某型列車司機(jī)室眩光仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試

姬 賾，段偉儀，劉金榮，井 碩，林燕丹

（1.復(fù)旦大學(xué) 電光源研究所，上海 200433；2.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130062）

引言

眩光是指由于視野中的亮度分布或亮度范圍的不適宜，或存在極端的對(duì)比，以致引起不舒適感覺或降低觀察細(xì)節(jié)或目標(biāo)的能力的視覺現(xiàn)象[1]。視野內(nèi)產(chǎn)生人眼無(wú)法適應(yīng)的光亮感覺，可能引起厭惡、不舒服甚至喪失明視度，眩光是引起視覺疲勞的重要原因之一。眩光按照視覺狀態(tài)可分為不舒適眩光與失能眩光，其中不舒適眩光會(huì)造成人眼的不舒適性，而失能眩光會(huì)造成人眼的視覺功效下降[2-3]。

現(xiàn)代交通工具的速度以及操作的復(fù)雜性逐漸增強(qiáng)，對(duì)于駕駛員而言，在關(guān)注外界情況變化的同時(shí)，需要更多地關(guān)注內(nèi)部的各種儀器儀表以及設(shè)備的工作狀況，避免造成危險(xiǎn)和故障[4-9]。這樣的變化，促使人們更加關(guān)注司機(jī)室內(nèi)的光環(huán)境，如何確認(rèn)司機(jī)室內(nèi)各因素對(duì)于室內(nèi)眩光的影響以及對(duì)于司機(jī)室內(nèi)眩光的控制也變得更加重要[10-11]。本文通過(guò)對(duì)某型列車的司機(jī)室建立軟件仿真模型，應(yīng)用軟件仿真來(lái)初步確定眩光指數(shù)過(guò)大的點(diǎn)位，針對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行主成分分析來(lái)確定對(duì)司機(jī)室環(huán)境影響較大的因素，并在模擬艙中安排相應(yīng)的物理測(cè)試對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證[12-14]。根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果，對(duì)司機(jī)室的燈具布置以及光參數(shù)的調(diào)整提出一些可行的建議。

仿真基于某型列車司機(jī)室的模型進(jìn)行，通過(guò)TracePro 軟件仿真得到一組關(guān)于該司機(jī)室各個(gè)被測(cè)面的光源光通量貢獻(xiàn)值，通過(guò)基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件SPSS的數(shù)據(jù)分析方法，找到TracePro 仿真結(jié)果中對(duì)于光環(huán)境影響較大的因素，并結(jié)合后續(xù)的實(shí)地測(cè)試得到的照度值對(duì)司機(jī)室光環(huán)境的影響因素進(jìn)行分析，從而獲得司機(jī)室光污染防治的方案。

1 仿真設(shè)置

本文采用Lambda Research Corporation 開發(fā)的TracePro 仿真軟件的光線追跡功能對(duì)司機(jī)室內(nèi)各發(fā)光器件表面光通量來(lái)源進(jìn)行分析。仿真流程如下：

1）對(duì)已有的模型進(jìn)行修改，使其適合軟件對(duì)模型的相關(guān)要求；

2）添加司機(jī)室的光源，并按軟件的相關(guān)要求對(duì)光源參數(shù)進(jìn)行定義；

3）添加司機(jī)室應(yīng)用的各種素材的參數(shù)，定義相對(duì)應(yīng)的材質(zhì)的屬性；

4）按照預(yù)設(shè)的眼位建立相應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)；

5）啟動(dòng)仿真，按照仿真得到的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

燈具等發(fā)光器件的具體布置如圖1、圖2和圖3所示。仿真的計(jì)算點(diǎn)選取駕駛員典型的坐姿眼位和立姿眼位，根據(jù)實(shí)車的內(nèi)裝數(shù)據(jù)和燈具光源參數(shù)進(jìn)行軟件設(shè)置。

圖1 司機(jī)室正面發(fā)光器件布置Fig.1 Layout of light-emitting devices in front of cab

圖2 司機(jī)室頂面發(fā)光器件布置Fig.2 Layout of light-emitting devices on top of cab

圖3 光通量接受面設(shè)置Fig.3 Settings of luminous flux surface sensor

2 仿真與物理測(cè)試結(jié)果

2.1 軟件仿真及數(shù)據(jù)獲取

TracePro 仿真原理如圖4所示。對(duì)于直接眩光，仿真結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，前側(cè)眼位的光通量貢獻(xiàn)主要來(lái)源于司機(jī)臺(tái)照明燈，占比48.6%，右側(cè)眼位的光通量貢獻(xiàn)主要來(lái)源于頂燈，占比為48.06%。此外，指示燈對(duì)右側(cè)眼位的光通量貢獻(xiàn)比為42%，因而在眼位產(chǎn)生眩光的條件下，頂燈、指示燈與司機(jī)臺(tái)照明燈是主要原因。司機(jī)臺(tái)照明燈對(duì)司機(jī)臺(tái)表面的光通量貢獻(xiàn)比最高，為54.57%，其次為頂燈，貢獻(xiàn)比為38.20%，因此司機(jī)臺(tái)表面出現(xiàn)照度不均勻的情況時(shí)，司機(jī)臺(tái)照明燈為主要原因。對(duì)于屏幕表面成像（見圖5），前側(cè)風(fēng)擋玻璃與右風(fēng)擋玻璃的光通量貢獻(xiàn)主要來(lái)源于頂燈，分別為97.6%與89.86%，因此頂燈是風(fēng)擋玻璃產(chǎn)生光幕反射的主要原因。

圖4 TracePro 仿真示意圖Fig.4 Schematic of TracePro simulation

圖5 司機(jī)室各接受面光通量貢獻(xiàn)百分比Fig.5 Percentage contribution of luminous flux for reception surface in cab

司機(jī)室各屏幕及儀表光通量仿真結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，顯示器1及顯示器2的表面光通量主要來(lái)源于司機(jī)臺(tái)照明燈，占比分別為60.14%與80.47%，顯示器3 與顯示器4表面光通量貢獻(xiàn)主要來(lái)源于頂燈，占比分別為72.76%與92.93%，因而對(duì)于顯示器1、顯示器2而言，表面照度貢獻(xiàn)主要來(lái)源于司機(jī)臺(tái)照明燈，顯示器3和顯示器4的表面照度貢獻(xiàn)主要來(lái)源于頂燈。

2.2 司機(jī)室光環(huán)境測(cè)試驗(yàn)證

為了解司機(jī)室的實(shí)際光環(huán)境狀況，同時(shí)為司機(jī)室光環(huán)境仿真結(jié)果提供驗(yàn)證，需要進(jìn)行物理測(cè)試[6]，物理測(cè)試的主要內(nèi)容包括基本的光參數(shù)，如光照度、亮度及其均勻度、眩光值及亮度對(duì)比度等數(shù)據(jù)。測(cè)試眩光時(shí)使用ProMetric I8 型成像亮度計(jì)。在夜間模式中，設(shè)置3種模式分別為N1、N2、N3，頂燈亮度分別為100%、200%與300%，司機(jī)臺(tái)照明燈及其余發(fā)光器件開啟。在白天模式中，使用大功率金鹵燈模仿日光直射，設(shè)置金鹵燈關(guān)閉、30°角照射以及60°角照射3種模式，頂燈及司機(jī)臺(tái)照明燈關(guān)閉，發(fā)光器件全部開啟，記為D1、D2、D3。S 模式為站臺(tái)?？磕Ｊ?，發(fā)光器件全部開啟，頂燈及司機(jī)臺(tái)照明燈開啟。各測(cè)試模式設(shè)置見表1所示，其中“○”代表開啟，“/”代表關(guān)閉。表2為物理測(cè)試得到的司機(jī)室各工況狀態(tài)下的表面平均照度。

表1 司機(jī)室各工況狀態(tài)設(shè)置Table1 Settings of different situations in cab

表2 司機(jī)室各工況狀態(tài)下表面平均照度Table2 Average illuminance of surfaces under different situations in cab lx

3 結(jié)果分析

3.1 TracePro 仿真結(jié)果

針對(duì)仿真結(jié)果，有必要對(duì)各個(gè)光源的影響情況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，使用主成分分析法對(duì)TracePro 相關(guān)的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)初始特征大于1和方差貢獻(xiàn)率大于80%確定主成分的數(shù)量，表3為提取出的全部主成分特征值和方差累積貢獻(xiàn)率。

根據(jù)表3及前述選取依據(jù)，選擇成分1與成分2作為主成分，表4為成分1與成分2的因子載荷矩陣。根據(jù)表4結(jié)果可以看出，成分1中正載荷較大的為前側(cè)與右側(cè)擋風(fēng)玻璃，司機(jī)臺(tái)表面及顯示器1、顯示器3和顯示器4，成分2中正載荷較大的為顯示器2與前側(cè)眼位，成分1中無(wú)負(fù)載荷，成分2中后側(cè)眼位負(fù)載荷較大，為0.612。根據(jù)兩主成分的載荷情況，可以認(rèn)為成分1為光通量主要影響，成分2為光通量次要影響。

表3 光通量貢獻(xiàn)因子特征值和累計(jì)方差貢獻(xiàn)率Table3 Eigenvalue and accumulative contribution rate of luminous flux contribution factors

表4 主成分載荷矩陣Table4 Load matrix of principle components

用成分矩陣中的結(jié)果除以對(duì)應(yīng)特征值的平方根，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化后的各指標(biāo)數(shù)值可以得到成分的表達(dá)式如下：

式中ZXn代表各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值。結(jié)合各成分表達(dá)式可以建立綜合評(píng)分模型：

各光源影響的單項(xiàng)及綜合評(píng)分排名如表5所示。從表5可以看出，司機(jī)臺(tái)照明燈對(duì)于司機(jī)臺(tái)周圍光通量的綜合影響最大，頂燈次之，且根據(jù)表5可知，司機(jī)臺(tái)照明燈對(duì)于司機(jī)室的影響主要為前側(cè)眼位和顯示器2，頂燈對(duì)于司機(jī)室的影響主要為擋風(fēng)玻璃及司機(jī)臺(tái)表面和顯示器1、顯示器3和顯示器4。

表5 各光源光通量貢獻(xiàn)率評(píng)價(jià)結(jié)果Table5 Evaluation results of luminous flux contribution rate for light sources

3.2 物理測(cè)試結(jié)果分析

物理測(cè)試的目的是為了驗(yàn)證軟件仿真結(jié)果的正確性，因此物理測(cè)試的結(jié)果會(huì)反映出軟件仿真的正確性。前文中對(duì)于軟件仿真分析得到的結(jié)果是司機(jī)臺(tái)照明燈與頂燈對(duì)于司機(jī)室光通量具有較大貢獻(xiàn)，下面將對(duì)這一結(jié)果在物理測(cè)試中的體現(xiàn)進(jìn)行分析。

針對(duì)N1、N2、N3的情況進(jìn)行分析。N1、N2、N3 在實(shí)驗(yàn)設(shè)置上是具有順序關(guān)系的，因此采用spearman 相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分析。表6為N1、N2、N3的物理測(cè)試分析結(jié)果，其中2個(gè)星號(hào)代表在0.01的顯著性水平下顯著相關(guān)。由于N1、N2、N3的條件設(shè)置中只有頂燈的光通量在變化，從表6可以得出，司機(jī)室內(nèi)各部分照度與頂燈光通量變化是顯著正相關(guān)的，這與軟件仿真得到的結(jié)果一致。

表6 物理測(cè)試分析結(jié)果Table6 Evaluation results of physical tests

4 結(jié)論

利用TracePro 軟件仿真結(jié)合主成分分析法對(duì)司機(jī)室的光環(huán)境進(jìn)行了研究與分析，結(jié)合模擬艙的物理測(cè)試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：夜間行車情況下，對(duì)司機(jī)室駕駛臺(tái)及周圍部分照度影響最大的是司機(jī)臺(tái)照明燈，頂燈次之。根據(jù)各個(gè)區(qū)域的光通量貢獻(xiàn)率及主成分分析法得到的結(jié)果，可以通過(guò)調(diào)節(jié)司機(jī)臺(tái)照明燈的光通量與角度解決眼位照度過(guò)大問題，針對(duì)擋風(fēng)玻璃可能產(chǎn)生的光幕反射，應(yīng)調(diào)節(jié)頂燈的角度與光通量來(lái)減弱擋風(fēng)玻璃成像。