动车组列车司机室照明反射眩光分析及照明方案设计

谷绪地，方卫宁, 李东波, 王红瑀

(1.中车唐山机车车辆有限公司，河北 唐山 063035；2.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)

动车组列车司机室照明反射眩光分析及照明方案设计

谷绪地1，方卫宁2, 李东波1, 王红瑀2

(1.中车唐山机车车辆有限公司，河北 唐山 063035；2.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)

动车组列车司机室照明环境对于保障列车司机视觉作业有着不容忽视的作用，反射眩光是影响司机室照明质量的主要因素之一。司机室内照明灯具选用不当、不合理的照明布置方案与内饰设计方案以及不合适的司机室空间布局方案，会引起司机室内出现反射眩光，进而影响行车安全。本文采用视觉仿真方法，利用视觉仿真模拟软件平台，以视光学理论与光线追踪算法为理论基础，搭建能够模拟人眼真实视觉感受的司机室视觉仿真模型，获得照明环境下司机室反射眩光参数，通过调整司机室灯具数量、布置位置，或选择合适的灯具，有效控制司机室内眩光对司机驾驶作业的影响。

司机室照明；反射眩光；照明方案设计

引言

现代动车组列车司机室内综合显示器以及其它发光显示器件的大量使用，使得司机室内部的光环境变得错综复杂，不合理的照明灯具布置设计易在列车司机室前窗玻璃和操纵台显示屏幕等部位产生反射眩光。这将影响司机获取有效的行车信息和实施正确无误的驾驶操作，随着列车运行速度的不断提高，眩光将成为关系到行车安全和驾驶者视觉疲劳等重要指标。

采用传统的基于数字样机与工程样机相结合的方法，不但成本高、周期长，而且无法模拟司机室内司机的视觉环境。本文采用当前视觉仿真模拟的最新研究成果，基于人眼视觉效果对动车组司机室内视觉环境进行了仿真模拟，在所搭建的仿真模型基础上，研究了照明布局设计对司机室反射眩光影响，给出了优化布局方案，对于动车组司机室内光环境人因工效设计具有一定的指导意义。

1 司机室视觉仿真方法

目前，动车组列车司机室视觉仿真方法主要是在研究司机室内光学环境的基础上，以视光学理论以及相应算法为基础，利用视觉仿真模拟系统(如SPEOS)，搭建能够模拟人眼真实视觉感受的司机室视觉仿真模型，进行基于人眼真实感受的视觉仿真。

SPEOS视觉仿真模拟系统通过了CIE 171—2006照明计算机仿真程序计算精度测试，仿真工况与实际工况的吻合度大于90%。笔者在文献[8]中对SPEOS仿真结果与实验数据进行验证，通过回归分析，F统计值为72.568，显著性系数为0.000<0.05，仿真结果与实验数据之间线性关系显著，因此采用SPEOS视觉仿真系统具有良好的可信度。视觉仿真的基本流程包括[1]：

STEP1：利用司机室三维数字模型，按照仿真软件平台(SPEOS)的具体要求对模型进行更改，构建几何模型；

STEP2：添加司机室内外光源，并按照软件平台的要求定义光源参数；

STEP3：通过材质库或实物测量等方法，定义司机室内饰材质的属性；

STEP4：依据相关标准定义司机参考眼位，构建视觉探测器；

STEP5：启动逆向仿真进行设置，得到仿真结果，进行实时分析。

对于时速160 km/h城际动车组列车司机室结构模型，需在数字样机的基础上，根据GB/T 5914确定司机眼点，以及GB/T 6769所规定司机人体尺寸与相应的司机室尺寸设计要求，确定司机室内布局，搭建操纵台、显示面板、仪表板、左右柜体模型，确定其位置尺寸以及布置参数，完成司机室几何建模，如图1所示。

图1 时速160 km/h城际列车司机室模型Fig.1 The model of 160 km/h EMU driver’s cab

在时速160 km/h城际动车组列车司机室内光源包括4个照明方灯，其光通量262.41lm，配光曲线如图 2所示；操纵台上的主要光源包括三块最大发光亮度为400 cd/m2，对比度400∶1的液晶显示屏以及一块直径90 mm、指针亮度13 cd/m2、表盘亮度4.5 cd/m2的速度表。

图2 时速160 km/h城际列车司机室灯具配光曲线Fig.2 The light distribution curve of 160 km/h EMU driver’s cab

在动车组列车司机室复杂光照环境下，不同的内饰材质会对光线反射路径与材质显示色彩产生影响，通过专业设备采集的BRDF函数数据可获得材质属性参数。BRDF函数是指在一定条件下(例如一定的视角)反射光的辐射亮度和入射光的辐射照度的比值[4]。该函数由测量数据或分析模拟所定义，能完全定义反射表面的光度特征。其几何关系如图3所示[5-6]，dA为反射表面小面元，dγO和dγI为立体角角元，αO和αI分别为反射光线和入射光线的仰角，βO和βI分别为反射光线和入射光线的方位角。

图3 BRDF函数几何关系图Fig.3 The geometric diagram of BRDF function

BRDF函数表达式为[7]

(1)

(2)

(3)

式中：LO为辐射亮度，即沿辐射方向单位面积、单位立体角的辐射通量；EI为辐射照度，即单位面积的辐射通量；dΦ为单位辐射通量。

依据水平和垂直方向人眼的最大直接视野构建司机视觉探测器模拟司机视觉效果，其中司机水平视角为120°，垂直视角为90°，视线保持水平。依据GB/T5914[2]中定义列车司机眼点的方法，将第50百分位男性司机眼点放置于操纵台脚踏下沿HP点上方1 230mm，操纵台前沿后方340mm。

通过SPEOS模块运算并输出XMP文件，该文件包含直观的司机视觉仿真图像以及图像中每一像素点的基本光度学信息，司机视觉仿真结果如图 4所示。

图4 司机视觉仿真图像Fig.4 The image of driver visual simulation

2 列车司机室照明眩光评估模型

司机室夜间照明环境存在的眩光主要有显示屏幕和显示仪表眩光、室内照明灯在显示屏幕上形成的反射眩光以及遮阳沿在前窗形成的倒影。眩光是影响照明质量最主要的因素，它不仅会引起列车驾驶员视觉疲劳，影响司机的工作舒适感，严重时还会对司机查看重要的行车信息产生直接影响，甚至造成列车司机忽略重要信息，从而引发铁路事故。

列车司机室内存在的眩光为不舒适眩光，对于不舒适眩光的评估可通过主观实验和实际测量的方法进行评估，但其面临的最大问题是无法在设计初期进行评估，而采用仿真方法则可以避免上述问题。

对于不舒适眩光的评价方法有眩光指数(GI)法、视觉舒适概率(VCP)法、统一眩光等级(UGR)法等。UGR是Unified Glare Rating的简称，它由CIE TC3-13于1987年提出的，是对英国GI (Glare Index)眩光指数的继续和发展。有学者经实验证实，UGR与主观评价的相关系数是最高的，达到0.89，因此到目前为止，UGR是预计室内不舒适眩光感觉能得到的最佳方法。

根据北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室人因与工效学课题组在分析列车司机室照明产生不舒适眩光的特点，结合UGR眩光评价模型和小光源UGR修正公式提出适用于列车司机室照明的眩光评价模型[8]，列车司机室照明眩光评价模型的数学表达式为

(4)

其中，m为一般光源的总数；n为小光源的总数；Li为第i个一般光源的亮度；Lb为背景亮度；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。

图5 照明眩光评估程序二次开发流程Fig.5 The secondary development process of lighting glare evaluation

通过司机视觉仿真，可以获得较为直观的列车司机室照明环境下的司机视觉效果以及仿真结果中每一像素基本光度信息。为了获取这些信息作为眩光评估模型计算的参数值，采用VisualBasic6.0对CATIA及其环境下的SPEOS光学仿真分析模块进行二次开发，实现对列车司机室照明眩光进行评估，图 5为列车司机室照明眩光评估程序二次开发流程。

应用仿真计算得到的时速160km/h城际动车组列车司机室司机视野范围内照明反射眩光值如图 6所示。该模型能较好地有效地解决了列车司机室复杂照明环境下眩光评估的问题[8]，它从司机实际视野范围出发，可以对司机视野看到的所有眩光进行总体评价。

图6 司机视野范围内照明反射眩光值Fig.6 The lighting reflected glare value of driver visual field

3 动车组列车司机室照明设计方案优化

动车组列车司机室主要采用单灯布置和多灯布置两种形式[9]。采用单灯布置的车型一般选取一只18 W双管荧光灯，将灯具布置于司机室顶板的中央位置，灯安装在顶板内部，灯光的投射角度为垂直于司机室地板，以使整个司机室获得较为均匀的照度；采用多灯布置的车型一般选取功率为5W左右的LED射灯，多将灯具布置于司机室顶板后方，并采取一定的灯光投射角度，以使操纵台部分能获取到足够的照度。

时速160 km/h城际动车组列车司机室的顶板为平面布置，在进行照明灯具布置时灯具应布置在同一高度平面内。该车型司机室顶板的横向尺寸最大为2 730 mm，最小为2 470 mm，可取其平均值2 600 mm作为顶板的横向距离，顶板的纵向尺寸为2 400 mm，如图 7所示。

时速160 km/h城际动车组列车司机室照明方案的优化设计，首先应对室内照明布置的相关标准与规范进行了解，以确保照明设计方案的选择因素具有实际意义。本文参考室内照明布置的相关标准与规范[10-13]，归纳总结动车组列车司机室照明设计方案需满足以下条件：

1)照明灯具布置应满足工作面照度要求；

2)灯具布置应与被布置对象相协调，在满足照度下应尽量布置合理、美观；

3)为了满足照度均匀的要求，均匀布置的照明灯具不应超过其最大距高比。

图7 司机室顶板平面图Fig.7 The sketch of cab roof floor

照明方案设计选取动车组列车司机室照明常用光束角的灯具，选取36°、80°、120°三个水平，其对应的配光曲线分别如图 2、图 8和图 9所示。

图8 司机室灯具配光曲线-80°Fig.8 The light distribution curve -80°

图9 司机室灯具配光曲线-120°Fig.9 The light distribution curve -120°

在满足灯具的最大允许布置间距要求下[14]，结合研究平台司机室顶板的外形结构尺寸，本文在顶板的横向选取了5个可布置位置、纵向选取3个可布置位置，如图 10所示。

图10 照明灯具布置位置的实验水平确定示意图Fig.10 Experimental levels of lighting layout position

图10中设左下角交点为坐标原点，则五个横向位置坐标分别为X1=260 mm，X2=780 mm，X3=1 300 mm，X4=1 820 mm，X5=2 340 mm；三个纵向位置坐标分别为Y1=400 mm，Y2=1 200 mm，Y3=2 000 mm。

司机室若采用单灯布置，一般遵循司机室顶板居中布置的规律；若采用多灯布置，由于动车组列车司机室横向尺寸大于纵向尺寸，且司机室基本是左右对称布置设计，所以采用左右对称布置，以使司机室获得最大水平的照度。因此，采用不同数量的照明灯具可形成不同的灯具布置形式，现采用1～5只照明灯具进行情况说明，照明布置设计方案如表 1所示。

照明设计方案中照明灯具数量、灯具布置位置以及灯具发光角度三个影响因子各自所采用的水平如表 2所示。

表1 160 km/h司机室照明布置设计方案Table 1 Kinds of lighting layout forms

表2 司机室照明设计方案正交设计水平表Table 2 The Orthogonal design level of lighting design

此照明设计方案为1因素6水平和2因素3水平的混合正交，若进行全面评估需要6×3×3=36个方案。对照标准正交表可以发现，可以选取正交表L18(16×33)共18组进行照明设计方案评估。表 3为18组照明设计方案仿真计算所得到的UGR值与司机室地板照度值。UIC651[15]与GB/T6769[3]中明确规定列车司机室照明应满足地板平面30lx的平均照度值。

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

续表3

由表3可知，在满足地板面照度要求的所有照明布置方案中，方案11为UGR值最低，即反射眩光影响最小的实验方案，此时灯具数量为3、灯具纵向布置于距离司机室后墙约1 200 mm的位置、灯具的发光角度为36°。最优照明布置方案如图11所示。

图11 照明布置最优方案示意图Fig.11 Schematic optimal solution of lighting design

4 结论

针对当前评估列车司机室眩光对人视觉舒适性、功能性的影响还缺乏有效的量化评估指标，本文提出的一种基于视觉仿真的列车司机室照明反射眩光量化评估方法能够在设计阶段对动车司机室进行眩光量化评估。结果表明通过该方法得到的眩光量化评估值能够有效地对照明布置设计方案进行优化，该方法在动车组列车司机室照明设计中具有很好的工程实用价值。

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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

国家自然科学基金——基于任务的复杂人机交互系统操纵适配性度量与优化(51575037)

TM923

A

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