談電子設(shè)備方艙眩光照明設(shè)計(jì)
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摘要：電子設(shè)備方艙是操作人員在戶外執(zhí)行作業(yè)任務(wù)的工作環(huán)境，操作人員需長(zhǎng)時(shí)間在其空間內(nèi)作業(yè)。通常在電子設(shè)備方艙會(huì)擺放較多的設(shè)備顯示屏，極易造成操作人員眩光。本文依據(jù)艙室內(nèi)光源位置與顯示屏夾角、工作人員的坐姿視高以及燈具安裝高度，以某電子設(shè)備方艙內(nèi)燈光布局為例分析眩光的影響因素，并利用JACK軟件予以仿真驗(yàn)證，最終提出照明優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，有效提升操作人員的舒適度。
關(guān)鍵詞：電子設(shè)備方艙；眩光；照明設(shè)計(jì)
電子設(shè)備方艙通常是電子設(shè)備系統(tǒng)和操作人員的主要載體，其內(nèi)部空間狹窄閉塞，操作人員需長(zhǎng)時(shí)間在該環(huán)境內(nèi)進(jìn)行高效而精準(zhǔn)的工作[1]。當(dāng)前在方艙設(shè)計(jì)中，普遍存在方艙內(nèi)光分布不合理、光源對(duì)操作人員的眩光影響[2]。本文以某電子設(shè)備方艙內(nèi)燈光布局形式為例，系統(tǒng)地闡述了方艙內(nèi)照明及眩光的影響因素，并提出燈光合理的布局形式，從而改善眩光對(duì)于操作人員的影響，有效提升操作人員生理及心理的舒適性。
1電子設(shè)備方艙照明設(shè)計(jì)分析
1.1燈光布局分析
以某電子設(shè)備方艙內(nèi)部設(shè)備布局為例，方艙近車頭端放置三聯(lián)雙顯顯控臺(tái)，單個(gè)顯控臺(tái)中兩臺(tái)顯示屏成上下排布，另一端頭放置機(jī)柜等相應(yīng)設(shè)備。其中，艙內(nèi)照明主要為方艙頂部?jī)?nèi)外雙層圓弧形布局的燈帶：內(nèi)層為內(nèi)凹式隱光LED燈帶，LED燈具安裝面為豎直方向；外層為直射LED燈帶，LED燈具安裝面為水平方向。方艙內(nèi)空間尺寸狹小，且燈光安裝高度較低，同時(shí)設(shè)備顯示屏幕較多，因此極易造成眩光。為了提升操作人員的舒適性，方艙內(nèi)照明需要照度充足且分布適宜。因此，方艙內(nèi)照明首先應(yīng)避免眩光，其次相應(yīng)的工作區(qū)域應(yīng)有合理的照明和均勻度。
1.2顯控臺(tái)眩光分析
顯控臺(tái)為產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)，工作人員的主要活動(dòng)地點(diǎn)和操作對(duì)象，有必要進(jìn)行眩光問題的人因分析。圖1所示為原始方案實(shí)物中出現(xiàn)的顯示屏眩光現(xiàn)象，由照片可知眩光會(huì)嚴(yán)重影響工作人員對(duì)顯示屏信息的識(shí)讀，進(jìn)而影響視覺疲勞、降低操作效率。艙內(nèi)照明對(duì)工作人員產(chǎn)生的眩光分為直接眩光和反射眩光[3]。該方艙中光源布置在操作人員的正上方和后上方，依據(jù)光源位置與視線夾腳的關(guān)系原理，其并不在視線夾角60°區(qū)域內(nèi)，所以基本不存在直射眩光。當(dāng)光源布局以及燈具選型不恰當(dāng)時(shí)，顯示屏幕上會(huì)出現(xiàn)光源的反射影像，此光源就會(huì)對(duì)工作人員產(chǎn)生反射眩光。而光源布置位置與顯示屏幕夾角、工作人員的坐姿視高以及燈具安裝高度存在直接關(guān)系，如圖2所示。由圖可知，在α、β、L和H不變的情況下，若工作人員坐姿視高H1越小，則光源理想安裝區(qū)域L1和L2越小，即越容易產(chǎn)生反射眩光。
2照明仿真及計(jì)算分析
2.1JACK模擬仿真
本文運(yùn)用JACK8.4人因功效仿真軟件，該軟件支持用戶在虛擬環(huán)境中定義精準(zhǔn)的不同尺寸的數(shù)字人體，進(jìn)而定義其完成制定的任務(wù)并分析相應(yīng)的感受[4]。對(duì)艙室內(nèi)反射眩光進(jìn)行直觀的分析，首先開展人因工程建模，包括人（顯控臺(tái)操作人員）、機(jī)（顯控臺(tái)和顯示屏）、環(huán)境（電子方艙）三類模型，具體建模應(yīng)嚴(yán)格遵循相關(guān)的指標(biāo)要求。在JACK8.4中建立的場(chǎng)景模型。由圖2可知，人體模型的坐姿視高選擇較低百分位的參數(shù)有利于更全面的分析和規(guī)避眩光問題，故在場(chǎng)景模型中，參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)影響坐姿視高的所有5%分位參數(shù)，對(duì)人體模型進(jìn)行編輯重建。最終，人體模型的坐姿視高H1=1157mm，眼球到顯控臺(tái)后端面為L(zhǎng)=980mm。其次，對(duì)顯控臺(tái)最遠(yuǎn)端的操作席位（遠(yuǎn)離艙門端）進(jìn)行仿真：操作人員平視前方時(shí)，主顯示屏出現(xiàn)大面積的光源反射影像（如圖3），其中內(nèi)層隱光燈帶和外層直射燈帶的橫向部分（未考慮遮光角）的反射影像直接出現(xiàn)在屏幕正中；操作人員抬頭仰視時(shí)，次顯示屏上并未出現(xiàn)光源的反射影像（如圖3）。對(duì)中端和近端的兩個(gè)操作席位的反射眩光仿真結(jié)果與前述基本相同。經(jīng)仿真結(jié)果驗(yàn)證可知，操作人員在作業(yè)時(shí)燈光的反射區(qū)域主要集中于顯控臺(tái)的主顯示屏且影響較大，而次屏幕并未受到燈光反射影響。
2.2計(jì)算分析
為了進(jìn)一步驗(yàn)證JACK8.4的仿真結(jié)果，同時(shí)得出光源理想安裝區(qū)域L1和L2的參考尺寸，利用AutoCAD開展二維圖作圖求解。如圖4所示，依照方艙三維模型，并同樣以H1=1157mm，L=980mm作出二維圖，同時(shí)依據(jù)光的反射原理，以主顯示屏和次顯示屏的上沿為點(diǎn)劃線作圖，得出L1、L2區(qū)域。非L1和非L2的并集，即┐L1∪┐L2即為產(chǎn)生反射眩光的光源布置區(qū)域。由圖可知，艙頂現(xiàn)有光源遠(yuǎn)離顯控臺(tái)端的大部分區(qū)域會(huì)在主顯示屏中產(chǎn)生反射眩光，而在次顯示屏上不會(huì)產(chǎn)生反射眩光。對(duì)于外層直射燈帶中的A部分，若不考慮燈具的遮光角，其在主顯示屏上會(huì)顯示全部反射影像，若考慮遮光角，則由圖測(cè)算，當(dāng)燈具的遮光角不小于14°時(shí)，則A部分的光源基本不會(huì)在主顯示屏上產(chǎn)生反射眩光。
2.3結(jié)論
對(duì)于顯控臺(tái)反射眩光等人因問題，通過三維仿真分析和二維圖計(jì)算分析，得出如下結(jié)論：(1)由于方艙內(nèi)空間尺寸狹小且屏幕較多，光源安裝高度較低，極易出現(xiàn)反射眩光，增加了操作人員的視覺疲勞從而降低工作效率；(2)經(jīng)分析，方艙內(nèi)對(duì)于操作人員的眩光有兩種，分別為靠近視線方向的光源直射光產(chǎn)生的直接眩光和燈光在顯示屏幕產(chǎn)生的反射眩光，經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)可知，目前艙室內(nèi)主要是反射眩光造成的視覺影響，因此僅針對(duì)反射眩光提示修改方案；(3)如圖4所示，L1和L2分別表示光源距控制臺(tái)的距離，如果光源布置在L1區(qū)域內(nèi)，操作人員在作業(yè)時(shí)主屏幕和次屏幕將不會(huì)受到光源的反射影響，如果光源布置在┐L1∪┐L2區(qū)域，主屏幕必然會(huì)受到光源的影響。
3照明及燈光優(yōu)化方案
方艙內(nèi)操作人員需要連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的在控制臺(tái)和工作臺(tái)進(jìn)行細(xì)致而精密的操作，良好的燈光照明質(zhì)量不僅可以提高操作人員在作業(yè)時(shí)的辨識(shí)能力，而且可以緩解視覺疲勞和提升工作效率[5]。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)仿真計(jì)算分析可得，目前方艙內(nèi)主要出現(xiàn)的問題是光源對(duì)操作人員產(chǎn)生眩光效應(yīng)，在一定程度上影響了操作人員在作業(yè)中的生理和心理的舒適性?；谙惹暗姆抡婕坝?jì)算分析并針對(duì)上述問題，提出了幾點(diǎn)改進(jìn)意見。
3.1燈具的安裝區(qū)域
由圖10分析并測(cè)量可知L1=1915mm，故依據(jù)原有燈光布局，可確定C區(qū)域?yàn)槔硐霟艟卟贾脜^(qū)域，如圖5所示。然而，若僅在C區(qū)域布置燈具，機(jī)柜區(qū)域照度會(huì)嚴(yán)重不足，影響機(jī)柜的前期安裝和后期的操作及維修。同時(shí)為了保證C操作人員能精準(zhǔn)高效的完成作業(yè)任務(wù)，工作區(qū)域各作業(yè)面的照度均勻度必須達(dá)到一定的水平。因此，在優(yōu)化了燈具遮光角和排列方式的前提下，應(yīng)當(dāng)在C區(qū)域和內(nèi)飾板之間的區(qū)域額外布置燈具。
3.2燈具的遮光角
燈具遮光角指光源（LED燈珠）最邊緣一點(diǎn)與燈具開口邊緣的連線與水平線之間的夾角。遮光角是用來控制眩光，衡量燈具光度分布視覺舒適性的重要參數(shù)。若燈具安裝面為水平方向，結(jié)合LED燈具結(jié)構(gòu)，建議將燈具的遮光角設(shè)計(jì)為較易實(shí)現(xiàn)的20°。基于上述前提，由圖5測(cè)算，增加的光源距離顯控臺(tái)最近的位置為圖中的D區(qū)域。此外可保留原照明布局中的A區(qū)域，并延長(zhǎng)形成E區(qū)域。而對(duì)于原始方案中的內(nèi)層隱光燈帶，依據(jù)遮光角原理，經(jīng)測(cè)算LED燈珠下方的遮光板需凸出約220mm，才可避免主顯示屏上反射眩光的產(chǎn)生，而這樣會(huì)極大降低光源的照明效率。
3.3光源的排列方式
由于遮光角因素的存在，建議D、E區(qū)域中的LED燈珠安裝面應(yīng)為水平方向，且燈珠排列方向應(yīng)當(dāng)與方艙的長(zhǎng)側(cè)邊方向垂直。最終，方艙頂部照明改造建議方案如圖5所示，經(jīng)JACK8.4部分仿真驗(yàn)證，滿足避免反射眩光的要求。
4總結(jié)
本文基于某電子設(shè)備方艙內(nèi)燈光的布局形式，通過對(duì)操作人員眼睛、顯示屏幕之間的相對(duì)位置與方艙頂部燈光對(duì)工作人員產(chǎn)生眩光效應(yīng)的關(guān)系進(jìn)行研究，并分析方艙內(nèi)燈光眩光影響因素，最終確定出改進(jìn)型燈光布局形式。經(jīng)過JACK仿真實(shí)驗(yàn)可知此改進(jìn)方案可以有效避免顯控臺(tái)眩光，緩解操作人員因眩光造成的視覺疲勞。因此，該設(shè)計(jì)方案具有一定的可行性，對(duì)后續(xù)的電子設(shè)備方艙的工程實(shí)施建設(shè)具有一定的借鑒意義。
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作者：張怡 張亞玎 單位：中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所