客艙情景照明調光方式

李 薇，盧 妍，林燕丹

(1.上海航空電器有限公司，上海 201101；2.復旦大學電光源研究所，上海 200433)

引言

根據民用飛機照明標準的要求，客艙照明不僅要滿足乘客視覺功能性需求外，還需滿足心理/生理的需求，即通過燈光布局、各種模式光色策略和內飾的精心設計，降低乘客空間狹小而產生的恐懼感，或跨時區飛行引起的時差綜合癥，從而營造舒適的乘機環境[1]。

在飛機客艙內，環境光會隨飛行過程、人員活動、外部環境的變化而變化，因此需要根據飛行階段提供相應的照明模式，在模式之間切換時應充分考慮乘客舒適性需求，通過LED照明系統的連續調節為飛機客艙營造出不同照明模式之間光色平滑、平穩而令人覺察不到的過渡[2]。人眼以非線性的方式感受亮度的變化，而且個體間存在著差異。通過視覺工效的研究表明，基于人眼的生理特性如瞳孔擴張、人眼明適應、暗適應、高亮度人眼飽和特性等，人眼是以冪函數的方式感受光的變換[3]。目前，國外飛機客艙內提供的情景照明在各個模式之間進行切換時，都遵循著光色平滑而令人覺察不到的過渡原則[4]。室內照明在調節暖白光(2 700～2 200 K)時，通常采用平穩的、自然的調光方式[5]。LED調光技術中大量應用了人眼感受亮度的原理，確保連續、平滑調光，滿足人眼舒適調光的需求。此外，照明相關色溫的偏好與照度有關，即要滿足Kruithof提出的舒適性調光原則[6]，因此調光方式還需考慮色溫的調節。我國飛機照明設備的調光研究集中在基于環境光的顯示或泛光照明的自動調光方面，并提出了冪函數或線性的亮度調節方式[7]。同時對于室內照明調光系統的研究主要也是探究如何根據環境光變化進行自適應調光，而缺少對調光過程采用何種調節方式的研究[8]。

為此，本文針對不同情景照明模式之間的光環境過渡變化的調光方式進行研究，不僅考慮了人眼的主觀感受特性，還兼顧了不同函數形式調光方式的視覺、心理感受。另外，大多數飛機照明系統的調光主要是符合人眼特性的環境光自適應亮度調光(冪函數調光曲線)，沒有進行過客艙照明不同函數調光方式的舒適度性研究，特別是對色溫變化方式的研究，因此本文將采取心理物理學實驗，研究滿足乘客視覺、心理舒適性的調光方式：①分別確定客艙內5 700 K、2 700 K兩種高低色溫下，照度水平從高到低或從低到高變化時的舒適性照度調節方式；②分別確定350 lx、50 lx兩種高低照度下，客艙內色溫從高到低或從低到高變化時的舒適性色溫調節方式。

1 實驗方法

1)受測者。隨機選取上海市某高校大學生、研究生、博士共15名(其中男生7人，女生8人)，平均年齡為24歲(范圍：20～28歲)，有乘機經驗，正視力0.8以上，無色盲色弱。

2)實驗裝置。

(a)實驗環境。如圖1所示，實驗房間長3 m、寬2 m，四周為白色，模擬普通民機內客艙墻面，中央放置有一把椅子，實驗時被試面向圖片就坐于椅子上。

圖1 客艙環境示意圖Fig.1 The view of cabin environment

(b)實驗設備。實驗設備包括照明場景模擬器和色彩照度計，具體參數如下：

照明場景模擬器：LED Cube，它有11個通道即有11種不同光譜的LED，光譜覆蓋了380～780 nm的可見光范圍(見圖2)，可任意設置動態照明中的光源順序和點亮時間。在本實驗中照度調節范圍為50～350 lx，色溫調節范圍為2 700～5 700 K,顯色指數大于85。

圖2 LED照明場景模擬器Fig.2 LED-based standard lighting environment provider

色彩照度計：KONIKA MINOLTACL-200A。測量范圍：0.1～99 990 lx，精度：顯示值的±2%，色度坐標：±0.002。

3)實驗參數和實驗任務。參考民用客機照明標準的要求[1]，選取客艙內照明環境一般設置范圍內的照度值與色溫值，選取典型調光方式分別進行照度調節和色溫調節乘客偏好實驗。

照度調節偏好實驗參數設置如表1所示，測試位置均為坐姿眼位(垂直高度1.2 m處)。設置兩種起始照度值：50 lx、350 lx；設置兩種色溫：2 700 K、5 700 K。在2×2=4種實驗條件下分別設置四種照度調節方式：線性調節、指數調節、對數調節、冪函數調節，調節時間為60 s。

表1 實驗參數設置——照度調節Table 1 Parameter setting of experiment-Illuminance adjusting

色溫調節偏好實驗參數設置如表2所示，設置兩種起始色溫值：2 700 K、5 700 K；設置兩種照度水平：50 lx、350 lx。在2×2=4種實驗條件下分別設置四種色溫調節方式：線性調節、指數調節、對數調節、冪函數調節，調節時間為60 s。

表2 實驗參數設置——色溫調節Table 2 Parameter setting of experiment-Temperature adjusting

實驗中調光方式的函數方程見表3。

表3 調光曲線的函數方程Table 3 Function of dimming profile

被試在照度調節偏好實驗下2×2共計4種實驗條件下，完成以下實驗任務：①觀察4種照度調節調光方式；②完成視覺舒適度評價表。

被試在色溫調節偏好實驗下2×2共計4種實驗條件下，完成以下實驗任務：①觀察4種色溫調節調光方式；②完成視覺舒適度評價表。

4)實驗材料。①視力表；②色盲測試圖；③視覺舒適度評價量表——依據環境氛圍定量評估詞義表[7，8]，規定了多組詞義相反的形容詞對，如舒適程度、放松程度、速度、閃爍等幾個方面進行分析，形容詞對之間是7個等級的量尺，被試依據主觀感受選擇評價等級。

5)實驗程序。①主試使用視力表和色盲測試圖檢測被試；②照明場景模擬器開關打開，被試入座，適應初始照明環境；③待適應了環境后開始提供相應光環境，然后由被試對調光方式進行舒適度評價；④完成好某個光照條件下的評估后，被試需要進行休息，然后進行下一組實驗；⑤為了不影響后續操作，實驗順序的安排上采用抵消平衡法。

2 實驗結果與分析

本實驗中具有照度、色溫、調光方式3個實驗研究變量，同時對所有被試作了重復測量，因此將采用多因素重復測量的方差分析法，通過SPSS統計軟件進行數據處理，得到被試在不同色溫、照度、調光方式下的調光方式舒適性偏好及主觀問卷評分。

2.1 調光方式的舒適性選擇實驗結果

在實驗中，按表1、表2規定的照度、色溫組合要求，為被試提供了8種組合的照明條件，然后在每組光照條件下，播放4種函數的調光方式，然后由被試體驗完所有的調光方式后，選擇出舒適的調光曲線，然后繼續按實驗程序完成8種光環境的舒適性調光方式的偏好選擇，實驗結果通過SPSS統計軟件進行偏好人數統計分析，見表4。

表4 舒適性選擇人數統計表Table 4 Statistics for number of people of comfort prefer

注：被試的總人數為15人，表格括號內為總人數的占比；數值高的為選擇人數最多的調光方式

由表4可知，除了350—50 lx、2 700 K(暖白光且亮變暗)的條件外，其余的舒適性選擇人數都達到了60%以上，偏好選擇的集中度比較高；在低(或高)色溫下，照度由暗到亮(或由亮變暗)動態變化的組合光照環境下選擇了線性函數、冪函數。

在低(或高)照度下，色溫由暖白變冷白(或由冷白變暖白)動態變化的組合光照環境下，2 700—5 700 K、50 lx(低亮度下，暖白變冷白)的條件下，舒適性選擇人數達到了60%，偏好選擇的集中度比較高，選擇了冪函數；其余的偏好選擇都低于50%，在33%～50%之間，分散在了冪函數、線性函數、對數函數上，較照度動態變化分散；尤其在5 700—2 700 K,50 lx光照條件下，選擇很均勻，對數函數(4人)、線性函數(5人)、冪函數(5人)；最后在色溫動態變化的光照條件下，選擇指數調光的人數少于20%，一般在3人以下。

2.2 問卷評分的實驗結果

在實驗中，按表1、表2規定的照度、色溫組合要求，為被試提供了8種組合的照明條件，然后在每組光照條件下，每播放1種函數的調光方式，然后由被試進行體驗，然后針對調光方式填寫問卷，然后對舒適程度、清醒程度、閃爍、放松程度、速度等幾個方面進行主觀評分，然后繼續按實驗程序完成8種光環境下每種調光方式的主觀評分，實驗后的問卷評分結果見表5。

表5 調光方式問卷評分結果(環境氛圍評價量表[8])Table 5 Result for rating inventory questionnaire of dimming function (atmosphere perception scales[8])

注：表中的數據為中位數、第一四分位數(25%)、第三四分位數(75%)；2、8種環境照明條件下的對數函數、線性函數、冪函數、指數函數調光方式下的主觀量表評分

1)照度動態變化實驗結果。照度動態變化的研究變量為色溫(如2 700 K、5 700 K)、照度動態變化(如50—350 lx、350—50 lx)，調光方式(對數函數、線性函數、冪函數、指數函數)，把所有的15個被試作為1組，接受了2×2×4的實驗，各個變量的主效應方差分析見表6～表8，見圖3～圖5。

表6 照度變化的色溫主觀評分均值成對比較Table 6 Paired comparison for temperature average rating inventory questionnaire of illuminancy change

注：*p<0.05 為2種色溫主效應主觀評分均值成對比較

表7 照度變化的照度主觀評分均值成對比較Table 7 Paired comparison for illuminancy average rating inventory questionnaire of illuminancy change

注：*p<0.05 為2種照度主效應主觀評分均值成對比較

表8 照度變化的調光方式主觀評分均值成對比較Table 8 Paired comparison for dimming function average rating inventory questionnaire of illuminancy change

注：*p<0.05 為4種調光方式主效應主觀評分均值成對比較

圖3 照度變化的色溫主觀評分均值Fig.3 Temperature average rating inventory questionnaire of illuminancy change

圖4 照度變化的照度主觀評分均值Fig.4 Illuminancy average rating inventory questionnaire of illuminancy change

圖5 照度變化的調節方式主觀評分均值Fig.5 Dimming function average rating inventory questionnaire of illuminancy change

難受-舒適性評分結果與舒適性調光方式的偏好選擇相一致。在2 700 K、50—350 lx 光照環境下的冪函數調光方式的評分均高于其他的方式；在高色溫5 700 K(2種照度變化)的光照條件下，線性調光方式的評分高于其他的方式。通過重復性方差分析，色溫、照度變化的主效應未達到顯著性的水平，調光方式對舒適性主觀評分產生顯著影響。

清醒-昏睡評分結果與舒適性調光方式的選擇是不一致的。評分越低，代表清醒程度高，都是舒適性偏好選擇人數較少的調光方式評分較低，如對數、指數。通過重復性方差分析，色溫、照度變化的主效應達到顯著性的水平，尤其是照度動態變化方向，當環境由暗變亮時，清醒評分較小。

不閃爍-閃爍評分結果與舒適性調光方式的偏好選擇相一致。除了 2 700 K、50—350 lx 光照環境下對數的評分最低，與舒適性調光方式的偏好選擇結果差異較大，即被試均未選擇對數調光方式。通過重復性方差分析，色溫、照度變化的主效應未達到顯著性的水平，調光方式對舒適性主觀評分產生顯著影響。

緊張-放松評分結果與舒適性調光方式的偏好選擇相一致。通過重復性方差分析，色溫、調光方式的主效應達到了顯著性水平，尤其低色溫對放松評分的影響比較顯著。

慢的-快的評分結果與舒適性調光方式的偏好選擇相一致。即舒適調光方式的評分較低，被試感覺照度動態變化比較緩慢。通過重復性方差分析，色溫、照度變化、調光方式的主效應未達到顯著性的水平。

2)色溫動態變化實驗結果。色溫動態變化的研究變量為照度(如50 lx、350 lx)、照度動態變化(如2 700—5 700 K、5 700—2 700 K)，調光方式(對數函數、線性函數、冪函數、指數函數)，把所有的15個被試作為1組，接受了2×2×4的實驗，各個變量的主效應方差分析見表9～表11，圖6～圖8。

難受-舒適性評分結果與舒適性調光方式的偏好選擇相一致。在50 lx、5 700—2 700 K光照環境下的指數調光方式的評分最低,與表4的結果一致。通過重復性方差分析，照度、色溫變化、調光方式的主效應未達到顯著性的水平，在調光方式的主效應影響上，只有冪函數-線性函數的方差分析達到顯著性水平。

表9 色溫變化的照度主觀評分均值成對比較Table 9 Paired comparison for illuminancy average rating inventory questionnaire of temperature change

注：*p<0.05 為2種照度主效應主觀評分均值成對比較。

表10 色溫變化的色溫主觀評分均值成對比較Table 10 Paired comparison for temperature average rating inventory questionnaire of temperature change

注：*p<0.05 為2種色溫主效應主觀評分均值成對比較

表11 色溫變化的調光方式主觀評分均值成對比較Table 11 Paired comparison for dimming function average rating inventory questionnaire of temperature change

注：*p<0.05 為4種調光方式主效應主觀評分均值成對比較

圖6 色溫變化的照度主觀評分均值Fig.6 Illuminance average rating inventory questionnaire of temperature change

圖7 色溫變化的色溫主觀評分均值Fig.7 Temperature average rating inventory questionnaire of temperature change

圖8 色溫變化的調光方式主觀評分均值Fig.8 Dimming function average rating inventory questionnaire of temperature change

清醒-昏睡評分結果與舒適性調光方式的偏好選擇基本一致。評分越低，代表清醒程度高，在50 lx、5 700—2 700 K下舒適性偏好選擇人數較少的調光方式評分比其他3種低。通過重復性方差分析，照度、色溫變化的主效應達到顯著性的水平。

不閃爍-閃爍評分結果與舒適性調光方式的偏好選擇大體一致。通過重復性方差分析，照度、色溫變化、調光方式的主效應未達到顯著性的水平。

緊張-放松評分結果與舒適性調光方式的偏好選擇相一致。通過重復性方差分析，照度、調光方式的主效應未達到顯著性的水平，色溫變化的主效應達到顯著性的水平。

慢的-快的評分結果與舒適性調光方式的偏好選擇大體一致。即舒適的調光方式評分較低，被試感覺照度動態變化比較緩慢。通過重復性方差分析，照度、色溫變化的主效應未達到顯著性的水平，調光方式的主效應達到顯著性的水平。

3 結論

基于飛機客艙內的光色-照度8種光照條件，我們通過問卷的形式進行了舒適調光方式的研究，主要包括調光方式的偏好選擇和被試對調光方式的主觀評分。問卷采用的是Vogels’s研究室內照明氛圍的主觀評估方法[11，12]，使用了多組詞義相反的形容詞對，反映調光方式對人的舒適程度、清醒程度、變化速度等方面體驗的影響，并針對各個形容詞對之間進行了7個等級評分。另外，問卷中的環境氛圍詞義相反的形容詞對又經過了浙江大學光電學系羅明教授團隊中文化的研究后，證實能客觀地反映了人們對環境氛圍的評價,方法是有效、可行的，確保了實驗問卷設置的合理性。在主觀問卷評分中揭示了舒適的調光方式具有讓人感到舒適、不閃爍、緩慢變化、令人放松的感覺，但是在大多數情況下會在一定的程度降低了人們的清醒程度,因此,在飛機即將到達目的地時，為了使乘客快速達到清醒狀態，客艙內可以適當地選擇不舒適的調光方式快速提高環境照度和色溫。另外，通過研究獲知在2 700 K(或5 700 K)色溫下，照度動態變化時人們對舒適性調光方式的偏好選擇較為集中，會有60%以上的人選擇線性或冪函數的調光曲線；但是在350—50 lx，2 700 K光照條件下，調光方式的選擇集中度會降低，主要是因為初始狀態(2 700 K、350 lx)為非舒適的照明環境，低色溫高照度的光環境，容易使人產生悶熱、溫度高的感覺，會對被試的舒適性選擇和主觀評分造成干擾。在50 lx(或350 lx)照度下，色溫動態變化時人們的調光偏好選擇較為分散，33%～50%之間的被試會選擇冪函數、線性和對數的調光方式，只有25%以內的會選擇指數的調光方式，因此在色溫動態調光時盡量不要選擇指數的。研究表明，客艙情景照明模式間轉換時的過渡調光曲線可采用線性函數或冪函數的調節方式。本研究主要的被試對象年齡為20～30歲，由于不同的年齡階段生理上存在差異，因此針對不同飛機乘客年齡組的最優參數設置還有待今后開展相應的研究。