民机客舱内阅读灯光环境舒适性设计方案研究

陆星羽，余隋怀，裴卉宁

（西北工业大学工业设计研究所，陕西 西安710072）

0 引言

客舱灯光设计技术是体现先进客机的安全性、舒适性、经济型的重要标志。长期以来，我国民用航空工业在客舱研究方面缺乏先进的设计手段和实力。在灯光配置上多引用国际大众机型的灯光照明系统，这极大地影响了我国民用飞机在国际市场上的竞争力。

民机客舱内灯光的舒适性主要从灯照位置、角度合理性，灯光亮度、照度、色温和视觉集中点等物理因素对人在客舱内指定环境的行为和心理影响进行研究。

本文分析了现有民机客舱灯光照明环境的设计，分析现有主流民机机型的阅读灯设计，分析民机上使用阅读灯场景，基于DIALux evo软件进行场景模拟及评估，使用DIALux evo对阅读灯进行场景模拟及舒适性评估，为今后民机客舱内灯光照明环境研究提供研究方法参考及设计参考。

1 现有民机客舱内阅读灯照明舒适性分析

飞机客舱的灯光设计往往有其自身的设计特性，设计人员在照明设计上主要以满足物理照度与需求参数为设计依据，缺乏对飞机客舱乘客视觉环境的主观感受评价的参考；在民机客舱内照明的光源色温方面缺乏合理的考量，仅仅使用符合国外设计标准的色温感受评价方式；在灯具的机构设计、安装方式与空间尺度上虽然存在着物理照度很高[1-2]，却没有结合乘客实际使用场景，特别是照明装置空间安装尺寸的问题导致光源对比度大，长时间使用会出现视觉疲劳的炫光等问题。同时，目前的客机照明方式也没有解决不同行为方式下物理照明的舒适度问题，统一使用的一种照射光源的LED灯光，没有充分利用LED灯的优势，对常有使用灯光场景进行分类设计。

客舱阅读灯是客舱照明环境组成的一部分，主要由乘客根据自身行为活动的需求进行使用。主要作用是在封闭客舱的暗环境下进行照明。机舱乘客在坐姿状态下的主要行为活动方式有：睡眠（休息）、进食、阅读（纸质为主）、工作、娱乐（使用电子屏设备，以下统称为作业），交谈。其中普遍需要阅读灯使用的行为为阅读、工作和娱乐。这两种行为对于辅助灯光的需求有所区别。如今市面上的大部分通用机型均使用单种灯光照明方式，这在一定程度上并不能满足乘客在不同行为方式下对于灯光照明的需求。

2 民机客舱阅读灯设计要点

为获得良好的阅读照明条件，考虑不同的行为的需要，要全面考虑各项照明质量的指标，如照度、亮度分布、照度均匀度、阴影、眩光、光的颜色、照度的稳定性等。合适的照度水平、适宜的亮度分布和均匀度、阴影的消除、限制眩光、适宜的光源色和显色性以及照明的稳定性共同构成了良好的照明环境[3]。

在阅读与作业的行为方式下，民机客舱特定的环境下设计照明灯光应分别注意一下几点：（1）限制灯光照射范围，减小临近座位之间灯光的影响；（2）合适的照度水平；（3）照度的均匀度；（4）适宜的亮度分布；（5）限制炫光；（6）适宜的光源色和显色性；（7）合适的入射角；（8）照明条件需稳定。

为解决现存阅读灯照射的不足，针对以下几种问题进行针对性设计。

2.1亮度、照度以及照度均匀度

（1）根据《gb50034-2013建筑照明设计标准》规定，一般学习的照度应介于750 Lx，作业、阅读最佳照度为300 Lx，书写最佳照度为500 Lx，观看显示屏需要 50～90 Lx.

（2）国际照明委员会（CIE）推荐，在一般照明情况下，工作区域最低照度与平均照度之比（即照度均匀度）不应小于0．8，工作房间整个区域的平均照度一般不应小于工作区平均照度的1/3.我国照明设计标准规定，工作区域内照度均匀度不应小于0.7.如表1所示。

表1 客舱内推荐阅读灯照明水平

（3）为了提高视觉舒适度，还需要考虑作业面邻近周围的照度不能过暗，否则易产生视觉疲劳，如表2所示。

表2 作业面邻近周围照度

2.2眩光的避免

民机客舱内阅读等使用时产生眩光的原因主要为反射眩光。当光源布局以及灯具选型不当时，电子设备显示屏幕或者光面读物上会出现光源的反射影像，次光源会对乘客产生反射眩光[4]。

从灯具和作业面的布置方面考虑，避免将灯具安装在干扰区内，如应将灯安装在工作位置的正前上方10°～40°的区域；对周围亮度考虑，墙面的平均照度不宜低于50 Lx，顶棚的平均照度不宜低于30 Lx.如表3所示。

表3 直接型灯具的遮光角

2.3色温

在阅读、办公、作业环境下，室内照明光源色表特征应满足3 300 k～5 300 k.

3 仿真验证

3.1 Dialux evo软件简介

Dialux软件是由德国DIAI公司进行开发设计的一款专业照明设计和计算软件[5-6]，可以方便快速地计算出任意空间任意平面及任一点的相关照明数据[1]。Dialux evo则是2015年后 Dialux软件的新版本。Dialux evo简化了原有的操作，可以直接建立复杂的空间、操作建筑外景等。输出的结果上也更为全面和准确。

3.2利用Dialux evo软件确定客舱舱照明设计方案的设计流程

客舱照明设计方案确定后，通过Dialux evo软件进行照明计算，验证客舱内指定行为下工作面的照射范围、照度以及照度均匀是否可以达到推荐值。输出客舱阅读灯照明的设计方案[7-8]。具体的操作流程如下：

（1）在CATIA中建立实物模型，将所需要的相应部件导入犀牛中，调整之后导出3ds文件，导入Dialux evo中；

（2）在Dialux evo软件中输入民机客舱照明设计方案，包括灯源、灯具参数规格、灯具具体安装位置的输入。

（3）进行民机客舱内的照明计算，根据输出的结果对民机客舱内各行为状态下个各个照明指标进行验证，如果各个指标没有达到推荐值，则需要再次调整参数进行照明计算，直到各照明数据达到推荐值，然后输出照明的设计方案。理由Dialux evo软件确定民机客舱内舒适照明设计方案如图1所示。

图1 理由Dialux evo软件确定民机客舱内舒适照明设计方案流程

4 实例

以客舱为例，进行照明设计。在确保避免炫光的基础上，客舱照度以及照度均匀度能达到标准值。已知单个座椅环境需要的照明尺寸为300 cm×300 cm，灯光采用LED灯，嵌入式安装在座椅顶部，与垂直屏幕成10°～40°角照射在小桌板上。座椅环境的布置位置以及尺寸等工程参数已经确定。建立简易控制舱内环境三维模型如图1所示。

将模型导入Dialux evo软件，并对于不同的重要大面积部件赋予材质。民机客舱1∶13D模型如图2所示。

图2 民机客舱1∶13D模型

4.1确定灯相关物理量

如图3所示，以小桌板中心垂直面为垂面，标准客舱下，阅读状态下的照度选择350 Lx，使用电子屏条件下，照度选择80 Lx，阅读灯的入射角为22°，横向遮光角为22°，LED射灯1盏。

图3 民机客舱模型尺寸图

在阅读条件下，阅读灯的光通量为：

在电子屏使用条件下，阅读灯的光通量为：

式中：Φ为光源的光通量；E为设计照度；N为灯具数量；K为灯具维护系数；U为利用系数；η为灯具的效率；A为照射面积。

在Dialux evo软件中选择光通量接近116 Lm和23 Lm且横向遮光角为22°的LED射灯光灯。本案例选用的是型号为：

阅读条件：LED射灯-LTH0107004，光通量105 Lm ～ 120 Lm，色温 4 000 k，光束角 24°.

电子屏使用：LED射灯-LTH0105002，光通量50 Lm ～ 65 Lm，色温 4 000 k，光束角 24°.

测试点分别选取内侧（靠窗侧）小桌板边缘，内侧（靠窗侧）小桌板中部，外侧（靠走廊）小桌板边缘，外侧（靠走廊）小桌板中部四个，对着四个位置进行数据计算，再取平均值。

已知灯具、光源规格参数及灯光布置区域，初步确定出两种照明设计方案，并将此方案输入到Dialux evo软件中进行验证。如果所需条件下的照度以及照度均匀度没有达到推荐值，则需要在灯光布置区域内调整灯光的安装位置，反复调整以及计算，直到计算结果达到推荐值。指定区域等照度图如图4所示。

图4 指定区域等照度图

4.2 输出实验结果

4.2.1阅读条件情况下实验结果

当在输出阅读条件情况下的实验结果时，内侧小桌板平面上的照度与外侧小桌板的照度差距较大如图5所示。内侧小桌板的照度均值为478 Lx，符合最佳舒适度的理论值，而外侧小桌板的照度均值为293 Lx，低于理论数值，且与内侧小桌板差距较大。先提出修改方案。

图5 阅读条件下光源相同的输出结果

内外侧小桌板将使用不同通光量的照射灯进行照明。修改光源参数，内部灯源光通量为120 Lx，外部光源光通量为230 Lx时，即内侧光源与外侧灯源相差100 Lm左右的光通量时，两侧的照度相差值在10%以内，得到表4结果，此时内侧小桌板平面平均照度为446 Lx，外部小桌板平面平均照度为415 Lx，照度均匀度均大于0.7，均符合最佳舒适度理论值。照明仿真计算结果如表4所示。

图6 阅读条件下修改光源后的输出结果

表4 照明仿真计算结果

5 结论

为了进一步的提升乘客在乘坐飞机时两种主要行为对阅读灯的使用时的舒适性，使用Dialux evo软件对民机客舱的阅读灯照明对两种主要行为下进行了仿真实验分析，得出初步结论，并提出民机客舱内阅读灯照明的修改方案建议。结论与建议如下：

（1）因人体眼部在纸质阅读和显示屏作业时对于光照环境要求不同，建议民机客舱的阅读灯照明，根据不同行为模式的推荐值改为两种档位照明可替换的照明方式。

（2）由于空间布局的特殊性，当需求照度较大时，若使用相同的光源进行照射，内外侧小桌板平面的照明效果区别较大，故建议将内外侧阅读状态下的阅读照明灯光源区别装配，从仿真效果来看，外侧的照明光源的光通量将大于内侧照明光源的光通量。

通过1∶1模型的仿真分析，得出的结果为客舱阅读灯照明方案的改良设计提供了参考基础。为提升民机客舱内照明环境的舒适度提出改良的设计方案建议。为进一步进行实际实验操作提供了理论参考依据。

参考文献：

[1]吴 姗.车载控制舱无眩光照明设计方法[J].制造业自动化，2014（01）：35-38.

[2]吴春泽.基于视觉工效学的小空间照明优化策略研究[D].上海：复旦大学，2010.

[3]陈娅文.基于视觉感受的便携式阅读灯照明优化设计[J].光源与照明，2009（3）：34-38.

[4]郭 佳.基于手机电子屏幕下阅读书籍如何延长阅读时间并缓解视觉疲劳[D].沈阳：辽宁师范大学，2015.

[5]董 雨.浅谈高校图书馆室内灯光设计[J].文教研究，2016（18）：248.

[6]蒋琤琤，张显斗.基于虚拟仿真的室内照明评价体系研究与设计[J].系统仿真学报，2016，28（10）：2573-2577.

[7]龙 潭.深圳地铁蛇口线绿色照明设计[J].机电工程，2012，25（6）：100-103.

[8]舒秀丽，董文俊，董大勇.基于人机工效的民机驾驶舱设计原理[J].2015，6（2）：222-227.