軌道車輛LED照明系統(tǒng)中的傳統(tǒng)文化特征

趙銀花， 吳 菲， 王 維

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

軌道車輛LED照明系統(tǒng)中的傳統(tǒng)文化特征

趙銀花， 吳 菲， 王 維

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

以某動(dòng)車組列車為實(shí)際應(yīng)用對(duì)象，分析了列車照明的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、要求及其照明結(jié)構(gòu)特征。建立了具有中國(guó)文化特征的回紋照明模型。應(yīng)用Maya三維軟件對(duì)軌道車廂的照明效果進(jìn)行了虛擬仿真分析。設(shè)計(jì)的效果在美學(xué)文化上具有明顯特點(diǎn)。

：軌道客車； LED照明； 回紋； 照明效果

0 引 言

軌道車輛是現(xiàn)代交通的重要組成部分，作為運(yùn)輸能力最強(qiáng)大的交通工具，其可預(yù)見性較強(qiáng)，在未來的很長(zhǎng)一段時(shí)間它仍將起著不可替代的作用，并且隨著交通領(lǐng)域的進(jìn)步和發(fā)展，必將發(fā)揮更大的積極作用[1]。軌道車輛照明系統(tǒng)是整體系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)系統(tǒng)高能效的保證、智能化的控制、人性化的服務(wù)都起著重要的作用[2-4]。當(dāng)今，隨著科技的不斷革新，LED照明系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于軌道車輛室內(nèi)照明中，在很多方面彰顯出優(yōu)點(diǎn)[5-7]。然而，為了更加符合我國(guó)軌道客車人性化及中國(guó)文化特色，設(shè)計(jì)具有自身文化特點(diǎn),在科技中體現(xiàn)美學(xué)特色,達(dá)到科技和人文共同進(jìn)步、和諧統(tǒng)一的目的，是具有重要研究意義的。

1 軌道車輛LED照明研究現(xiàn)狀

法國(guó)“歐洲之星”高速列車的照明系統(tǒng)體現(xiàn)的是法國(guó)民族特有的浪漫主義和夢(mèng)幻色彩的審美特征，以點(diǎn)、線、面多種光源形式營(yíng)造不同列車環(huán)境，給人以不一樣的視覺變換。德國(guó)ICE列車照明設(shè)計(jì)則體現(xiàn)出其民族固有的簡(jiǎn)單、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶卣?，照明效果?jiǎn)單大氣，整體感十足。此外，日本列車照明系統(tǒng)體現(xiàn)的是自然樸素，美國(guó)的則是便捷、明亮[8-10]。國(guó)內(nèi)在這方面的研究代表主要為西南交通大學(xué)徐伯初等人，他們?cè)谡彰髟O(shè)計(jì)和照明應(yīng)用上進(jìn)行了深入研究，為中國(guó)文化引入軌道車輛這一載體的研究奠定了重要基礎(chǔ)[11-12]。

在國(guó)內(nèi)外研究基礎(chǔ)上，針對(duì)國(guó)內(nèi)某軌道客車進(jìn)行室內(nèi)照明效果設(shè)計(jì)，在分析照明機(jī)理和LED布置規(guī)律的基礎(chǔ)上[13-14]，參考相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了具有中國(guó)文化特色的車廂照明效果。通過對(duì)比仿真分析，設(shè)計(jì)的照明環(huán)境明顯在亮度匹配和美學(xué)應(yīng)用上優(yōu)于原有設(shè)計(jì)，這為具有中國(guó)特色軌道車輛LED照明系統(tǒng)的應(yīng)用提供了較好的參考和依據(jù)。

2 軌道車輛LED照明要求指標(biāo)

隨著科技的發(fā)展，LED照明技術(shù)已經(jīng)深入到眾多工業(yè)領(lǐng)域。依據(jù)具體軌道客車行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，LED照明具體要求指標(biāo)如下。

2.1 照明照度

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，分為19個(gè)等級(jí)。以二等座車廂為例，一般為一級(jí)照明標(biāo)準(zhǔn)，輔以二級(jí)照明標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 照明均勻度

按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)值不小于0.7。

2.3 眩光限制

為盡量減小由于照明產(chǎn)生的環(huán)境視覺相差，LED布置應(yīng)在豎直方向或照明角度≥65°，平均亮度應(yīng)≤1 000 cd/m2。

2.4 光源顏色

要盡量以“暖”和“中間”色為佳，色溫小于5 000 K。

2.5 照明節(jié)能

主要以照明功率密度和對(duì)應(yīng)的照度值進(jìn)行匹配。

2.6 照明方式

包括點(diǎn)光源、線光源和面光源，分別應(yīng)用在整車的不同位置。以一般二等座車廂為例，點(diǎn)光源一般布置在廚房頂棚；線光源一般布置于行李架下部；面光源則布置在車廂頂棚。

2.7 環(huán)境適應(yīng)性

車廂內(nèi)的LED照明燈具應(yīng)能經(jīng)受高低溫循環(huán)試驗(yàn)，保證正常使用，6 000 h光通維持率在92%。按標(biāo)準(zhǔn)防塵、防固體異物和防水。

綜合LED軌道車輛照明要求、乘客光學(xué)舒適度及具有創(chuàng)新文化特色，對(duì)某款軌道客車LED照明效果進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)。

3 LED照明結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀分析

首先分析某軌道客車LED照明布置。LED光源布置一般是按照橫向、縱向和復(fù)合形式進(jìn)行布點(diǎn)的。在軌道客車車廂內(nèi)，LED光源集中在車廂頂部和兩側(cè)行李架下方，某動(dòng)車組列車車廂照明如圖1所示。

圖1 某動(dòng)車組列車車廂照明圖示

分析頂棚及側(cè)面LED照明效果可知，照明為單一暖色調(diào)，頂棚單位區(qū)域LED布置數(shù)量較大，起到主要的照明作用。側(cè)面LED布置區(qū)域較為密集，在光強(qiáng)方面弱于頂棚照明效果。為了進(jìn)一步分析相互之間在結(jié)構(gòu)上的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 車廂照明示意圖

從圖2中可以看出，頂部LED布置為水平安裝，側(cè)面為傾斜成角度安裝。尺寸相差較大，決定了LED設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)需分別考慮。同時(shí)，為了滿足實(shí)際模塊安裝，需要考慮與車廂機(jī)體配合部分形狀特征。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行LED照明效果的改進(jìn)設(shè)計(jì)，著重體現(xiàn)中國(guó)傳統(tǒng)文化內(nèi)涵。

4 軌道車輛LED照明設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件

在軌道車輛LED照明設(shè)計(jì)中，首先考慮應(yīng)采用虛擬仿真的手段來進(jìn)行前期模擬與測(cè)試。當(dāng)前除了AutoCAD、Rhino、3ds max等主流燈具設(shè)計(jì)軟件外，Maya作為專業(yè)的三維軟件在三維造型、燈光模擬及場(chǎng)景效果分析等方面具有強(qiáng)大的功能，尤其對(duì)于燈光的模擬效果和曲面模型的造型效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超勝其他三維類軟件。

燈具照明的設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中最需要解決的兩大問題：一是測(cè)試燈光的光照效果；二是測(cè)試燈具造型與環(huán)境是否協(xié)調(diào)。Maya三維軟件自身具備的優(yōu)勢(shì)可以非常好地解決以上兩大問題。Maya不僅能直接準(zhǔn)確地反映設(shè)計(jì)者的造型創(chuàng)意，而且能直觀地測(cè)試燈具的光照效果，大大降低了設(shè)計(jì)方案在實(shí)際應(yīng)用中的錯(cuò)誤率。

在本課題的研究中，主要應(yīng)用Maya三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)軌道車輛LED照明的外觀及照明做了一系列的虛擬仿真設(shè)計(jì)。

5 具有中國(guó)傳統(tǒng)文化特征的LED照明效果設(shè)計(jì)

回紋是指以橫豎折繞組成如同“回”字形的一種漢族傳統(tǒng)幾何裝飾紋樣，因其構(gòu)成形式回環(huán)反復(fù)，延綿不斷，在民間有“富貴不斷頭”的說法。根據(jù)其紋樣的特性，人們賦予了回紋連綿不斷、吉利永長(zhǎng)的吉祥寓意?；诖?，結(jié)合軌道車輛LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體要求，應(yīng)用虛擬技術(shù)進(jìn)行仿真分析，設(shè)計(jì)一款具有中國(guó)回紋特征的LED照明模型，如圖3所示。

(a) 頂部照明

(b) 側(cè)面照明

LED布置如圖4所示。

圖4 LED布置圖示

與原來設(shè)計(jì)相比，結(jié)合圖4 LED布置圖，新設(shè)計(jì)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)回紋紋樣的應(yīng)用既是對(duì)中華民族文化的傳承，又有連綿不斷、吉利永長(zhǎng)的吉祥寓意；

2)回紋紋樣的應(yīng)用體現(xiàn)了明顯的節(jié)奏感，具有美的韻律感受；

3)回紋紋樣的應(yīng)用是技術(shù)美的具體體現(xiàn)，摒棄了單一、呆板的造型；

4)回紋紋樣的應(yīng)用改善了車廂的環(huán)境照明，符合行業(yè)要求與規(guī)范，在工程上極易實(shí)現(xiàn)。

6 虛擬仿真分析

6.1 設(shè)計(jì)方案

通過對(duì)原有車廂照明效果的分析，根據(jù)行業(yè)規(guī)范與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車廂照明環(huán)境的要求，建立車廂照明模型；將優(yōu)化設(shè)計(jì)后的模型進(jìn)行虛擬仿真；比較二者最終效果。

6.2 仿真結(jié)果

仿真1是原有車廂照明效果的仿真結(jié)果，如圖5所示。

圖5 原有車廂照明效果仿真結(jié)果

仿真2是優(yōu)化設(shè)計(jì)后車廂照明效果的仿真結(jié)果，如圖6所示。

圖6 優(yōu)化設(shè)計(jì)后車廂照明效果仿真結(jié)果

6.3 仿真結(jié)果分析

通過比較圖5和圖6可以明顯看出，圖6照明布置具有鮮明的中華民族傳統(tǒng)的文化特色，回紋紋樣特征鮮明，統(tǒng)一中富于變化，節(jié)奏與韻律感極強(qiáng)，效果明顯優(yōu)于圖5，不僅在視覺上給人以美感，而且在亮度、均勻性等方面都有優(yōu)勢(shì)，與圖5比較，光照更加柔和，整體性更加明顯。同時(shí)，根據(jù)LED點(diǎn)陣布置規(guī)律，可以通過控制各點(diǎn)亮滅變化，實(shí)現(xiàn)整體效果的變化，還可以變幻出多種顏色和圖案形式，較圖5在效果變換上創(chuàng)新頗多。具體效果變換形式和細(xì)節(jié)如圖7所示。

(a) 變換1

(b) 變換2

可見，變換照明效果可令照明圖案不僅僅拘泥于一種方式，在其靈活多變的功能前提下，還能為乘客提供多種優(yōu)美的照明圖案，且增強(qiáng)了車廂內(nèi)照明的明暗變化效果，可應(yīng)用于不同車廂環(huán)境和晝夜規(guī)律，在時(shí)間和空間上可實(shí)現(xiàn)整體節(jié)能，這也是對(duì)現(xiàn)有相關(guān)研究的一項(xiàng)拓展。另外，目前三基色的LED可以實(shí)現(xiàn)顏色、亮度、灰度的連續(xù)變換和選擇，那么就可以通過變換LED照明顏色來創(chuàng)建不同的車廂氛圍。譬如：在北方冬季可切換成黃色的暖光源為乘客增添溫暖的心理感受；在南方炎熱的夏季就可以切換為白色的冷光源為乘客帶來清涼的心理感受。綜上所述，可以看出本設(shè)計(jì)可以根據(jù)不同空間、時(shí)間較為自由地選擇控制軌道車廂內(nèi)部LED照明的光照效果，從而創(chuàng)建一個(gè)更以人為本的照明環(huán)境。

7 結(jié) 語(yǔ)

為提高軌道車輛照明系統(tǒng)的綜合性能，進(jìn)行了軌道車輛照明效果設(shè)計(jì)，得到以下結(jié)論：

1)在分析研究軌道車輛照明系統(tǒng)相關(guān)要求和標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一款具有中國(guó)特色回紋特征的LED照明效果；

2)以某動(dòng)車組列車為應(yīng)用對(duì)象，分析LED布置結(jié)構(gòu)，進(jìn)行虛擬仿真研究，建立了照明模型，并進(jìn)一步進(jìn)行了綜合性整車車廂仿真分析，仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的效果較原有效果在技術(shù)美學(xué)、傳統(tǒng)文化和實(shí)際應(yīng)用上有較大優(yōu)勢(shì)，并在變換特效上予以了創(chuàng)新研究。

綜上分析，該設(shè)計(jì)方案及過程對(duì)軌道車輛LED照明系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)具有一定的實(shí)際意義，為下一代車輛照明系統(tǒng)的升級(jí)與改造提供了參考和依據(jù)。

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Traditional cultural characteristics in the application of the rail vehicle LED lighting systems

ZHAO Yinhua， WU Fei， WANG Wei

(School of Mechatronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

Taking a train as an example, the criteria, requirements and the structure of lighting are analyzed. We establish a fret mode presenting Chinese culture. With Maya 3D, lighting effect is simulated. The design has some special characteristics in aesthetics culture.

rail vehicle; LED lighting; the fret; lighting effect.

2016-05-25

吉林省教育廳"“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(2013102)

趙銀花(1972-)，女，漢族，吉林長(zhǎng)春人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)講師，碩士，主要從事工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方向研究,E-mail:1219200674@qq.com.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.6.20

TH 122; U260.41

A

1674-1374(2016)06-0620-05