動車組列車司機(jī)室照明反射眩光分析及照明方案設(shè)計

谷緒地，方衛(wèi)寧, 李東波, 王紅瑀

(1.中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北 唐山 063035；2.北京交通大學(xué)軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京 100044)

動車組列車司機(jī)室照明反射眩光分析及照明方案設(shè)計

谷緒地1，方衛(wèi)寧2, 李東波1, 王紅瑀2

(1.中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北 唐山 063035；2.北京交通大學(xué)軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京 100044)

動車組列車司機(jī)室照明環(huán)境對于保障列車司機(jī)視覺作業(yè)有著不容忽視的作用，反射眩光是影響司機(jī)室照明質(zhì)量的主要因素之一。司機(jī)室內(nèi)照明燈具選用不當(dāng)、不合理的照明布置方案與內(nèi)飾設(shè)計方案以及不合適的司機(jī)室空間布局方案，會引起司機(jī)室內(nèi)出現(xiàn)反射眩光，進(jìn)而影響行車安全。本文采用視覺仿真方法，利用視覺仿真模擬軟件平臺，以視光學(xué)理論與光線追蹤算法為理論基礎(chǔ)，搭建能夠模擬人眼真實視覺感受的司機(jī)室視覺仿真模型，獲得照明環(huán)境下司機(jī)室反射眩光參數(shù)，通過調(diào)整司機(jī)室燈具數(shù)量、布置位置，或選擇合適的燈具，有效控制司機(jī)室內(nèi)眩光對司機(jī)駕駛作業(yè)的影響。

司機(jī)室照明；反射眩光；照明方案設(shè)計

引言

現(xiàn)代動車組列車司機(jī)室內(nèi)綜合顯示器以及其它發(fā)光顯示器件的大量使用，使得司機(jī)室內(nèi)部的光環(huán)境變得錯綜復(fù)雜，不合理的照明燈具布置設(shè)計易在列車司機(jī)室前窗玻璃和操縱臺顯示屏幕等部位產(chǎn)生反射眩光。這將影響司機(jī)獲取有效的行車信息和實施正確無誤的駕駛操作，隨著列車運(yùn)行速度的不斷提高，眩光將成為關(guān)系到行車安全和駕駛者視覺疲勞等重要指標(biāo)。

采用傳統(tǒng)的基于數(shù)字樣機(jī)與工程樣機(jī)相結(jié)合的方法，不但成本高、周期長，而且無法模擬司機(jī)室內(nèi)司機(jī)的視覺環(huán)境。本文采用當(dāng)前視覺仿真模擬的最新研究成果，基于人眼視覺效果對動車組司機(jī)室內(nèi)視覺環(huán)境進(jìn)行了仿真模擬，在所搭建的仿真模型基礎(chǔ)上，研究了照明布局設(shè)計對司機(jī)室反射眩光影響，給出了優(yōu)化布局方案，對于動車組司機(jī)室內(nèi)光環(huán)境人因工效設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

1 司機(jī)室視覺仿真方法

目前，動車組列車司機(jī)室視覺仿真方法主要是在研究司機(jī)室內(nèi)光學(xué)環(huán)境的基礎(chǔ)上，以視光學(xué)理論以及相應(yīng)算法為基礎(chǔ)，利用視覺仿真模擬系統(tǒng)(如SPEOS)，搭建能夠模擬人眼真實視覺感受的司機(jī)室視覺仿真模型，進(jìn)行基于人眼真實感受的視覺仿真。

SPEOS視覺仿真模擬系統(tǒng)通過了CIE 171—2006照明計算機(jī)仿真程序計算精度測試，仿真工況與實際工況的吻合度大于90%。筆者在文獻(xiàn)[8]中對SPEOS仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，通過回歸分析，F(xiàn)統(tǒng)計值為72.568，顯著性系數(shù)為0.000<0.05，仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)之間線性關(guān)系顯著，因此采用SPEOS視覺仿真系統(tǒng)具有良好的可信度。視覺仿真的基本流程包括[1]：

STEP1：利用司機(jī)室三維數(shù)字模型，按照仿真軟件平臺(SPEOS)的具體要求對模型進(jìn)行更改，構(gòu)建幾何模型；

STEP2：添加司機(jī)室內(nèi)外光源，并按照軟件平臺的要求定義光源參數(shù)；

STEP3：通過材質(zhì)庫或?qū)嵨餃y量等方法，定義司機(jī)室內(nèi)飾材質(zhì)的屬性；

STEP4：依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)定義司機(jī)參考眼位，構(gòu)建視覺探測器；

STEP5：啟動逆向仿真進(jìn)行設(shè)置，得到仿真結(jié)果，進(jìn)行實時分析。

對于時速160 km/h城際動車組列車司機(jī)室結(jié)構(gòu)模型，需在數(shù)字樣機(jī)的基礎(chǔ)上，根據(jù)GB/T 5914確定司機(jī)眼點，以及GB/T 6769所規(guī)定司機(jī)人體尺寸與相應(yīng)的司機(jī)室尺寸設(shè)計要求，確定司機(jī)室內(nèi)布局，搭建操縱臺、顯示面板、儀表板、左右柜體模型，確定其位置尺寸以及布置參數(shù)，完成司機(jī)室?guī)缀谓＃鐖D1所示。

圖1 時速160 km/h城際列車司機(jī)室模型Fig.1 The model of 160 km/h EMU driver’s cab

在時速160 km/h城際動車組列車司機(jī)室內(nèi)光源包括4個照明方燈，其光通量262.41lm，配光曲線如圖 2所示；操縱臺上的主要光源包括三塊最大發(fā)光亮度為400 cd/m2，對比度400∶1的液晶顯示屏以及一塊直徑90 mm、指針亮度13 cd/m2、表盤亮度4.5 cd/m2的速度表。

圖2 時速160 km/h城際列車司機(jī)室燈具配光曲線Fig.2 The light distribution curve of 160 km/h EMU driver’s cab

在動車組列車司機(jī)室復(fù)雜光照環(huán)境下，不同的內(nèi)飾材質(zhì)會對光線反射路徑與材質(zhì)顯示色彩產(chǎn)生影響，通過專業(yè)設(shè)備采集的BRDF函數(shù)數(shù)據(jù)可獲得材質(zhì)屬性參數(shù)。BRDF函數(shù)是指在一定條件下(例如一定的視角)反射光的輻射亮度和入射光的輻射照度的比值[4]。該函數(shù)由測量數(shù)據(jù)或分析模擬所定義，能完全定義反射表面的光度特征。其幾何關(guān)系如圖3所示[5-6]，dA為反射表面小面元，dγO和dγI為立體角角元，αO和αI分別為反射光線和入射光線的仰角，βO和βI分別為反射光線和入射光線的方位角。

圖3 BRDF函數(shù)幾何關(guān)系圖Fig.3 The geometric diagram of BRDF function

BRDF函數(shù)表達(dá)式為[7]

(1)

(2)

(3)

式中：LO為輻射亮度，即沿輻射方向單位面積、單位立體角的輻射通量；EI為輻射照度，即單位面積的輻射通量；dΦ為單位輻射通量。

依據(jù)水平和垂直方向人眼的最大直接視野構(gòu)建司機(jī)視覺探測器模擬司機(jī)視覺效果，其中司機(jī)水平視角為120°，垂直視角為90°，視線保持水平。依據(jù)GB/T5914[2]中定義列車司機(jī)眼點的方法，將第50百分位男性司機(jī)眼點放置于操縱臺腳踏下沿HP點上方1 230mm，操縱臺前沿后方340mm。

通過SPEOS模塊運(yùn)算并輸出XMP文件，該文件包含直觀的司機(jī)視覺仿真圖像以及圖像中每一像素點的基本光度學(xué)信息，司機(jī)視覺仿真結(jié)果如圖 4所示。

圖4 司機(jī)視覺仿真圖像Fig.4 The image of driver visual simulation

2 列車司機(jī)室照明眩光評估模型

司機(jī)室夜間照明環(huán)境存在的眩光主要有顯示屏幕和顯示儀表眩光、室內(nèi)照明燈在顯示屏幕上形成的反射眩光以及遮陽沿在前窗形成的倒影。眩光是影響照明質(zhì)量最主要的因素，它不僅會引起列車駕駛員視覺疲勞，影響司機(jī)的工作舒適感，嚴(yán)重時還會對司機(jī)查看重要的行車信息產(chǎn)生直接影響，甚至造成列車司機(jī)忽略重要信息，從而引發(fā)鐵路事故。

列車司機(jī)室內(nèi)存在的眩光為不舒適眩光，對于不舒適眩光的評估可通過主觀實驗和實際測量的方法進(jìn)行評估，但其面臨的最大問題是無法在設(shè)計初期進(jìn)行評估，而采用仿真方法則可以避免上述問題。

對于不舒適眩光的評價方法有眩光指數(shù)(GI)法、視覺舒適概率(VCP)法、統(tǒng)一眩光等級(UGR)法等。UGR是Unified Glare Rating的簡稱，它由CIE TC3-13于1987年提出的，是對英國GI (Glare Index)眩光指數(shù)的繼續(xù)和發(fā)展。有學(xué)者經(jīng)實驗證實，UGR與主觀評價的相關(guān)系數(shù)是最高的，達(dá)到0.89，因此到目前為止，UGR是預(yù)計室內(nèi)不舒適眩光感覺能得到的最佳方法。

根據(jù)北京交通大學(xué)軌道交通控制與安全國家重點實驗室人因與工效學(xué)課題組在分析列車司機(jī)室照明產(chǎn)生不舒適眩光的特點，結(jié)合UGR眩光評價模型和小光源UGR修正公式提出適用于列車司機(jī)室照明的眩光評價模型[8]，列車司機(jī)室照明眩光評價模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(4)

其中，m為一般光源的總數(shù)；n為小光源的總數(shù)；Li為第i個一般光源的亮度；Lb為背景亮度；ωi為第i個一般光源的立體角；Pi為第i個一般光源的位置指數(shù)；Ij為第j個小光源在眼睛方向的光強(qiáng)，rj為第j個小光源離眼睛的距離；Pj為第j個小光源的位置指數(shù)。

圖5 照明眩光評估程序二次開發(fā)流程Fig.5 The secondary development process of lighting glare evaluation

通過司機(jī)視覺仿真，可以獲得較為直觀的列車司機(jī)室照明環(huán)境下的司機(jī)視覺效果以及仿真結(jié)果中每一像素基本光度信息。為了獲取這些信息作為眩光評估模型計算的參數(shù)值，采用VisualBasic6.0對CATIA及其環(huán)境下的SPEOS光學(xué)仿真分析模塊進(jìn)行二次開發(fā)，實現(xiàn)對列車司機(jī)室照明眩光進(jìn)行評估，圖 5為列車司機(jī)室照明眩光評估程序二次開發(fā)流程。

應(yīng)用仿真計算得到的時速160km/h城際動車組列車司機(jī)室司機(jī)視野范圍內(nèi)照明反射眩光值如圖 6所示。該模型能較好地有效地解決了列車司機(jī)室復(fù)雜照明環(huán)境下眩光評估的問題[8]，它從司機(jī)實際視野范圍出發(fā)，可以對司機(jī)視野看到的所有眩光進(jìn)行總體評價。

圖6 司機(jī)視野范圍內(nèi)照明反射眩光值Fig.6 The lighting reflected glare value of driver visual field

3 動車組列車司機(jī)室照明設(shè)計方案優(yōu)化

動車組列車司機(jī)室主要采用單燈布置和多燈布置兩種形式[9]。采用單燈布置的車型一般選取一只18 W雙管熒光燈，將燈具布置于司機(jī)室頂板的中央位置，燈安裝在頂板內(nèi)部，燈光的投射角度為垂直于司機(jī)室地板，以使整個司機(jī)室獲得較為均勻的照度；采用多燈布置的車型一般選取功率為5W左右的LED射燈，多將燈具布置于司機(jī)室頂板后方，并采取一定的燈光投射角度，以使操縱臺部分能獲取到足夠的照度。

時速160 km/h城際動車組列車司機(jī)室的頂板為平面布置，在進(jìn)行照明燈具布置時燈具應(yīng)布置在同一高度平面內(nèi)。該車型司機(jī)室頂板的橫向尺寸最大為2 730 mm，最小為2 470 mm，可取其平均值2 600 mm作為頂板的橫向距離，頂板的縱向尺寸為2 400 mm，如圖 7所示。

時速160 km/h城際動車組列車司機(jī)室照明方案的優(yōu)化設(shè)計，首先應(yīng)對室內(nèi)照明布置的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范進(jìn)行了解，以確保照明設(shè)計方案的選擇因素具有實際意義。本文參考室內(nèi)照明布置的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范[10-13]，歸納總結(jié)動車組列車司機(jī)室照明設(shè)計方案需滿足以下條件：

1)照明燈具布置應(yīng)滿足工作面照度要求；

2)燈具布置應(yīng)與被布置對象相協(xié)調(diào)，在滿足照度下應(yīng)盡量布置合理、美觀；

3)為了滿足照度均勻的要求，均勻布置的照明燈具不應(yīng)超過其最大距高比。

圖7 司機(jī)室頂板平面圖Fig.7 The sketch of cab roof floor

照明方案設(shè)計選取動車組列車司機(jī)室照明常用光束角的燈具，選取36°、80°、120°三個水平，其對應(yīng)的配光曲線分別如圖 2、圖 8和圖 9所示。

圖8 司機(jī)室燈具配光曲線-80°Fig.8 The light distribution curve -80°

圖9 司機(jī)室燈具配光曲線-120°Fig.9 The light distribution curve -120°

在滿足燈具的最大允許布置間距要求下[14]，結(jié)合研究平臺司機(jī)室頂板的外形結(jié)構(gòu)尺寸，本文在頂板的橫向選取了5個可布置位置、縱向選取3個可布置位置，如圖 10所示。

圖10 照明燈具布置位置的實驗水平確定示意圖Fig.10 Experimental levels of lighting layout position

圖10中設(shè)左下角交點為坐標(biāo)原點，則五個橫向位置坐標(biāo)分別為X1=260 mm，X2=780 mm，X3=1 300 mm，X4=1 820 mm，X5=2 340 mm；三個縱向位置坐標(biāo)分別為Y1=400 mm，Y2=1 200 mm，Y3=2 000 mm。

司機(jī)室若采用單燈布置，一般遵循司機(jī)室頂板居中布置的規(guī)律；若采用多燈布置，由于動車組列車司機(jī)室橫向尺寸大于縱向尺寸，且司機(jī)室基本是左右對稱布置設(shè)計，所以采用左右對稱布置，以使司機(jī)室獲得最大水平的照度。因此，采用不同數(shù)量的照明燈具可形成不同的燈具布置形式，現(xiàn)采用1～5只照明燈具進(jìn)行情況說明，照明布置設(shè)計方案如表 1所示。

照明設(shè)計方案中照明燈具數(shù)量、燈具布置位置以及燈具發(fā)光角度三個影響因子各自所采用的水平如表 2所示。

表1 160 km/h司機(jī)室照明布置設(shè)計方案Table 1 Kinds of lighting layout forms

表2 司機(jī)室照明設(shè)計方案正交設(shè)計水平表Table 2 The Orthogonal design level of lighting design

此照明設(shè)計方案為1因素6水平和2因素3水平的混合正交，若進(jìn)行全面評估需要6×3×3=36個方案。對照標(biāo)準(zhǔn)正交表可以發(fā)現(xiàn)，可以選取正交表L18(16×33)共18組進(jìn)行照明設(shè)計方案評估。表 3為18組照明設(shè)計方案仿真計算所得到的UGR值與司機(jī)室地板照度值。UIC651[15]與GB/T6769[3]中明確規(guī)定列車司機(jī)室照明應(yīng)滿足地板平面30lx的平均照度值。

表3 18組正交方案UGR及地板照度值Table 3 The UGR and illuminance values of floor for 18 lighting designs

續(xù)表3

由表3可知，在滿足地板面照度要求的所有照明布置方案中，方案11為UGR值最低，即反射眩光影響最小的實驗方案，此時燈具數(shù)量為3、燈具縱向布置于距離司機(jī)室后墻約1 200 mm的位置、燈具的發(fā)光角度為36°。最優(yōu)照明布置方案如圖11所示。

圖11 照明布置最優(yōu)方案示意圖Fig.11 Schematic optimal solution of lighting design

4 結(jié)論

針對當(dāng)前評估列車司機(jī)室眩光對人視覺舒適性、功能性的影響還缺乏有效的量化評估指標(biāo)，本文提出的一種基于視覺仿真的列車司機(jī)室照明反射眩光量化評估方法能夠在設(shè)計階段對動車司機(jī)室進(jìn)行眩光量化評估。結(jié)果表明通過該方法得到的眩光量化評估值能夠有效地對照明布置設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化，該方法在動車組列車司機(jī)室照明設(shè)計中具有很好的工程實用價值。

[1] 張存,張煒.飛機(jī)座艙內(nèi)飾視覺仿真方法研究[J].航空計算技術(shù),2009,39(1):89-92.

[2] 機(jī)車司機(jī)室第1 部分：瞭望條件：GB/T 5914.1.2015[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2016.

[3] 機(jī)車司機(jī)室布置規(guī)則:GB/T 6769—2000[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

[4] 林鵬.基于GPU的光線跟蹤及虛擬眼視光學(xué)仿真[D].廈門:廈門大學(xué)計算機(jī)與信息工程學(xué)院,2007.

[5] 魏慶農(nóng),劉建國,江榮熙.雙向反射分布函數(shù)的絕對測量方法[J].光學(xué)學(xué)報,1996,16(10):1425-1430.

[6] 孫成明,張偉,王治樂.雙向反射分布函數(shù)在空間目標(biāo)可見光反射特性建模中的應(yīng)用[J].光學(xué)技術(shù),2008,34(5):750-757.

[7] NICODEMUS E E. Geometrial considerations and nomenclature for reflectance[R].1971.

[8] 詹自翔, 郭北苑, 方衛(wèi)寧. 高速列車駕駛界面設(shè)計中的照明眩光評估[J].機(jī)械工程學(xué)報2016,52(8):170-178.

[9] 周曉易.動車組列車司機(jī)室照明燈具布置對反射眩光的影響[D].北京:北京交通大學(xué),2014.

[10] 船舶照明系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范：Q/SWS 56-010—2007[S]. 2007.

[11] 水力發(fā)電廠照明設(shè)計規(guī)范：NB/T 35008—2013[S]. 北京：中國電力出版社，2013.

[12] 火力發(fā)電廠和變電站照明設(shè)計技術(shù)規(guī)定：DL/T 5390—2014[S]. 北京：中國電力出版社，2015.

[13] 建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：GB 50034—2013[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[14] LED筒燈性能測量方法：GB/T 29293—2012[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

[15] Layout of driver’s cabs in locomotives, railcars, multiple unit trains and driving trailers:UIC 651[S]. 2002.

Analysis of Reflected Glare in EMU Driver’s Cab and Lighting Design

GU Xudi1, FANG Weining2, LI Dongbo1, WANG Hongyu2

(1.CRRCTANGSHANCO.LTD.,Tangshan063035,China;2.StateKeyLabofRailTrafficControl&Safety,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)

EMU driver’s cab lighting environment has the momentous function of ensuring the visual task of the train driver. Reflected glare is one of the main factors affecting the quality of the driver’s cab lighting. Improper selection of lamps, inappropriate lighting and furnishing design, and inappropriate driver’s cab spatial layout generate reflected glare and affect traffic safety. Based on the theory of optometry and ray-tracing algorithm, by using visual simulation software, the driver’s visual simulation environment is set up to simulate the real human visual perception. By adjusting the number of lamps, lamps’ position and the selection of appropriate lamps, the effect of the driver’s cab reflected glare to the driver’s operation can be effectually controlled.

cab lighting; reflected glare; lighting design

國家自然科學(xué)基金——基于任務(wù)的復(fù)雜人機(jī)交互系統(tǒng)操縱適配性度量與優(yōu)化(51575037)

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.01.015