客舱情景照明调光方式

李 薇，卢 妍，林燕丹

(1.上海航空电器有限公司，上海 201101；2.复旦大学电光源研究所，上海 200433)

引言

根据民用飞机照明标准的要求，客舱照明不仅要满足乘客视觉功能性需求外，还需满足心理/生理的需求，即通过灯光布局、各种模式光色策略和内饰的精心设计，降低乘客空间狭小而产生的恐惧感，或跨时区飞行引起的时差综合症，从而营造舒适的乘机环境[1]。

在飞机客舱内，环境光会随飞行过程、人员活动、外部环境的变化而变化，因此需要根据飞行阶段提供相应的照明模式，在模式之间切换时应充分考虑乘客舒适性需求，通过LED照明系统的连续调节为飞机客舱营造出不同照明模式之间光色平滑、平稳而令人觉察不到的过渡[2]。人眼以非线性的方式感受亮度的变化，而且个体间存在着差异。通过视觉工效的研究表明，基于人眼的生理特性如瞳孔扩张、人眼明适应、暗适应、高亮度人眼饱和特性等，人眼是以幂函数的方式感受光的变换[3]。目前，国外飞机客舱内提供的情景照明在各个模式之间进行切换时，都遵循着光色平滑而令人觉察不到的过渡原则[4]。室内照明在调节暖白光(2 700～2 200 K)时，通常采用平稳的、自然的调光方式[5]。LED调光技术中大量应用了人眼感受亮度的原理，确保连续、平滑调光，满足人眼舒适调光的需求。此外，照明相关色温的偏好与照度有关，即要满足Kruithof提出的舒适性调光原则[6]，因此调光方式还需考虑色温的调节。我国飞机照明设备的调光研究集中在基于环境光的显示或泛光照明的自动调光方面，并提出了幂函数或线性的亮度调节方式[7]。同时对于室内照明调光系统的研究主要也是探究如何根据环境光变化进行自适应调光，而缺少对调光过程采用何种调节方式的研究[8]。

为此，本文针对不同情景照明模式之间的光环境过渡变化的调光方式进行研究，不仅考虑了人眼的主观感受特性，还兼顾了不同函数形式调光方式的视觉、心理感受。另外，大多数飞机照明系统的调光主要是符合人眼特性的环境光自适应亮度调光(幂函数调光曲线)，没有进行过客舱照明不同函数调光方式的舒适度性研究，特别是对色温变化方式的研究，因此本文将采取心理物理学实验，研究满足乘客视觉、心理舒适性的调光方式：①分别确定客舱内5 700 K、2 700 K两种高低色温下，照度水平从高到低或从低到高变化时的舒适性照度调节方式；②分别确定350 lx、50 lx两种高低照度下，客舱内色温从高到低或从低到高变化时的舒适性色温调节方式。

1 实验方法

1)受测者。随机选取上海市某高校大学生、研究生、博士共15名(其中男生7人，女生8人)，平均年龄为24岁(范围：20～28岁)，有乘机经验，正视力0.8以上，无色盲色弱。

2)实验装置。

(a)实验环境。如图1所示，实验房间长3 m、宽2 m，四周为白色，模拟普通民机内客舱墙面，中央放置有一把椅子，实验时被试面向图片就坐于椅子上。

图1 客舱环境示意图Fig.1 The view of cabin environment

(b)实验设备。实验设备包括照明场景模拟器和色彩照度计，具体参数如下：

照明场景模拟器：LED Cube，它有11个通道即有11种不同光谱的LED，光谱覆盖了380～780 nm的可见光范围(见图2)，可任意设置动态照明中的光源顺序和点亮时间。在本实验中照度调节范围为50～350 lx，色温调节范围为2 700～5 700 K,显色指数大于85。

图2 LED照明场景模拟器Fig.2 LED-based standard lighting environment provider

色彩照度计：KONIKA MINOLTACL-200A。测量范围：0.1～99 990 lx，精度：显示值的±2%，色度坐标：±0.002。

3)实验参数和实验任务。参考民用客机照明标准的要求[1]，选取客舱内照明环境一般设置范围内的照度值与色温值，选取典型调光方式分别进行照度调节和色温调节乘客偏好实验。

照度调节偏好实验参数设置如表1所示，测试位置均为坐姿眼位(垂直高度1.2 m处)。设置两种起始照度值：50 lx、350 lx；设置两种色温：2 700 K、5 700 K。在2×2=4种实验条件下分别设置四种照度调节方式：线性调节、指数调节、对数调节、幂函数调节，调节时间为60 s。

表1 实验参数设置——照度调节Table 1 Parameter setting of experiment-Illuminance adjusting

色温调节偏好实验参数设置如表2所示，设置两种起始色温值：2 700 K、5 700 K；设置两种照度水平：50 lx、350 lx。在2×2=4种实验条件下分别设置四种色温调节方式：线性调节、指数调节、对数调节、幂函数调节，调节时间为60 s。

表2 实验参数设置——色温调节Table 2 Parameter setting of experiment-Temperature adjusting

实验中调光方式的函数方程见表3。

表3 调光曲线的函数方程Table 3 Function of dimming profile

被试在照度调节偏好实验下2×2共计4种实验条件下，完成以下实验任务：①观察4种照度调节调光方式；②完成视觉舒适度评价表。

被试在色温调节偏好实验下2×2共计4种实验条件下，完成以下实验任务：①观察4种色温调节调光方式；②完成视觉舒适度评价表。

4)实验材料。①视力表；②色盲测试图；③视觉舒适度评价量表——依据环境氛围定量评估词义表[7，8]，规定了多组词义相反的形容词对，如舒适程度、放松程度、速度、闪烁等几个方面进行分析，形容词对之间是7个等级的量尺，被试依据主观感受选择评价等级。

5)实验程序。①主试使用视力表和色盲测试图检测被试；②照明场景模拟器开关打开，被试入座，适应初始照明环境；③待适应了环境后开始提供相应光环境，然后由被试对调光方式进行舒适度评价；④完成好某个光照条件下的评估后，被试需要进行休息，然后进行下一组实验；⑤为了不影响后续操作，实验顺序的安排上采用抵消平衡法。

2 实验结果与分析

本实验中具有照度、色温、调光方式3个实验研究变量，同时对所有被试作了重复测量，因此将采用多因素重复测量的方差分析法，通过SPSS统计软件进行数据处理，得到被试在不同色温、照度、调光方式下的调光方式舒适性偏好及主观问卷评分。

2.1 调光方式的舒适性选择实验结果

在实验中，按表1、表2规定的照度、色温组合要求，为被试提供了8种组合的照明条件，然后在每组光照条件下，播放4种函数的调光方式，然后由被试体验完所有的调光方式后，选择出舒适的调光曲线，然后继续按实验程序完成8种光环境的舒适性调光方式的偏好选择，实验结果通过SPSS统计软件进行偏好人数统计分析，见表4。

表4 舒适性选择人数统计表Table 4 Statistics for number of people of comfort prefer

注：被试的总人数为15人，表格括号内为总人数的占比；数值高的为选择人数最多的调光方式

由表4可知，除了350—50 lx、2 700 K(暖白光且亮变暗)的条件外，其余的舒适性选择人数都达到了60%以上，偏好选择的集中度比较高；在低(或高)色温下，照度由暗到亮(或由亮变暗)动态变化的组合光照环境下选择了线性函数、幂函数。

在低(或高)照度下，色温由暖白变冷白(或由冷白变暖白)动态变化的组合光照环境下，2 700—5 700 K、50 lx(低亮度下，暖白变冷白)的条件下，舒适性选择人数达到了60%，偏好选择的集中度比较高，选择了幂函数；其余的偏好选择都低于50%，在33%～50%之间，分散在了幂函数、线性函数、对数函数上，较照度动态变化分散；尤其在5 700—2 700 K,50 lx光照条件下，选择很均匀，对数函数(4人)、线性函数(5人)、幂函数(5人)；最后在色温动态变化的光照条件下，选择指数调光的人数少于20%，一般在3人以下。

2.2 问卷评分的实验结果

在实验中，按表1、表2规定的照度、色温组合要求，为被试提供了8种组合的照明条件，然后在每组光照条件下，每播放1种函数的调光方式，然后由被试进行体验，然后针对调光方式填写问卷，然后对舒适程度、清醒程度、闪烁、放松程度、速度等几个方面进行主观评分，然后继续按实验程序完成8种光环境下每种调光方式的主观评分，实验后的问卷评分结果见表5。

表5 调光方式问卷评分结果(环境氛围评价量表[8])Table 5 Result for rating inventory questionnaire of dimming function (atmosphere perception scales[8])

注：表中的数据为中位数、第一四分位数(25%)、第三四分位数(75%)；2、8种环境照明条件下的对数函数、线性函数、幂函数、指数函数调光方式下的主观量表评分

1)照度动态变化实验结果。照度动态变化的研究变量为色温(如2 700 K、5 700 K)、照度动态变化(如50—350 lx、350—50 lx)，调光方式(对数函数、线性函数、幂函数、指数函数)，把所有的15个被试作为1组，接受了2×2×4的实验，各个变量的主效应方差分析见表6～表8，见图3～图5。

表6 照度变化的色温主观评分均值成对比较Table 6 Paired comparison for temperature average rating inventory questionnaire of illuminancy change

注：*p<0.05 为2种色温主效应主观评分均值成对比较

表7 照度变化的照度主观评分均值成对比较Table 7 Paired comparison for illuminancy average rating inventory questionnaire of illuminancy change

注：*p<0.05 为2种照度主效应主观评分均值成对比较

表8 照度变化的调光方式主观评分均值成对比较Table 8 Paired comparison for dimming function average rating inventory questionnaire of illuminancy change

注：*p<0.05 为4种调光方式主效应主观评分均值成对比较

图3 照度变化的色温主观评分均值Fig.3 Temperature average rating inventory questionnaire of illuminancy change

图4 照度变化的照度主观评分均值Fig.4 Illuminancy average rating inventory questionnaire of illuminancy change

图5 照度变化的调节方式主观评分均值Fig.5 Dimming function average rating inventory questionnaire of illuminancy change

难受-舒适性评分结果与舒适性调光方式的偏好选择相一致。在2 700 K、50—350 lx 光照环境下的幂函数调光方式的评分均高于其他的方式；在高色温5 700 K(2种照度变化)的光照条件下，线性调光方式的评分高于其他的方式。通过重复性方差分析，色温、照度变化的主效应未达到显著性的水平，调光方式对舒适性主观评分产生显著影响。

清醒-昏睡评分结果与舒适性调光方式的选择是不一致的。评分越低，代表清醒程度高，都是舒适性偏好选择人数较少的调光方式评分较低，如对数、指数。通过重复性方差分析，色温、照度变化的主效应达到显著性的水平，尤其是照度动态变化方向，当环境由暗变亮时，清醒评分较小。

不闪烁-闪烁评分结果与舒适性调光方式的偏好选择相一致。除了 2 700 K、50—350 lx 光照环境下对数的评分最低，与舒适性调光方式的偏好选择结果差异较大，即被试均未选择对数调光方式。通过重复性方差分析，色温、照度变化的主效应未达到显著性的水平，调光方式对舒适性主观评分产生显著影响。

紧张-放松评分结果与舒适性调光方式的偏好选择相一致。通过重复性方差分析，色温、调光方式的主效应达到了显著性水平，尤其低色温对放松评分的影响比较显著。

慢的-快的评分结果与舒适性调光方式的偏好选择相一致。即舒适调光方式的评分较低，被试感觉照度动态变化比较缓慢。通过重复性方差分析，色温、照度变化、调光方式的主效应未达到显著性的水平。

2)色温动态变化实验结果。色温动态变化的研究变量为照度(如50 lx、350 lx)、照度动态变化(如2 700—5 700 K、5 700—2 700 K)，调光方式(对数函数、线性函数、幂函数、指数函数)，把所有的15个被试作为1组，接受了2×2×4的实验，各个变量的主效应方差分析见表9～表11，图6～图8。

难受-舒适性评分结果与舒适性调光方式的偏好选择相一致。在50 lx、5 700—2 700 K光照环境下的指数调光方式的评分最低,与表4的结果一致。通过重复性方差分析，照度、色温变化、调光方式的主效应未达到显著性的水平，在调光方式的主效应影响上，只有幂函数-线性函数的方差分析达到显著性水平。

表9 色温变化的照度主观评分均值成对比较Table 9 Paired comparison for illuminancy average rating inventory questionnaire of temperature change

注：*p<0.05 为2种照度主效应主观评分均值成对比较。

表10 色温变化的色温主观评分均值成对比较Table 10 Paired comparison for temperature average rating inventory questionnaire of temperature change

注：*p<0.05 为2种色温主效应主观评分均值成对比较

表11 色温变化的调光方式主观评分均值成对比较Table 11 Paired comparison for dimming function average rating inventory questionnaire of temperature change

注：*p<0.05 为4种调光方式主效应主观评分均值成对比较

图6 色温变化的照度主观评分均值Fig.6 Illuminance average rating inventory questionnaire of temperature change

图7 色温变化的色温主观评分均值Fig.7 Temperature average rating inventory questionnaire of temperature change

图8 色温变化的调光方式主观评分均值Fig.8 Dimming function average rating inventory questionnaire of temperature change

清醒-昏睡评分结果与舒适性调光方式的偏好选择基本一致。评分越低，代表清醒程度高，在50 lx、5 700—2 700 K下舒适性偏好选择人数较少的调光方式评分比其他3种低。通过重复性方差分析，照度、色温变化的主效应达到显著性的水平。

不闪烁-闪烁评分结果与舒适性调光方式的偏好选择大体一致。通过重复性方差分析，照度、色温变化、调光方式的主效应未达到显著性的水平。

紧张-放松评分结果与舒适性调光方式的偏好选择相一致。通过重复性方差分析，照度、调光方式的主效应未达到显著性的水平，色温变化的主效应达到显著性的水平。

慢的-快的评分结果与舒适性调光方式的偏好选择大体一致。即舒适的调光方式评分较低，被试感觉照度动态变化比较缓慢。通过重复性方差分析，照度、色温变化的主效应未达到显著性的水平，调光方式的主效应达到显著性的水平。

3 结论

基于飞机客舱内的光色-照度8种光照条件，我们通过问卷的形式进行了舒适调光方式的研究，主要包括调光方式的偏好选择和被试对调光方式的主观评分。问卷采用的是Vogels’s研究室内照明氛围的主观评估方法[11，12]，使用了多组词义相反的形容词对，反映调光方式对人的舒适程度、清醒程度、变化速度等方面体验的影响，并针对各个形容词对之间进行了7个等级评分。另外，问卷中的环境氛围词义相反的形容词对又经过了浙江大学光电学系罗明教授团队中文化的研究后，证实能客观地反映了人们对环境氛围的评价,方法是有效、可行的，确保了实验问卷设置的合理性。在主观问卷评分中揭示了舒适的调光方式具有让人感到舒适、不闪烁、缓慢变化、令人放松的感觉，但是在大多数情况下会在一定的程度降低了人们的清醒程度,因此,在飞机即将到达目的地时，为了使乘客快速达到清醒状态，客舱内可以适当地选择不舒适的调光方式快速提高环境照度和色温。另外，通过研究获知在2 700 K(或5 700 K)色温下，照度动态变化时人们对舒适性调光方式的偏好选择较为集中，会有60%以上的人选择线性或幂函数的调光曲线；但是在350—50 lx，2 700 K光照条件下，调光方式的选择集中度会降低，主要是因为初始状态(2 700 K、350 lx)为非舒适的照明环境，低色温高照度的光环境，容易使人产生闷热、温度高的感觉，会对被试的舒适性选择和主观评分造成干扰。在50 lx(或350 lx)照度下，色温动态变化时人们的调光偏好选择较为分散，33%～50%之间的被试会选择幂函数、线性和对数的调光方式，只有25%以内的会选择指数的调光方式，因此在色温动态调光时尽量不要选择指数的。研究表明，客舱情景照明模式间转换时的过渡调光曲线可采用线性函数或幂函数的调节方式。本研究主要的被试对象年龄为20～30岁，由于不同的年龄阶段生理上存在差异，因此针对不同飞机乘客年龄组的最优参数设置还有待今后开展相应的研究。