动车组客室灯具设置对眩光的影响

李彦洁，方卫宁，沈 鹏

(北京交通大学，轨道交通控制与安全国家重点实验室，北京 100044)

引言

动车组客室照明作为列车室内环境的重要组成部分，对改善运输服务质量、提升乘客舒适感和满意度有着十分重要的影响。列车客室照明设计旨在营造良好的照明环境以提高乘客视觉舒适性。因此探讨客室灯具设置对眩光的影响对进一步优化客室照明设计有着十分重要的意义。

目前国内对列车室内眩光研究大多集中在驾驶室且与驾驶员性能或任务相联系[1,2]，对客室不舒适眩光的成因研究较少涉及。列车客室照明有其自身的独特性和复杂性，文献[3]中提出室内不舒适眩光对人有负面影响，会降低用户舒适性和满意度。虽然章勇和徐伯初[4]曾提出列车内室要善用灯光避免乘客产生视觉不适，但对如何通过灯具设置营造良好的灯光效果以提高乘客视觉舒适性的研究较少。

为探讨灯具设置列车客室眩光的影响，本文利用CATIA/SPEOS光学仿真软件，基于视觉仿真技术对CRH380B动车组列车二等车厢室内照明眩光环境进行仿真模拟，为后续动车组客室光环境优化设计提供理论依据和技术支撑。

1 列车客室眩光及评价方法

1.1 客室眩光影响因素

眩光包括不舒适眩光和失能眩光[5]。不舒适眩光指观察者看到高亮度光源时产生的不舒适或厌烦的感觉，故又被称为“心理眩光”，它不会损害人的视觉功能，但会让人产生生理和心理的不舒适感[6]。列车客室眩光属于不舒适眩光，会严重影响乘客的乘车体验，故不舒适眩光是列车照明设计中需要考虑的一个重要指标。

列车客室眩光影响因素主要包括：照明方式、灯具数量、遮光角、发光面尺寸、布置形式以及灯具光源本身光参数(如亮度、光谱等)、背景亮度等。现有动车组列车客室中的LED灯具提供了整个车厢内部的照明环境，其照明效果的好坏直接影响乘客的视觉满意度。故本文以CRH380B动车组二等车厢顶部LED灯带为研究对象，探讨灯具布置形式、安装间距和发光面尺寸这三种影响因子对列车客室不舒适眩光的影响规律。

1.2 基于视觉仿真的眩光评价方法

传统眩光评价往往是在物理样机或实物出来以后进行测量评估，不但成本高、周期长，而且无法模拟列车客室的视觉环境。目前视觉仿真技术的发展为设计阶段的眩光评估提供了可能，文献[11]中提出利用视觉仿真在产品设计阶段进行分析，可以节约成本，避免后期设计反复。

视觉仿真是根据眼点位置建立人眼探测器，利用逆向光线追踪，从眼点位置对应屏幕的像素点分别射出的一条光线，后被模型中不同光学属性物体表面吸收、反射或投射，被反射或投射后的光线重复上述过程直至达到设定的次数或者射出模型，该过程终止，将该过程中获取的光学信息计算并返回对应像素点的亮度等参数值[12]。

本文采用ANSYS公司的SPEOS光学仿真软件，该软件通过了CIE 171—2006 照明计算机仿真程序计算精度测试[13]，有研究表明SPEOS软件仿真精度高出其他仿真软件10%[14]，因此采用视觉仿真方法对列车客室眩光进行评估是可行的。

统一眩光值(UGR)是用于预测视野范围内由光源引起的主观不舒适感的眩光评估模型，Akashi等[10]通过实验得出UGR计算结果与主观评价结果的相关性高达0.89。但该模型在评估眩光源大小上有一定的适用范围，当眩光源较大时UGR值偏低，而眩光源较小时则会偏高。动车组客室照明环境复杂，眩光源形状大小、数量各不相同，如果仅仅把这些眩光源归为一般光源或小光源进行计算评估，所得到的结果将会出现较大偏差。

詹自翔等[15]提出了适用于评估室内非均匀眩光、不规则形状眩光和反射眩光列车客室不舒适眩光评估模型如下：

(1)

式中：Lb为背景亮度，Li为第i个一般光源亮度，ωi为第i个一般光源的立体角，Pi为第i个一般光源位置指数，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个小光源位置指数，m为指一般光源的总数，n为小光源总数。其眩光评估流程如图1所示。本文采用其眩光评估方法进行列车客室眩光评估。

图1 客室眩光计算流程Fig.1 Calculation flow of glare in the passenger cabin

2 仿真实验设计

2.1 实验场景

实验选取CRH380B动车组列车二等车厢客室为研究对象，该车厢内乘客坐席区采用“3+2”座位布置方式，定员为80人，如图2所示。

图2 CRH380B二等车厢Fig.2 CRH380B second-class

该列车客室照明分为两个部分：主体照明和通过台照明，其中主体照明包含四种条形LED灯照明模块；通过台照明灯具类型为射灯。灯具照明参数详见表1。

表1 客室灯具照明参数Table 1 Lighting parameters of lamps in the passenger cabin

2.2 变量设置

1)灯具布置形式。通过对比国内外比较典型的动车组列车客室灯具的布局，梳理发现动车组列车客室的灯具布置主要有三种形式：采用两条灯具二位对称或整条灯具纵向布置；横向均匀布置和采用纵横交错的灯具布置。三种布置方式的实际应用效果见图3。故选取这三种布置形式进行眩光分析。

图3 三种常见客室灯具布置形式Fig.3 Three kinds of common arrangement forms of lamps in Home and Abroad

2)安装间距。眩光产生原因与其安装位置有关[16]。因此，计算眩光时需要考虑安装间距。

灯具安装间距需满足一定的距高比，GB/T 29293[17]给出了距高比的计算方法，即式(2)，一般来讲，仅对公式修正至0.1。

(2)

式中S为灯具最大允许安装间距，H为工作面计算高度，γ1/2为1/2最大光强时对应的γ角。

按式(2)计算得到列车客室灯具最大安装间距S为3.3 m，而车厢顶板跨度为2 180 mm，所以据实际车厢顶板结构，综合考虑现有灯具布置形式，均匀选取550 mm、670 mm、790 mm、910 mm、1 030 mm、1 150 mm六种间距。

3)发光面尺寸。有研究表明，对于同一眩光源其亮度随着发光面尺寸的增大而增大[18]，因此，计算眩光时，需要考虑灯具的发光面尺寸。

CRH380动车组列车客室灯具尺寸多样，为了方便控制变量、简化模型，忽略灯具厚度，选取长度固定值为2 m的灯具，仅通过改变灯具宽度控制发光面尺寸来分析其对列车客室眩光的影响，根据实际车体安装情况，本文均匀选取56 mm、108 mm、200 mm三种灯具宽度。

4)列车客室眩光。CIE 117[19]中规定了常规采用均匀座位阵列的照明“最坏情况”，即对于设施整齐、规律、同向摆放的室内环境，其两个墙面中心离地面高度1.2 m处(坐姿观察者眼高通常为1.2 m)不舒适眩光感最强。如图4(a)、(b)所示；CRH380B列车座椅为纵向布置，方向统一，从理论上看，列车客室眩光感最大位置为左右墙或前后墙中心点，即图4(c)、(d)所示位置，距离地面1.2 m处。

图4 标准中最大眩光值位置图Fig.4 Maximum glare location map in standard

但是对于图4(c)、(d)视点，若采用上述位置为眩光测量位置，由于座椅遮挡，其计算的眩光值将与无遮挡条件下的眩光值有较大偏差；图4(d)视点所对应区域与乘客实际视野范围不符。因此本文选取客室前后端图4(c)视点对应位置，以第5th女性和第95th男性站姿时人眼高度作为眩光测量点的高度尺寸，确定该范围为乘客视野内的最坏视觉条件范围进行眩光计算，该范围基本涵盖了列车客室绝大部分乘客视线内最糟糕的眩光情况。

2.3 实验设计

本文采用正交实验，选取Minitab中的田口设计完成混合正交设计表[L18(16×23)]，详见表2。为保证仿真实验精确可靠，每次仿真实验需保证其他干扰因素(如灯具安装高度、灯具数量等的影响)保持不变，分别对18种布局方案进行计算，共需进行仿真72次。

表2 各影响因素正交实验表Table 2 Orthogonal experiments table

2.4 实验步骤

实验在CATIA/SPEOS仿真平台上完成。CRH380B列车二等车厢客室仿真模型如图5所示；根据GB/T 10000[20]以及GB/T 12985[21]确定人体尺寸选取范围和功能修正值，确定乘客站姿眼点的位置；实验流程如图6所示。图7为方案10仿真结果，表3为仿真结果汇总。

图5 CRH380B列车二等车厢三维模型Fig.5 Three-dimensional model of second-class passenger cabin of CRH380B EMU train

图6 仿真实验流程Fig.6 Flow chart of simulation experiment

表3 18种布局方案仿真结果汇总表Table 3 Summary table of the 18 kinds of simulation results

图7 部分仿真结果示意图Fig.7 Schematic diagram of partial simulation results

3 数据分析

3.1 仿真结果极差(直观)分析

表4 列车客室前端部UGR1极差分析结果Table 4 Range analysis results of UGR1 at the front of the compartment

表5 列车客室后端部UGR2极差分析结果Table 5 Range analysis results of UGR2 at the back end of the cabin

3.2 仿真结果方差分析

为了进一步研究各因素对客室眩光的影响显著性，以确定关键影响因素，采用方差分析法对实验数据进行处理。由SPSS.22软件采用Levene检验数据间的方差齐性分析结果见表6，由此得出UGR1、UGR2在A、C因素下的Levene检验显示P值均大于0.05，不能拒绝方差齐性假设，均满足方差分析的条件。

表6 UGR1、UGR2在各因素下的方差齐性检验结果Table 6 Test results of homogeneity of variance for UGR1 and UGR2

对A、C因素数据进行方差分析，方差分析结果见表7，由表7可以看出：

表7 客室前、后端部在A、C因素下的方差分析结果Table 7 ANOVA analysis results of UGR1 and UGR2 under A and C factors

1)A因素对UGR1、UGR2的方差结果显示各水平间的结果无差异(P>0.05)，其影响不具有显著性。

2)C因素对UGR1、UGR2的方差结果显示各水平间的结果无差异(P>0.05)，其影响不具有显著性。

针对拒绝方差齐性假设的B因素相关数据，本文采用Welch检验进行分析，见表8。结果得出：对于UGR1、UGR2来说，B因素的P值均小于0.01，其影响极为显著，故B因素为关键影响因素。进一步对其各水平进行多重比较，当方差不齐时，可选用Dunnett’s T3检验[22]，结果见表9。由此得出：

表8 客室各部位眩光在灯具布置形式下的Welch检验Table 8 Welch test results of UGR1 and UGR2 in lighting arrangement

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

1)对UGR1：横向布置与纵向布置下的眩光值有显著性差异；纵向布置与横向布置下的眩光值有显著性差异。

2)对UGR2：横向布置与纵向布置下的眩光值有显著性差异；纵向布置与横向、混合布置下的眩光值均有显著性差异；混合布置与纵向布置下的眩光值有显著性差异。

对表3仿真结果选取UGR平均值95%置信区间的误差线，建立灯具布置形式水平下的UGR1、UGR2的描述性统计结果见图8。

图8 灯具布置形式中各水平对客室眩光的影响Fig.8 The influence of different levels of arrangement forms of lamps on the passenger cabin glare

结合多重比较结果发现横向布置形式对客室眩光有显著影响且该布置下的客室前、后端部眩光值最小，即乘客视觉舒适性最好；而纵向布置对客室眩光无显著影响且该布置下的客室前、后端部眩光值最大，即乘客舒适性最差。

4 结论

基于列车室内非均匀眩光、不规则形状眩光和反射眩光定量计算方法，采用正交实验对18种灯具设置方案进行了仿真计算，研究了CRH380B列车二等车厢灯具安装间距、布置形式、发光面尺寸三个因素对列车客室不舒适眩光的影响。结论如下：

1)灯具布置形式对客室不舒适眩光有显著性影响，而安装间距、发光面尺寸对客室不舒适眩光影响不具有显著性。

2)灯具布置形式中横向布置对应的客室不舒适眩光值最小，即乘客视觉舒适性最好，故在后续客室照明设计中可选用灯具横向布置形式以减小眩光对乘客的影响；而纵向布置形式对应的客室不舒适眩光值最大，即乘客视觉舒适性最差，故应避免使用该种布置形式。

3)基于视觉仿真的客室眩光评估方法能够较好地在车辆设计阶段对不舒适眩光进行量化评估，实现对车厢照明方案的优化设计，能有效地提高车辆照明设计效率，缩短设计周期，节约车辆照明的研发成本。

4)本研究为在动车组车辆设计阶段对客室不舒适眩光量化评估和照明环境优化设计提供了重要的参考依据。