论文部分内容阅读
摘要：为提高人员视觉工效，保证视觉信息的获取效率和质量，在设计阶段对驾驶室内的照明进行准确设计是必不可少的。在以往的设计中，驾驶室内照明设计依靠设计经验完成灯具选型与布置，不能确保照度分布等问题是否符合相关要求。文中运用DIALux建立了某型导弹发射车驾驶室模型，完成了对驾驶室内主要工作平面的照度分析、眩光值分析和照度均匀度分析。为光源参数的选择与布置位置提供了设计参考，完善了发射车人-机-环境的设计内容，缩短了整车研制周期。关键词：导弹发射车；驾驶室；照明设计；照度；眩光
中图分类号：TJ 812+.6文献标识码：A文章编号：1672-7312（2018）01-0060-05
Abstract：In order to improve the visual performance，assure the efficiency and quality of the information obtained through visual，it is necessary to work out the accurate lighting data in cab at the design stage.In the previous design，the cab lighting design depends on the design experience to complete the lamp selection and layout.So，whether or not the distribution of illumination and other issues are in compliance with the requirements is not sure.In this paper，the DIALux is used to establish a simplified model of a missile launch vehicle cab，which completes the illumination analysis，the glare value analysis and the illumination uniformity analysis of the main working plane in the cab.The conclusion can provide a reference for the selection and location parameters of the light source，and complete the manmachineenvironment design content and shorten the development cycle.Key words：missile launch vehicle；cab；lighting design；illuminance；glare
0引言某型导弹发射车具有攻击装甲车辆、地面工事、低空低速武装直升机的能力，其驾驶室内的人-机组合构成导弹发射车的“大脑”。发射车驾驶室内人机交互界面上的感知信号分3类：①视觉信号；②听觉信号；③触觉信号。发射车在执行任务期间，驾驶室内存在较多的视觉信号输入，人员需据此做出判断才可采取特定的应对措施，即保证操作的可靠性。光、对象和眼睛构成视觉现象的3要素[1]，合适的照明（合理的照度、布局合理、稳定均匀、无眩光）能够改善人眼的调节能力，減少视觉疲劳，使人视觉舒适，工作效率得到提高；反之，不良的照明除了令人感到不适、工作效率下降外，还因操作人员无法清晰地辨认呈现的信息而导致错误的判断，以致发生事故。由此可见，驾驶室内的照明效果与通过视觉获得信息的效率和质量有非常密切的关系。为实现视觉信息的准确、高效传递，保证发射车驾驶室内合理的照明有着重要意义。目前针对发射车驾驶室内照明分析过程为设计师依靠设计经验和主观认知完成光源的选择与布置，待产品样机阶段对工作面进行照度等物理量测量后再判断是否符合相关标准。文中将利用计算机辅助设计对发射车驾驶室内照明合理性进行仿真分析，分析驾驶室内在不同状态下指定工作面照度大小、均匀度、眩光值大小等，确保设计结果满足国家军用标准中的相关指标要求[2]。通过仿真分析，为调整光源参数与布置位置提供设计依据，保证人员视觉工效，减少人在操作中的疲劳感[3]，完善发射车人-机-环境的设计内容并有效缩短整车研制周期。
1光照理论
1.1照度照度即单位面积上受到的光照射的光通量，用来表明受照物体表面上光的强弱，所以被用于规定照明的标准值。照度（E）的定义式为式（1）
E=A
（1）
式中，为光通量，lm；A为受照物体面积，m2.如给定光源方向的光强I和入射角θ，在距离为d的某指定点P的照度，可按式（2）计算。
E=Igcos3θA
（2）
式中，θ为受照物体表面法线与点光源照明方向的夹角，（°）；d为受照面与点光源之间的距离，m；I为点光源发光强度，cd.平均照度计算公式为式（3）
Eav=gNgUgKA（3）
式中，为光通量，lm；N为灯具数量，个；U为利用系数，%；K为维修系数，%；A为照射面积，m2.
1.2眩光眩光是指视野中由于不适宜亮度分布，或在空间或时间上存在极端的亮度对比，以致引起视觉不舒适和降低物体可见度的视觉条件。眩光是视觉环境中照明质量的重要特征。按眩光的形成方式可分为：直接眩光：眩光源（窗、灯等）的光线直接射入观察者的眼内所产生的眩光；反射眩光：由视野中的光泽表面的反射引起的眩光；对比眩光：视野内亮度极不均匀所引起的眩光。不论何种眩光，均可导致人的视力下降、视觉模糊，使眼睛不舒适、疲劳和分散注意力，直接影响到视觉效果[4]。在照明设计中应避免眩光现象的发生，如果出现眩光现象，应采取对应措施来减少眩光带来的不良影响。眩光值（UGR）的理论计算公式为式（4） UGR=8·lg025Lb
L2α·ωP2
（4）
式中，LB为背景亮度，cd/m2；
Lα为观察者方向每个灯具的亮度，cd/m2；
ω为每个灯具发光部分对观察者眼睛所形成的立体角，sr；P为每个单独灯具的位置指数。
1.3照射均匀度照射均匀度的定义为式（5）
=Emax
Emin
（5）
式中，Emax为指定工作面中最大照度；
Emin为指定工作面中最小照度。为了实现设计结果的定量化，需要在考虑每个光源叠加效果的基础上，对工作面指定位置进行上述物理量的理论计算。为了得出更为准确的数据，还需要进一步考虑灯具的分布，物体表面反射系数和室内形状等因素。以往的手工计算手段已经不能满足此类复杂分析计算的需求了，而计算机辅助设计是一种更高效、精确、合理的设计手段，在这方面的优势得以体现和发挥，可以在充分考虑各种因素情况下得到较为准确的分析数据。
2照明标准《装甲车辆车内照明要求》中规定主要工作面昼间的照度不低于50 lx，夜间的照度不低于5 lx，对照度均匀度的要求为：同一工作面的最高照度与最低照度之比应小于3∶1.《装甲车辆人-机-环境系统总体设计要求》对密封舱室内有效完成各种任务的最低照度水平规定见表1.某型发射车驾驶室内车长终端集成了阅读地图功能，所以不再使用纸质地图。最终，文中发射车驾驶室内昼间照度不应低于43 lx，夜间照度不应低于4.3 lx.
3DIALux模型的建立DIALux软件是由德国软件公司DIAL开发的专业照明设计软件，提供了室内外灯光设计的数字化解决方案[5]。照度计算时采用逐点计算法，遵循“光子射击”理论完成模拟计算，当光子在投射到空间中时会被正确的复制，并且会考虑物体对象的透明度与反射。计算中考虑了来自灯具、太阳光等的直接照射，以及光经过各表面反射后照射到计算面上的间接照射。计算过程采用“有限元”思想，会根据计算面自动地划分网格，以网格为单位，计算出其自身表面吸收和反射的光，之后网格合成得到计算面的照度值。如果某处照度值变化明显，将自动细化相应位置的网格，这样即保证了较高的计算准确性，有保证了运算速度[6]。综上所述，DIALux具有偏重数据和真实、能够模拟真实的光环境、照明分析结果详细、准确、直观等优点。DIAlux软件计算模型是按CIE140和EN13201进行的，CIE140的主要光学计算模型如式（6）。
Eh=I（c，γ）gcos3εggMFH2
（6）式中，Eh为维持水平照度；为所有光源照度的和；I（c，γ）为灯具指向P点的光强值；是P点的入射角；为每个光源的起始光通量，lm；MF为灯具照度维护系数与光源维护系数的乘积。
DIALux建模方式有2种。第一种方式为通过外部三维模型导入，但是导入后的模型计算面过多，影响后期计算速度与精度；第二种方式为采用软件自带的建模功能完成模型的建立。文中采用DIALux自带的建模功能，参考原理样机三维模型等比例制作仿真模型。简化后的模型如图1所示[7]。驾驶室内照明灯功率为10 W，光通量为400 lm，灯具安装位置与模型布置位置保持一致。内部照明配备双重照明系统。在昼间，为补偿日光照射，采用白光照明；夜间为满足暗适应以及低照度照明要求，选择为红光照明。内部涂装色与驾驶室的设计说明保持一致。根据驾驶室内饰颜色与图层设计要求，设置“顶面”反射比为0.75，“墙面”反射比为0.55，“地面”反射比设置为0.3，人员作业面的反射比为0.4.
4仿真计算
4.1仅自然光且无遮光帘DIALux中可对自然光进行不同天空类型、不同时刻的模拟。其天空是按照CIE110-1994天空类型设定的，天空中的每一点都被赋予一个亮度，而亮度取决于太阳方位角、太阳高度角、天空方位角等。该仿真模拟中午14∶00的直接日光照射，驾驶室内显示器正常工作，照明设备关闭，且无遮光帘的情况，得到驾驶室内光照分析伪色图如图2所示。得到的分析结果见表2～表4.
仿真结果表明左右两侧射手位的工作面照度均匀度不满足要求。虽然还没有引起眩光现象的发生，但是会对人视觉工效造成一定影响。所以需要采取相应的遮阳措施来改善照度均匀度。对比表3与表4中的照度分析结果，发现左侧射手位较右侧射手位的照度數值偏高，而实际布置中左右射手基本对称，且灯具位置也在中轴线上。分析后，发现是由于建模时左侧射手所处方位为西侧，而仿真模拟的是14∶00的直接日光照射，从这个角度也说明了仿真的真实性。
4.2仅自然光输入且有遮光帘该仿真模拟中午14∶00的直接日光照射，驾驶室内显示器正常工作，照明设备关闭，且有遮光帘的情况，得到驾驶室内光照分析伪色图如图3所示。得到的分析结果见表5～表7.
仿真结果表明在遮光帘的作用下，人员工作面的照度值、照度均匀度以及眩光值均满足国家军用标准中的相关要求。说明了发射车配备遮光帘的必要性。
4.3驾驶室内白光输入时该仿真模拟夜间（00∶00）需要拆装设备等非隐蔽性要求时驾驶室内的照明情况，该条件下驾驶室内显示器正常工作，照明设备为白色光，且有遮光帘，得到驾驶室内光照分析伪色图如图4所示。得到的分析结果见表8～表10.
仿真结果表明夜间照明为白光输入时，照明设计结果满足国家军用标准中的相关要求。也可以满足因昼间自然光不足需要照明的情况。
4.4驾驶室内红光输入时当需要满足一定的暗适应条件，并有隐蔽要求时，车内双重照明系统切换为红光照射[8]。该条件下驾驶室内显示器正常工作，有遮光帘，得到该条件下的伪色图如图5所示。
仿真结果表明为满足暗适应选择红光照明时，其照明设计结果满足国家军用标准中的相关要求。
5结语文章通过DLALux软件完成了针对某型导弹发射车驾驶室的照明分析，分析了驾驶室在自然光无遮光帘、自然光有遮光帘、夜间白光、夜间红光共4种工况。分析结果表明，驾驶室有配备遮光帘的必要性，且针对目前的灯具选择与布置而言，照明设计结果满足国家军用标准中的相关要求。文中利用仿真计算得到了不同工况下的驾驶室内照度值和眩光值等照明参数，对保证特种车辆操作人员的视觉工效有较大的意义。至此，在原理样机阶段就可对导弹发射车驾驶室内的照明情况进行分析，为驾驶室内的优化设计提供设计依据。但是，文中并未完成对样车进行实际的测试工作。后期可结合测试结果与软件仿真结果，完成对仿真的参数进行修正，以得到更加准确的仿真结果。
参考文献：
[1]饶鹏飞.中国高速列车室内照明环境设计研究[D].成都：西南交通大学，2012.[2]路博.室内光环境辅助性设计应用与研究[D].太原：太原理工大学，2015.
[3]于娜.人体仿真技术在先进制造作业疲劳研究中的应用[J].技术与创新管理，2016，37（2）：163-166.[4]杨公侠，杨旭东.不舒适眩光与不舒适眩光评价（1）[J].照明工程学报，2006，17（2）：11-15.[5]黄旭.基于DIALux仿真分析的厂房照明设计[J].照明工程学报，2013（6）：120-124.[6]李辉.DIALux软件在水泥厂照度计算中的应用[J].中国水泥，2014（1）：91-92.[7]樊烨，裴雷.DIALux软件在铁路客运站房照明设计中的应用[J].电气应用，2014（2）：25-32.[8]赵强.室内光环境的应用性研究[D].南京：南京林业大学，2006.
（责任编辑：张江）
中图分类号：TJ 812+.6文献标识码：A文章编号：1672-7312（2018）01-0060-05
Abstract：In order to improve the visual performance，assure the efficiency and quality of the information obtained through visual，it is necessary to work out the accurate lighting data in cab at the design stage.In the previous design，the cab lighting design depends on the design experience to complete the lamp selection and layout.So，whether or not the distribution of illumination and other issues are in compliance with the requirements is not sure.In this paper，the DIALux is used to establish a simplified model of a missile launch vehicle cab，which completes the illumination analysis，the glare value analysis and the illumination uniformity analysis of the main working plane in the cab.The conclusion can provide a reference for the selection and location parameters of the light source，and complete the manmachineenvironment design content and shorten the development cycle.Key words：missile launch vehicle；cab；lighting design；illuminance；glare
0引言某型导弹发射车具有攻击装甲车辆、地面工事、低空低速武装直升机的能力，其驾驶室内的人-机组合构成导弹发射车的“大脑”。发射车驾驶室内人机交互界面上的感知信号分3类：①视觉信号；②听觉信号；③触觉信号。发射车在执行任务期间，驾驶室内存在较多的视觉信号输入，人员需据此做出判断才可采取特定的应对措施，即保证操作的可靠性。光、对象和眼睛构成视觉现象的3要素[1]，合适的照明（合理的照度、布局合理、稳定均匀、无眩光）能够改善人眼的调节能力，減少视觉疲劳，使人视觉舒适，工作效率得到提高；反之，不良的照明除了令人感到不适、工作效率下降外，还因操作人员无法清晰地辨认呈现的信息而导致错误的判断，以致发生事故。由此可见，驾驶室内的照明效果与通过视觉获得信息的效率和质量有非常密切的关系。为实现视觉信息的准确、高效传递，保证发射车驾驶室内合理的照明有着重要意义。目前针对发射车驾驶室内照明分析过程为设计师依靠设计经验和主观认知完成光源的选择与布置，待产品样机阶段对工作面进行照度等物理量测量后再判断是否符合相关标准。文中将利用计算机辅助设计对发射车驾驶室内照明合理性进行仿真分析，分析驾驶室内在不同状态下指定工作面照度大小、均匀度、眩光值大小等，确保设计结果满足国家军用标准中的相关指标要求[2]。通过仿真分析，为调整光源参数与布置位置提供设计依据，保证人员视觉工效，减少人在操作中的疲劳感[3]，完善发射车人-机-环境的设计内容并有效缩短整车研制周期。
1光照理论
1.1照度照度即单位面积上受到的光照射的光通量，用来表明受照物体表面上光的强弱，所以被用于规定照明的标准值。照度（E）的定义式为式（1）
E=A
（1）
式中，为光通量，lm；A为受照物体面积，m2.如给定光源方向的光强I和入射角θ，在距离为d的某指定点P的照度，可按式（2）计算。
E=Igcos3θA
（2）
式中，θ为受照物体表面法线与点光源照明方向的夹角，（°）；d为受照面与点光源之间的距离，m；I为点光源发光强度，cd.平均照度计算公式为式（3）
Eav=gNgUgKA（3）
式中，为光通量，lm；N为灯具数量，个；U为利用系数，%；K为维修系数，%；A为照射面积，m2.
1.2眩光眩光是指视野中由于不适宜亮度分布，或在空间或时间上存在极端的亮度对比，以致引起视觉不舒适和降低物体可见度的视觉条件。眩光是视觉环境中照明质量的重要特征。按眩光的形成方式可分为：直接眩光：眩光源（窗、灯等）的光线直接射入观察者的眼内所产生的眩光；反射眩光：由视野中的光泽表面的反射引起的眩光；对比眩光：视野内亮度极不均匀所引起的眩光。不论何种眩光，均可导致人的视力下降、视觉模糊，使眼睛不舒适、疲劳和分散注意力，直接影响到视觉效果[4]。在照明设计中应避免眩光现象的发生，如果出现眩光现象，应采取对应措施来减少眩光带来的不良影响。眩光值（UGR）的理论计算公式为式（4） UGR=8·lg025Lb
L2α·ωP2
（4）
式中，LB为背景亮度，cd/m2；
Lα为观察者方向每个灯具的亮度，cd/m2；
ω为每个灯具发光部分对观察者眼睛所形成的立体角，sr；P为每个单独灯具的位置指数。
1.3照射均匀度照射均匀度的定义为式（5）
=Emax
Emin
（5）
式中，Emax为指定工作面中最大照度；
Emin为指定工作面中最小照度。为了实现设计结果的定量化，需要在考虑每个光源叠加效果的基础上，对工作面指定位置进行上述物理量的理论计算。为了得出更为准确的数据，还需要进一步考虑灯具的分布，物体表面反射系数和室内形状等因素。以往的手工计算手段已经不能满足此类复杂分析计算的需求了，而计算机辅助设计是一种更高效、精确、合理的设计手段，在这方面的优势得以体现和发挥，可以在充分考虑各种因素情况下得到较为准确的分析数据。
2照明标准《装甲车辆车内照明要求》中规定主要工作面昼间的照度不低于50 lx，夜间的照度不低于5 lx，对照度均匀度的要求为：同一工作面的最高照度与最低照度之比应小于3∶1.《装甲车辆人-机-环境系统总体设计要求》对密封舱室内有效完成各种任务的最低照度水平规定见表1.某型发射车驾驶室内车长终端集成了阅读地图功能，所以不再使用纸质地图。最终，文中发射车驾驶室内昼间照度不应低于43 lx，夜间照度不应低于4.3 lx.
3DIALux模型的建立DIALux软件是由德国软件公司DIAL开发的专业照明设计软件，提供了室内外灯光设计的数字化解决方案[5]。照度计算时采用逐点计算法，遵循“光子射击”理论完成模拟计算，当光子在投射到空间中时会被正确的复制，并且会考虑物体对象的透明度与反射。计算中考虑了来自灯具、太阳光等的直接照射，以及光经过各表面反射后照射到计算面上的间接照射。计算过程采用“有限元”思想，会根据计算面自动地划分网格，以网格为单位，计算出其自身表面吸收和反射的光，之后网格合成得到计算面的照度值。如果某处照度值变化明显，将自动细化相应位置的网格，这样即保证了较高的计算准确性，有保证了运算速度[6]。综上所述，DIALux具有偏重数据和真实、能够模拟真实的光环境、照明分析结果详细、准确、直观等优点。DIAlux软件计算模型是按CIE140和EN13201进行的，CIE140的主要光学计算模型如式（6）。
Eh=I（c，γ）gcos3εggMFH2
（6）式中，Eh为维持水平照度；为所有光源照度的和；I（c，γ）为灯具指向P点的光强值；是P点的入射角；为每个光源的起始光通量，lm；MF为灯具照度维护系数与光源维护系数的乘积。
DIALux建模方式有2种。第一种方式为通过外部三维模型导入，但是导入后的模型计算面过多，影响后期计算速度与精度；第二种方式为采用软件自带的建模功能完成模型的建立。文中采用DIALux自带的建模功能，参考原理样机三维模型等比例制作仿真模型。简化后的模型如图1所示[7]。驾驶室内照明灯功率为10 W，光通量为400 lm，灯具安装位置与模型布置位置保持一致。内部照明配备双重照明系统。在昼间，为补偿日光照射，采用白光照明；夜间为满足暗适应以及低照度照明要求，选择为红光照明。内部涂装色与驾驶室的设计说明保持一致。根据驾驶室内饰颜色与图层设计要求，设置“顶面”反射比为0.75，“墙面”反射比为0.55，“地面”反射比设置为0.3，人员作业面的反射比为0.4.
4仿真计算
4.1仅自然光且无遮光帘DIALux中可对自然光进行不同天空类型、不同时刻的模拟。其天空是按照CIE110-1994天空类型设定的，天空中的每一点都被赋予一个亮度，而亮度取决于太阳方位角、太阳高度角、天空方位角等。该仿真模拟中午14∶00的直接日光照射，驾驶室内显示器正常工作，照明设备关闭，且无遮光帘的情况，得到驾驶室内光照分析伪色图如图2所示。得到的分析结果见表2～表4.
仿真结果表明左右两侧射手位的工作面照度均匀度不满足要求。虽然还没有引起眩光现象的发生，但是会对人视觉工效造成一定影响。所以需要采取相应的遮阳措施来改善照度均匀度。对比表3与表4中的照度分析结果，发现左侧射手位较右侧射手位的照度數值偏高，而实际布置中左右射手基本对称，且灯具位置也在中轴线上。分析后，发现是由于建模时左侧射手所处方位为西侧，而仿真模拟的是14∶00的直接日光照射，从这个角度也说明了仿真的真实性。
4.2仅自然光输入且有遮光帘该仿真模拟中午14∶00的直接日光照射，驾驶室内显示器正常工作，照明设备关闭，且有遮光帘的情况，得到驾驶室内光照分析伪色图如图3所示。得到的分析结果见表5～表7.
仿真结果表明在遮光帘的作用下，人员工作面的照度值、照度均匀度以及眩光值均满足国家军用标准中的相关要求。说明了发射车配备遮光帘的必要性。
4.3驾驶室内白光输入时该仿真模拟夜间（00∶00）需要拆装设备等非隐蔽性要求时驾驶室内的照明情况，该条件下驾驶室内显示器正常工作，照明设备为白色光，且有遮光帘，得到驾驶室内光照分析伪色图如图4所示。得到的分析结果见表8～表10.
仿真结果表明夜间照明为白光输入时，照明设计结果满足国家军用标准中的相关要求。也可以满足因昼间自然光不足需要照明的情况。
4.4驾驶室内红光输入时当需要满足一定的暗适应条件，并有隐蔽要求时，车内双重照明系统切换为红光照射[8]。该条件下驾驶室内显示器正常工作，有遮光帘，得到该条件下的伪色图如图5所示。
仿真结果表明为满足暗适应选择红光照明时，其照明设计结果满足国家军用标准中的相关要求。
5结语文章通过DLALux软件完成了针对某型导弹发射车驾驶室的照明分析，分析了驾驶室在自然光无遮光帘、自然光有遮光帘、夜间白光、夜间红光共4种工况。分析结果表明，驾驶室有配备遮光帘的必要性，且针对目前的灯具选择与布置而言，照明设计结果满足国家军用标准中的相关要求。文中利用仿真计算得到了不同工况下的驾驶室内照度值和眩光值等照明参数，对保证特种车辆操作人员的视觉工效有较大的意义。至此，在原理样机阶段就可对导弹发射车驾驶室内的照明情况进行分析，为驾驶室内的优化设计提供设计依据。但是，文中并未完成对样车进行实际的测试工作。后期可结合测试结果与软件仿真结果，完成对仿真的参数进行修正，以得到更加准确的仿真结果。
参考文献：
[1]饶鹏飞.中国高速列车室内照明环境设计研究[D].成都：西南交通大学，2012.[2]路博.室内光环境辅助性设计应用与研究[D].太原：太原理工大学，2015.
[3]于娜.人体仿真技术在先进制造作业疲劳研究中的应用[J].技术与创新管理，2016，37（2）：163-166.[4]杨公侠，杨旭东.不舒适眩光与不舒适眩光评价（1）[J].照明工程学报，2006，17（2）：11-15.[5]黄旭.基于DIALux仿真分析的厂房照明设计[J].照明工程学报，2013（6）：120-124.[6]李辉.DIALux软件在水泥厂照度计算中的应用[J].中国水泥，2014（1）：91-92.[7]樊烨，裴雷.DIALux软件在铁路客运站房照明设计中的应用[J].电气应用，2014（2）：25-32.[8]赵强.室内光环境的应用性研究[D].南京：南京林业大学，2006.
（责任编辑：张江）