某型列车司机室眩光仿真与实验测试

姬 赜，段伟仪，刘金荣，井 硕，林燕丹

（1.复旦大学 电光源研究所，上海 200433；2.中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062）

引言

眩光是指由于视野中的亮度分布或亮度范围的不适宜，或存在极端的对比，以致引起不舒适感觉或降低观察细节或目标的能力的视觉现象[1]。视野内产生人眼无法适应的光亮感觉，可能引起厌恶、不舒服甚至丧失明视度，眩光是引起视觉疲劳的重要原因之一。眩光按照视觉状态可分为不舒适眩光与失能眩光，其中不舒适眩光会造成人眼的不舒适性，而失能眩光会造成人眼的视觉功效下降[2-3]。

现代交通工具的速度以及操作的复杂性逐渐增强，对于驾驶员而言，在关注外界情况变化的同时，需要更多地关注内部的各种仪器仪表以及设备的工作状况，避免造成危险和故障[4-9]。这样的变化，促使人们更加关注司机室内的光环境，如何确认司机室内各因素对于室内眩光的影响以及对于司机室内眩光的控制也变得更加重要[10-11]。本文通过对某型列车的司机室建立软件仿真模型，应用软件仿真来初步确定眩光指数过大的点位，针对仿真结果进行主成分分析来确定对司机室环境影响较大的因素，并在模拟舱中安排相应的物理测试对仿真结果进行验证[12-14]。根据上述测试结果，对司机室的灯具布置以及光参数的调整提出一些可行的建议。

仿真基于某型列车司机室的模型进行，通过TracePro 软件仿真得到一组关于该司机室各个被测面的光源光通量贡献值，通过基于数据统计软件SPSS的数据分析方法，找到TracePro 仿真结果中对于光环境影响较大的因素，并结合后续的实地测试得到的照度值对司机室光环境的影响因素进行分析，从而获得司机室光污染防治的方案。

1 仿真设置

本文采用Lambda Research Corporation 开发的TracePro 仿真软件的光线追迹功能对司机室内各发光器件表面光通量来源进行分析。仿真流程如下：

1）对已有的模型进行修改，使其适合软件对模型的相关要求；

2）添加司机室的光源，并按软件的相关要求对光源参数进行定义；

3）添加司机室应用的各种素材的参数，定义相对应的材质的属性；

4）按照预设的眼位建立相应的测量点；

5）启动仿真，按照仿真得到的结果进行数据分析。

灯具等发光器件的具体布置如图1、图2和图3所示。仿真的计算点选取驾驶员典型的坐姿眼位和立姿眼位，根据实车的内装数据和灯具光源参数进行软件设置。

图1 司机室正面发光器件布置Fig.1 Layout of light-emitting devices in front of cab

图2 司机室顶面发光器件布置Fig.2 Layout of light-emitting devices on top of cab

图3 光通量接受面设置Fig.3 Settings of luminous flux surface sensor

2 仿真与物理测试结果

2.1 软件仿真及数据获取

TracePro 仿真原理如图4所示。对于直接眩光，仿真结果如图5所示。从图5可以看出，前侧眼位的光通量贡献主要来源于司机台照明灯，占比48.6%，右侧眼位的光通量贡献主要来源于顶灯，占比为48.06%。此外，指示灯对右侧眼位的光通量贡献比为42%，因而在眼位产生眩光的条件下，顶灯、指示灯与司机台照明灯是主要原因。司机台照明灯对司机台表面的光通量贡献比最高，为54.57%，其次为顶灯，贡献比为38.20%，因此司机台表面出现照度不均匀的情况时，司机台照明灯为主要原因。对于屏幕表面成像（见图5），前侧风挡玻璃与右风挡玻璃的光通量贡献主要来源于顶灯，分别为97.6%与89.86%，因此顶灯是风挡玻璃产生光幕反射的主要原因。

图4 TracePro 仿真示意图Fig.4 Schematic of TracePro simulation

图5 司机室各接受面光通量贡献百分比Fig.5 Percentage contribution of luminous flux for reception surface in cab

司机室各屏幕及仪表光通量仿真结果如图6所示。由图6可以看出，显示器1及显示器2的表面光通量主要来源于司机台照明灯，占比分别为60.14%与80.47%，显示器3 与显示器4表面光通量贡献主要来源于顶灯，占比分别为72.76%与92.93%，因而对于显示器1、显示器2而言，表面照度贡献主要来源于司机台照明灯，显示器3和显示器4的表面照度贡献主要来源于顶灯。

2.2 司机室光环境测试验证

为了解司机室的实际光环境状况，同时为司机室光环境仿真结果提供验证，需要进行物理测试[6]，物理测试的主要内容包括基本的光参数，如光照度、亮度及其均匀度、眩光值及亮度对比度等数据。测试眩光时使用ProMetric I8 型成像亮度计。在夜间模式中，设置3种模式分别为N1、N2、N3，顶灯亮度分别为100%、200%与300%，司机台照明灯及其余发光器件开启。在白天模式中，使用大功率金卤灯模仿日光直射，设置金卤灯关闭、30°角照射以及60°角照射3种模式，顶灯及司机台照明灯关闭，发光器件全部开启，记为D1、D2、D3。S 模式为站台停靠模式，发光器件全部开启，顶灯及司机台照明灯开启。各测试模式设置见表1所示，其中“○”代表开启，“/”代表关闭。表2为物理测试得到的司机室各工况状态下的表面平均照度。

表1 司机室各工况状态设置Table1 Settings of different situations in cab

表2 司机室各工况状态下表面平均照度Table2 Average illuminance of surfaces under different situations in cab lx

3 结果分析

3.1 TracePro 仿真结果

针对仿真结果，有必要对各个光源的影响情况进行数据分析，使用主成分分析法对TracePro 相关的仿真数据进行分析。根据初始特征大于1和方差贡献率大于80%确定主成分的数量，表3为提取出的全部主成分特征值和方差累积贡献率。

根据表3及前述选取依据，选择成分1与成分2作为主成分，表4为成分1与成分2的因子载荷矩阵。根据表4结果可以看出，成分1中正载荷较大的为前侧与右侧挡风玻璃，司机台表面及显示器1、显示器3和显示器4，成分2中正载荷较大的为显示器2与前侧眼位，成分1中无负载荷，成分2中后侧眼位负载荷较大，为0.612。根据两主成分的载荷情况，可以认为成分1为光通量主要影响，成分2为光通量次要影响。

表3 光通量贡献因子特征值和累计方差贡献率Table3 Eigenvalue and accumulative contribution rate of luminous flux contribution factors

表4 主成分载荷矩阵Table4 Load matrix of principle components

用成分矩阵中的结果除以对应特征值的平方根，结合标准化后的各指标数值可以得到成分的表达式如下：

式中ZXn代表各指标的标准化数值。结合各成分表达式可以建立综合评分模型：

各光源影响的单项及综合评分排名如表5所示。从表5可以看出，司机台照明灯对于司机台周围光通量的综合影响最大，顶灯次之，且根据表5可知，司机台照明灯对于司机室的影响主要为前侧眼位和显示器2，顶灯对于司机室的影响主要为挡风玻璃及司机台表面和显示器1、显示器3和显示器4。

表5 各光源光通量贡献率评价结果Table5 Evaluation results of luminous flux contribution rate for light sources

3.2 物理测试结果分析

物理测试的目的是为了验证软件仿真结果的正确性，因此物理测试的结果会反映出软件仿真的正确性。前文中对于软件仿真分析得到的结果是司机台照明灯与顶灯对于司机室光通量具有较大贡献，下面将对这一结果在物理测试中的体现进行分析。

针对N1、N2、N3的情况进行分析。N1、N2、N3 在实验设置上是具有顺序关系的，因此采用spearman 相关系数进行分析。表6为N1、N2、N3的物理测试分析结果，其中2个星号代表在0.01的显著性水平下显著相关。由于N1、N2、N3的条件设置中只有顶灯的光通量在变化，从表6可以得出，司机室内各部分照度与顶灯光通量变化是显著正相关的，这与软件仿真得到的结果一致。

表6 物理测试分析结果Table6 Evaluation results of physical tests

4 结论

利用TracePro 软件仿真结合主成分分析法对司机室的光环境进行了研究与分析，结合模拟舱的物理测试实验，结果表明：夜间行车情况下，对司机室驾驶台及周围部分照度影响最大的是司机台照明灯，顶灯次之。根据各个区域的光通量贡献率及主成分分析法得到的结果，可以通过调节司机台照明灯的光通量与角度解决眼位照度过大问题，针对挡风玻璃可能产生的光幕反射，应调节顶灯的角度与光通量来减弱挡风玻璃成像。