大型水面舰船工作舱室光环境设计中的眩光评价

周晓易，周拓阳，邓 野

(中国船舶工业综合技术经济研究院，北京 100081)

引言

随着大型水面舰船武器装备的数字化与集成化发展，工作舱室控制台的显示屏大小各异、种类繁多，导致舱室内光环境变得日益复杂。舱室光环境设计作为人-机-环设计的重要组成部分，对作业人员准确及时地获取态势信息、保证操作效率及减缓视觉疲劳均起到不可忽视的作用。影响工作舱室光环境质量的因素包括照度及照度均匀度、亮度分布、照明稳定性、眩光等，其中眩光是影响光环境质量最主要的因素[1]。造成工作舱室眩光的原因包括灯具发光角度不合理、灯具布置位置未充分考虑台位的设置、舱室高度过低等。如何对眩光进行科学评估是评判工作舱室光环境设计质量的前提条件之一，对于指导大型水面舰船工作舱室光环境设计具有重要意义。

眩光是一种产生不舒适感，或降低观看主要目标的能力，或两者兼有的不良视觉环境。一般由视野中不适宜的亮度分布、悬殊的亮度对比引起。国际照明委员会(CIE)对眩光作如下定义：由于光亮度的分布或范围不适当，或对比度太强，引起不舒适感或分辨细节物体能力减弱的视觉条件。根据对视觉影响程度的不同，眩光分为不舒适眩光和失能眩光，其中不舒适眩光是指产生不舒适感但不一定削弱目标可见性的眩光[2]，即心理眩光。失能眩光是指在视野内使人的视觉功能在一定程度上受损的眩光。失能眩光主要发生在室外照明环境中，如大型体育场照明，而像舰船工作舱室这种室内照明产生的眩光大多属于不舒适眩光范畴。

1 不舒适眩光评估方法

室内不舒适眩光评估方法的研究有GI(英国眩光指数评价方法)、VCP(美国视觉不舒适概率评价方法)、亮度限制曲线评价方法、CGI(CIE眩光指数法)及UGR(统一眩光值评价方法)等五种眩光评估方法。这些方法中除亮度限制曲线评价方法外均采用一个基本相似的公式计算出一组照明设施所产生眩光的不舒适感受。这些公式虽然各不相同，但是对于一个单独的眩光源来讲，它们均具有下列形式：

(1)

式中：G为眩光感受，Ls为眩光源的亮度；ω为眩光源相对于眼睛所张的立体角；Lb为背景亮度；P为眩光源偏离视线的程度，称作位置指数；a、b、c、d为指数。

每一项的指数在不同的公式中是不同的，但如果眩光源的亮度提高、眩光源的立体角增加、背景亮度降低以及视线对眩光源偏离的减少，均会增加该眩光源的不舒适感觉。

1.1 GI

GI[3]法是英国Petherbridge和Hopkingson在20世纪50年代发展出来的，该评价方法主要是在实验室中由被试对呈现在某一背景亮度前的一个亮斑的视觉舒适程度进行主观评价而来，后来作为英国眩光指数系统被编入英国室内照明规范。

对于单个眩光源而言，该系统的公式为

(2)

式中各符号的意义与式(1)相同，但是其背景亮度中不包含眩光源自身的亮度。

对于若干个眩光源的综合作用，GI法是用下列公式将各个灯具的影响综合起来：

GI=10log10(0.5∑G)

(3)

GI的数值在10～30之间，其中10表示感觉不到眩光，30表示感觉到非常不舒适的眩光。

1.2 VCP

VCP[4]法是20世纪60年代北美照明工程学会(IESNA)根据Guth的工作提出来的。

该评价方法对于单个眩光源的公式为

(4)

式中：Q=(20.4ω+1.52ω0.2-0.075)；F=视野(包括眩光源)的平均亮度；其余符号与式(1)中意义一致。

对于多个眩光源产生的眩光感觉，是用式(5)将它们综合起来形成不舒适眩光评价(DGR)：

DGR=(∑Mn)a

(5)

式中a=n-0.0914；n=眩光源的数量。

再将DGR转换成VCP，所谓VCP(视觉舒适概率)即有百分之几的人认为可以接受DGR所代表的眩光条件。为便于将DGR转换成VCP，IESNA提供了一个图表供设计人员使用[5]。

一般来说，当VCP>70时，就表示一致认为不会出现不舒适眩光。

1.3 亮度限制曲线评价方法

英国GI眩光指数评价方法和美国VCP视觉不舒适概率评价方法对于照明场景中多个眩光源对人视觉的影响均通过将单个眩光源的眩光感受累加而来，有部分学者对此做法感到并不满意[5]。

德国Bodmann等用1/3比例的办公室模型，以不同类型配光的荧光灯灯具进行眩光评价实验。实验采用了7级量表来评价眩光不舒适的程度，其中：0级为无眩光，1级为介于不存在眩光至不显著眩光之间，2级为显著眩光，3级为介于显著眩光至讨厌眩光之间，4级为讨厌眩光，5级为介于讨厌至不能忍受的眩光之间，6级为不能忍受的眩光。他们在评价实验中发现，只有灯具亮度、房间长度和灯具的悬挂高度、适应亮度及灯具的类型五个因素显著地影响眩光评价结果。后来，经过Sollner和Fisher[6]的工作发展，建立了欧洲眩光限制曲线系统，CIE将它作为眩光评价的暂行推荐方法。

虽然亮度限制曲线评价方法在发展的过程中使用真正的灯具，并由人来进行评价。但是该方法具有现实的缺点，它只能预测由照明灯具产生的不舒适眩光，而GI眩光指数评价方法和VCP视觉不舒适概率评价方法能够同时预测灯具及室内表面反射率的改变对眩光产生的影响。

1.4 CGI

CIE眩光指数法[7]是基于Einhorn提出的眩光评价模型发展形成的。

Einhorn提出的公式原型为：

(6)

式中：CGI为CIE眩光指数；L为眩光源的亮度；ω为眩光源相对于眼睛所张的立体角；P为Guth位置指数；Ed为眼睛中所有光源的直接垂直照度；Ei为眼睛中的间接照度。

由于式(6)计算所得的眩光指数值范围与英国眩光指数法和南非眩光指数法计算所得的数值范围相差较大，为保持一定的参考性，在CIE第19届会议上，Einhorn根据讨论的结果，将公式调整为

(7)

由此，CGI的范围变为10～30，与英国眩光指数和南非眩光指数的范围基本一致。

1.5 UGR

1987年，Sorensen在Einhorn的CGI基础上提出了UGR统一眩光值评价方法，计算公式如下：

(8)

式中UGR为统一眩光值，其余符号意义与式(1)一致。

UGR统一眩光值评估公式输出的是一个能预测视觉环境中光源引起的主观不舒适感受的心理参量[8]。其实际值的范围介于10～30之间，其中UGR<10被认为无明显的眩光感觉[9]。

但是在实际使用过程中发现该评价方法在评价不同大小光源眩光时的结果与眩光主观感受之间存在轻微的差异，主要体现在当评估较大光源的眩光时UGR值偏低，而对于较小的光源UGR值则会偏高。文献[10]中定义了一般光源为投影面积介于0.005～1.5 m2的光源，将小光源定义为投影面积小于0.005 m2(相当于直径为80 mm的圆)的光源，将大光源定义为投影面积大于1.5 m2的光源。研究表明式(8)适用于评价投影面积介于0.005～1.5 m2之间一般光源的眩光，因此，针对其他尺寸大小的光源的UGR眩光指数计算公式需在式(8)的基础上做略微调整。

1)小光源的眩光评价。德国Karlsruhe大学和南非Cape Town大学的研究结果表明，小光源产生的眩光使用光强和投影面积代替亮度和立体角来计算UGR值更为准确，即将UGR公式修正为：

(9)

式中：I为光源在眼睛方向的光强，r为光源离眼睛的距离，其余参数同式(1)。

2)大光源的眩光评价。对于发光顶棚大光源的眩光评价，可采用Hopkingson建议的较为简单的规则，即：

若要求UGR≤13，则平均照度需≤300 lx；

若要求UGR≤16，则平均照度需≤600 lx；

若要求UGR≤19，则平均照度需≤1 000 lx；

若要求UGR≤22，则平均照度需≤1 600 lx。

对于发光顶棚与一般灯具之间的过渡灯具，为了区别一般光源的UGR，这里采用GGR，公式如下：

(10)

GGR的值(用于大光源)提供的评价与UGR的值(用于一般光源)相同。例如GGR=21预计的眩光感觉与UGR=21的眩光感觉是一致的。

Akashi[11]通过被试主观评价实验研究得到UGR指数与眩光的主观不舒适感受之间的相关系数达到0.89，因此该公式被认为是目前为止评估效果最理想的室内不舒适眩光的评估模型。

GB 50034—2013《建筑照明设计标准》已明确采用UGR指数法对各种不同功能的室内环境进行不舒适眩光等级的规定。同时，标准提出统一眩光值(UGR)的应用条件应符合下列规定[12]：

1)适用于立方体形式室内空间的一般照明，不适用于采用间接照明和发光天棚的房间；

2)照明光源应为双对称配光；

3)坐姿观测者眼点高度取1.2 m，站姿观测者眼点高度取1.5 m；

4)同一类照明灯具为均匀布置。

2 工作舱室眩光评价模型

2.1 大型水面舰船工作舱室光环境特点

大型水面舰船工作舱室内的发光源主要包括舱顶照明灯具、显示大屏、控制台屏幕、内带光源的按钮、各类指示灯等。由于舰船工作舱室空间有限，舱顶有效高度一般为距离地板面2 m左右，因此，照明灯具、带光按钮、指示灯等光源易直射进入作业人员的视野范围，在亮度对比过大时造成直射眩光现象，如图 1(a)所示；随着电子信息技术的发展，目前舰船装备均以电子化为主，电子显示屏、指示灯等成为作业人员与装备之间的主要人机界面。照明灯具光源经各类显示屏表面反射，易进入作业人员的视野范围，从而造成反射眩光现象，如图1(b)所示；此外，作业人员视野范围内会同时存在直射眩光与反射眩光两种眩光，如图 1(c)所示。

图1 大型水面舰船典型工作舱室眩光Fig.1 Glare in typical working cabin of large surface warship

由图1可知，大型水面舰船典型工作舱室光环境的特点可总结如下：

1)工作舱室一般为立方体封闭空间，照明方式为直接照明；

2)照明灯具一般包括日光灯与局部照明灯，均为均匀布置，光源均属于双对称配光形式；

3)眩光种类不单一，通常直射眩光与反射眩光同时存在于作业人员的观察视野范围内；

4)眩光来源途径较多，通常包括各种照明灯具、显示屏、按钮、指示灯等；

5)单个眩光的面积较小，照明灯具、显示屏光源通常投影面积介于0.005～1.5 m2之间，属一般光源范畴，发光按钮、指示灯通常投影面积小于0.005 m2，属小光源范畴。

工作舱室作业人员主要采用坐姿操作，根据GJB/Z 131—2002《军事装备和设施的人机工程设计手册》中我国作业人员身体尺寸数据，第五十百分位作业人员的坐姿眼高为1 249.4 mm[13]。

综上所述，对于大型水面舰船工作舱室存在的眩光，符合UGR统一眩光值评价方法的应用条件，因此可采用UGR进行眩光计算评价。

2.2 大型水面舰船工作舱室眩光评价模型建立

大型水面舰船工作舱室光环境较为复杂，眩光源的形状及大小各不相同，眩光源的数量往往也不唯一。若仅仅把这些眩光源归为一般光源或小光源进行计算评价，所得结果将会出现较大偏差。从2.1节典型工作舱室光环境特点来看，舱室内可能产生的单个眩光源尺寸绝大多数应属于一般光源或小光源定义的范畴。因此，考虑这些不同大小眩光源对作业人员视觉的综合影响，建立大型水面舰船工作舱室眩光UGR评价模型如下：

(11)

式中：m为一般光源总数；n为小光源总数；Lb为背景亮度；Li为第i个一般光源的亮度；ωi为第i个一般光源的立体角；Pi为第i个一般光源的位置指数；Ij为第j个小光源在眼睛方向的光强，rj为第j个小光源离眼睛的距离；Pj为第j个小光源的位置指数。

3 案例计算

对于处于设计初期的工作舱室，进行眩光评估相关参数的采集需依赖实物模型进行，大大增加了研制的风险和周期，因此，通过计算机视觉仿真的方法可有效避免上述问题。目前，眩光评估问题已在汽车驾驶人机交互、飞机座舱人机界面设计中引起了学者的关注，视觉仿真方法也已在这些领域得到了初步的应用[14,15]。本文将采用基于CATIA平台的SPEOS软件进行视觉仿真，并获取眩光评价所需的参数。

3.1 照明眩光场景构建

以日光灯与局部照明灯两种照明环境(两种灯具均为常用舰船舱室用灯)，在SPEOS仿真环境中构建典型照明场景，如图2所示。

图2 典型照明场景示意图Fig.2 Schematic diagram of typical lighting scene

场景中，所有照明灯具均为垂直向下照射，发光面距离地板均为2 000 mm。LED日光灯与局部照明灯具的参数如表1所示。

表1 舱室照明灯具参数列表Table 1 Parameters of cabin lights

在模型中，通过增加灯具、平移灯具的方式构造六种不同的照明眩光场景，如图3所示。从作业人员操作任务的角度而言，并非在所有位置产生的眩光都会对作业人员视觉的舒适性产生影响，应从作业人员坐姿操作时的眼点位置出发对其视野范围内产生的眩光进行计算评价。

图3 六种不同眩光场景设置示意图Fig.3 Schematic diagram of six different glare scene settings

基于P50作业人员的眼点位置，上述6种眩光场景的视觉仿真如图4所示。

图4 6种眩光场景视觉仿真图Fig.4 Visual simulation of six glare scenes

3.2 参数获取

通过SPEOS软件运算并输出.XMP文件，该文件记录了仿真图像及其每一个像素点的坐标、亮度、照度等光度学信息并具备一定的统计功能，以场景1为例，关键参数获取如图5所示。

图5 场景1 SPEOS运算得到的.XMP文件截图Fig.5 XMP file screenshots obtained by SPEOS operation for scene 1

UGR眩光值计算步骤如下：

1)采用.XMP文件自带的自定义选取区域功能，统计计算视野范围的平均亮度，这里选取视野范围内平均亮度值的4倍作为眩光源判定的阈值[16]，判定视野内较亮光斑是否为眩光源；

2)根据.XMP文件提供的眩光源的坐标信息，计算眩光的投影面积、位置指数、立体角等参数；

3)根据计算得到的眩光投影面积大小，选择相应的计算公式；

4)采用.XMP文件自带的自定义选取区域功能，计算眩光源、背景区域的平均亮度、眼位处照度等参数；

5)采用.XMP文件自带的GetDepth功能采集眩光源几何中心到作业人员眼点的距离；

6)累加所有视野范围内的眩光源的影响，综合计算可得该照明场景下的UGR值。

其中，式(11)中的Lb、Li、rj可直接从.XMP文件中统计读取，ωi、Ij、Pi、Pj可通过以下公式进行计算。

1)一般光源立体角ωi。对于任意曲面，立体角可用如下公式计算：

(12)

这里选取眩光源几何中心与作业人员眼点连线的法平面上的投影面积，将式(12)简化为

(13)

其中：AP为眩光源几何中心与作业人员眼点连线的法平面上的投影面积；r为眩光源中心到人眼的距离。

2)小光源发光强度Ij。根据平方反比定律，光强与照度具有如下关系：

(14)

其中，I为反射光源的发光强度；E为光源在人眼处的照度；r为眩光源中心到人眼的距离。据此采集光源在作业人员眼点上照度再换算成发光强度。光源在人眼处的照度E可直接从.XMP文件中统计读取。

3)光源位置指数。采用基于Luchiesh和Guth研究的位置指数，其表达形式有很多，如位置指数表、以人眼与光源之间夹角作为变量的位置指数表达式等。这里采用方便计算机运算的一种位置指数表达式[7]：

(15)

图6 Guth位置指数表达式的坐标定义Fig.6 Guth coordinate definition of position index expression

通过三维作图可直接得X、Y、Z，从而计算得到光源位置指数P。

3.3 计算结果

基于上述参数获取方法，计算可得6种照明眩光场景下的UGR值，结果如表2所示。

表2 UGR值计算结果列表Table 2 UGR calculations results

4 评价方法验证

4.1 验证实验平台

为了验证采用视觉仿真方法评估大型水面舰船工作舱室眩光的可行性，选取中国船舶工业综合技术经济研究院舰船人因工程实验室搭建的某系统半实物仿真平台舱室作为验证实验平台。该平台的控制台为目前大型水面舰船工作舱室常用的典型工作台，照明灯具为LED亮度可调式日光灯及亮度色温可调式局部照明灯，灯具的布置位置及悬挂高度可自由调节。

4.2 验证实验

验证实验采用的照明方案与第3节中的场景一致，实验前，将灯具按照表 1进行参数调节并通过柔性调节装置调整灯具与控制台之间的相对位置。

实验共选取12名被试，均为男性，年龄分布在24～32岁，身高在165～180 cm范围内。实验开始前，不同身高的被试就坐在控制台前并调整座椅面高度，使其眼点位置位于地面上方约1.25 m，控制台前沿后方约0.10 m处，视线保持为垂直控制台屏幕表面。首先让被试对每种照明方案进行三分钟的适应过程，使其主观感觉趋于稳定，然后根据该照明方案所引起的眩光感觉填写主观眩光评价量表。

主观评价量表采用0～7级，并在文献[11]中提到的相关实验研究得出的主观眩光感觉与UGR指数对应关系的基础上调整了主观感觉描述的表述方式，使各等级之间具有更好的区分度，主观感觉等级与UGR指数值的关系如表 3所示。

表3 主观感觉等级与UGR指数关系Table 3 Subjective sensory level and UGR index relationship

4.3 评价结果对比分析

通过实验收集的每位被试对6种照明方案的主观眩光感觉所对应的UGR评分、每种方案的被试评价对应UGR平均值以及借助计算机仿真方法计算获得的眩光评估UGR值如表 4所示。两种方法的评估结果趋势对比如图 7所示，可以看出主观实验得到的UGR平均值和仿真方法获得的UGR值大小相近，且随着照明方案的不同，通过以上两种方式获得的UGR值变化趋势也基本相同。

表4 实验评估及仿真计算UGR值Table 4 UGR of experimental evaluation and simulation

图7 实验与仿真方法眩光评估结果趋势对比Fig.7 Comparison of glare assessment results by experiment and simulation methods

采用SPSS对实验采集的主观眩光感觉与仿真方法计算的眩光评估结果进行线性回归分析，模型汇总如表 5所示，回归直线与回归方程如图 8所示。回归模型的拟合优度R2为0.962，表明仿真方法计算的眩光评估结果与主观眩光感觉之间具有较好的线性相关性。表6给出了方差分析结果，回归模型的F统计值为102.945，显著性系数为0.001<0.05，进一步证明仿真方法所得结果与主观评价之间的线性关系显著，即该方法能够有效地反映主观眩光感觉，从而证明本文提出的基于视觉仿真方法的大型水面舰船工作舱室照明眩光评估方法可行。

图8 实验与仿真方法眩光评估结果Fig.8 Results of glare evaluation by experimental and simulation methods

表5 模型汇总Table 5 Summary of models

表6 方差分析结果Table 6 Result of variance analysis

5 结论

本文对现有不舒适眩光常用评价方法进行了汇总，并结合大型水面舰船工作舱室的光环境特点提出了最适用的眩光评价方法，即一种基于UGR眩光评估公式与小光源UGR修正公式的眩光评估模型。为验证眩光评价方法的可行性，本文选取了6种工作舱室典型照明场景，分别通过视觉仿真获取关键参数计算UGR值的方法与被试主观感受实验的方法进行了对比分析，结果表明本文提出的眩光评价方法能够有效地反映工作舱室人的主观眩光感觉。该方法可用于设计阶段的大型水面舰船工作舱室照明眩光评价，从而为舱室光环境人因工程设计提供指导。