì)客室眩光有顯著影響且該布置下的客室前、后端部眩光值最小，即乘客視覺(jué)舒適性最好；而縱向布置對(duì)客室眩光無(wú)顯著影響且該布置下的客室前、后端部眩光值最大，即乘客舒適性最差。

4 結(jié)論

基于列車室內(nèi)非均勻眩光、不規(guī)則形狀眩光和反射眩光定量計(jì)算方法，采用正交實(shí)驗(yàn)對(duì)18種燈具設(shè)置方案進(jìn)行了仿真計(jì)算，研究了CRH380B列車二等車廂燈具安裝間距、布置形式、發(fā)光面尺寸三個(gè)因素對(duì)列車客室不舒適眩光的影響。結(jié)論如下：

1)燈具布置形式對(duì)客室不舒適眩光有顯著性影響，而安裝間距、發(fā)光面尺寸對(duì)客室不舒適眩光影響不具有顯著性。

2)燈具布置形式中橫向布置對(duì)應(yīng)的客室不舒適眩光值最小，即乘客視覺(jué)舒適性最好，故在后續(xù)客室照明設(shè)計(jì)中可選用燈具橫向布置形式以減小眩光對(duì)乘客的影響；而縱向布置形式對(duì)應(yīng)的客室不舒適眩光值最大，即乘客視覺(jué)舒適性最差，故應(yīng)避免使用該種布置形式。

3)基于視覺(jué)仿真的客室眩光評(píng)估方法能夠較好地在車輛設(shè)計(jì)階段對(duì)不舒適眩光進(jìn)行量化評(píng)估，實(shí)現(xiàn)對(duì)車廂照明方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能有效地提高車輛照明設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期，節(jié)約車輛照明的研發(fā)成本。

4)本研究為在動(dòng)車組車輛設(shè)計(jì)階段對(duì)客室不舒適眩光量化評(píng)估和照明環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的參考依據(jù)。