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电子设备方舱眩光照明设计探析

所属栏目:光电技术论文 发布日期:2021-03-24 09:05 热度:

   电子设备方舱通常是电子设备系统和操作人员的主要载体,其内部空间狭窄闭塞,操作人员需长时间在该环境内进行高效而精准的工作[1]。当前在方舱设计中,普遍存在方舱内光分布不合理、光源对操作人员的眩光影响[2]。本文以某电子设备方舱内灯光布局形式为例,系统地阐述了方舱内照明及眩光的影响因素,并提出灯光合理的布局形式,从而改善眩光对于操作人员的影响,有效提升操作人员生理及心理的舒适性。

电子设备方舱眩光照明设计探析

  1电子设备方舱照明设计分析

  1.1灯光布局分析

  以某电子设备方舱内部设备布局为例,方舱近车头端放置三联双显显控台,单个显控台中两台显示屏成上下排布,另一端头放置机柜等相应设备。其中,舱内照明主要为方舱顶部内外双层圆弧形布局的灯带:内层为内凹式隐光LED灯带,LED灯具安装面为竖直方向;外层为直射LED灯带,LED灯具安装面为水平方向。方舱内空间尺寸狭小,且灯光安装高度较低,同时设备显示屏幕较多,因此极易造成眩光。为了提升操作人员的舒适性,方舱内照明需要照度充足且分布适宜。因此,方舱内照明首先应避免眩光,其次相应的工作区域应有合理的照明和均匀度。

  1.2显控台眩光分析

  显控台为产品运行时,工作人员的主要活动地点和操作对象,有必要进行眩光问题的人因分析。图1所示为原始方案实物中出现的显示屏眩光现象,由照片可知眩光会严重影响工作人员对显示屏信息的识读,进而影响视觉疲劳、降低操作效率。舱内照明对工作人员产生的眩光分为直接眩光和反射眩光[3]。该方舱中光源布置在操作人员的正上方和后上方,依据光源位置与视线夹脚的关系原理,其并不在视线夹角60°区域内,所以基本不存在直射眩光。当光源布局以及灯具选型不恰当时,显示屏幕上会出现光源的反射影像,此光源就会对工作人员产生反射眩光。而光源布置位置与显示屏幕夹角、工作人员的坐姿视高以及灯具安装高度存在直接关系,如图2所示。由图可知,在α、β、L和H不变的情况下,若工作人员坐姿视高H1越小,则光源理想安装区域L1和L2越小,即越容易产生反射眩光。

  2照明仿真及计算分析

  2.1JACK模拟仿真

  本文运用JACK8.4人因功效仿真软件,该软件支持用户在虚拟环境中定义精准的不同尺寸的数字人体,进而定义其完成制定的任务并分析相应的感受[4]。对舱室内反射眩光进行直观的分析,首先开展人因工程建模,包括人(显控台操作人员)、机(显控台和显示屏)、环境(电子方舱)三类模型,具体建模应严格遵循相关的指标要求。在JACK8.4中建立的场景模型。由图2可知,人体模型的坐姿视高选择较低百分位的参数有利于更全面的分析和规避眩光问题,故在场景模型中,参照相关标准内影响坐姿视高的所有5%分位参数,对人体模型进行编辑重建。最终,人体模型的坐姿视高H1=1157mm,眼球到显控台后端面为L=980mm。其次,对显控台最远端的操作席位(远离舱门端)进行仿真:操作人员平视前方时,主显示屏出现大面积的光源反射影像(如图3),其中内层隐光灯带和外层直射灯带的横向部分(未考虑遮光角)的反射影像直接出现在屏幕正中;操作人员抬头仰视时,次显示屏上并未出现光源的反射影像(如图3)。对中端和近端的两个操作席位的反射眩光仿真结果与前述基本相同。经仿真结果验证可知,操作人员在作业时灯光的反射区域主要集中于显控台的主显示屏且影响较大,而次屏幕并未受到灯光反射影响。

  2.2计算分析

  为了进一步验证JACK8.4的仿真结果,同时得出光源理想安装区域L1和L2的参考尺寸,利用AutoCAD开展二维图作图求解。如图4所示,依照方舱三维模型,并同样以H1=1157mm,L=980mm作出二维图,同时依据光的反射原理,以主显示屏和次显示屏的上沿为点划线作图,得出L1、L2区域。非L1和非L2的并集,即┐L1∪┐L2即为产生反射眩光的光源布置区域。由图可知,舱顶现有光源远离显控台端的大部分区域会在主显示屏中产生反射眩光,而在次显示屏上不会产生反射眩光。对于外层直射灯带中的A部分,若不考虑灯具的遮光角,其在主显示屏上会显示全部反射影像,若考虑遮光角,则由图测算,当灯具的遮光角不小于14°时,则A部分的光源基本不会在主显示屏上产生反射眩光。

  2.3结论

  对于显控台反射眩光等人因问题,通过三维仿真分析和二维图计算分析,得出如下结论:(1)由于方舱内空间尺寸狭小且屏幕较多,光源安装高度较低,极易出现反射眩光,增加了操作人员的视觉疲劳从而降低工作效率;(2)经分析,方舱内对于操作人员的眩光有两种,分别为靠近视线方向的光源直射光产生的直接眩光和灯光在显示屏幕产生的反射眩光,经过仿真实验可知,目前舱室内主要是反射眩光造成的视觉影响,因此仅针对反射眩光提示修改方案;(3)如图4所示,L1和L2分别表示光源距控制台的距离,如果光源布置在L1区域内,操作人员在作业时主屏幕和次屏幕将不会受到光源的反射影响,如果光源布置在┐L1∪┐L2区域,主屏幕必然会受到光源的影响。

  3照明及灯光优化方案

  方舱内操作人员需要连续长时间的在控制台和工作台进行细致而精密的操作,良好的灯光照明质量不仅可以提高操作人员在作业时的辨识能力,而且可以缓解视觉疲劳和提升工作效率[5]。经过实验仿真计算分析可得,目前方舱内主要出现的问题是光源对操作人员产生眩光效应,在一定程度上影响了操作人员在作业中的生理和心理的舒适性。基于先前的仿真及计算分析并针对上述问题,提出了几点改进意见。

  3.1灯具的安装区域

  由图10分析并测量可知L1=1915mm,故依据原有灯光布局,可确定C区域为理想灯具布置区域,如图5所示。然而,若仅在C区域布置灯具,机柜区域照度会严重不足,影响机柜的前期安装和后期的操作及维修。同时为了保证C操作人员能精准高效的完成作业任务,工作区域各作业面的照度均匀度必须达到一定的水平。因此,在优化了灯具遮光角和排列方式的前提下,应当在C区域和内饰板之间的区域额外布置灯具。

  3.2灯具的遮光角

  灯具遮光角指光源(LED灯珠)最边缘一点与灯具开口边缘的连线与水平线之间的夹角。遮光角是用来控制眩光,衡量灯具光度分布视觉舒适性的重要参数。若灯具安装面为水平方向,结合LED灯具结构,建议将灯具的遮光角设计为较易实现的20°。基于上述前提,由图5测算,增加的光源距离显控台最近的位置为图中的D区域。此外可保留原照明布局中的A区域,并延长形成E区域。而对于原始方案中的内层隐光灯带,依据遮光角原理,经测算LED灯珠下方的遮光板需凸出约220mm,才可避免主显示屏上反射眩光的产生,而这样会极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,建议D、E区域中的LED灯珠安装面应为水平方向,且灯珠排列方向应当与方舱的长侧边方向垂直。最终,方舱顶部照明改造建议方案如图5所示,经JACK8.4部分仿真验证,满足避免反射眩光的要求。

  4总结

  本文基于某电子设备方舱内灯光的布局形式,通过对操作人员眼睛、显示屏幕之间的相对位置与方舱顶部灯光对工作人员产生眩光效应的关系进行研究,并分析方舱内灯光眩光影响因素,最终确定出改进型灯光布局形式。经过JACK仿真实验可知此改进方案可以有效避免显控台眩光,缓解操作人员因眩光造成的视觉疲劳。因此,该设计方案具有一定的可行性,对后续的电子设备方舱的工程实施建设具有一定的借鉴意义。

  参考文献

  [1]陈亭元.基于易用性原则的指挥控制舱设计研究[D].西安工业大学,2019.

  [2]吴姗,余隋怀,杨延璞,等.车载控制舱无眩光照明设计方法[J].制造业自动化,2014(02):35-38.

  [3]赵邦.工作环境照明设计研究[J].科技信息(学术版),2007(24):1.

  [4]于文恺,蒲海蓉.基于JACK的人因工程优化研究[J],科技创新导报,2009(2):10-11.

  [5]石英.人因工程学[M].北京:清华大学出版社,北京交通大学出版社,2011.

  《电子设备方舱眩光照明设计探析》来源:《工业设计》,作者:张怡 张亚玎

文章标题:电子设备方舱眩光照明设计探析

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