城市軌道交通車輛 LED 照明光學(xué)參數(shù)研究

王宗明

（上海申通地鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，上海 201103）

0 引言

1 照度與照度均勻度

照度是入射在包含該點(diǎn)的面元上的光通量與該面元面積之比，照度直接反映了照明的亮度，通常采用平均照度衡量規(guī)定平面上的照度。照度均勻度為規(guī)定表面上的最小照度與平均照度之比，反映照度是否均勻。

目前國內(nèi)外對(duì)于軌道交通車輛客室的照度與照度均勻度有相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，各國的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合本國國情特點(diǎn)進(jìn)行了規(guī)定。

歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN 13272-2012《鐵路應(yīng)用—公共交通系統(tǒng)鐵道車輛電氣照明》對(duì)鐵路車輛客室照度做出了詳細(xì)的規(guī)定[5]。該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)不同類型車輛進(jìn)行了分類，分為干線普速列車和高速列車的照度要求以及其他列車的照度要求。其中對(duì)于其他列車的要求應(yīng)該與對(duì)城市軌道交通車輛的要求最為接近，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定如表1 所示。

EN 13272 對(duì)緊急照明也提出了相應(yīng)的要求，即客室內(nèi)緊急照明在地板面照度平均值不低于 5 lx，照度均勻度為 0.15～5.0。

EN 13272 還對(duì)照度的測(cè)試方法做出了具體的規(guī)定，包括對(duì)環(huán)境溫度的要求、針對(duì)熒光燈還需點(diǎn)亮 150h 后才能測(cè)試等。對(duì)于照度測(cè)量位置也有明確的要求，座椅區(qū)照度測(cè)量點(diǎn)應(yīng)為離地板面 0.8m、距離靠背前方0.6m、座椅中心線處。站立區(qū)和過道照度測(cè)量點(diǎn)應(yīng)為離地板面 0.8m，等距離至少 5 個(gè)。

雖然標(biāo)準(zhǔn)并沒有明示，但是該照度要求顯然是針對(duì)采用橫向座椅的車輛，而國內(nèi)城市軌道交通車輛普遍采用縱向座椅。不同的座椅設(shè)置形式對(duì)室內(nèi)照明需求是有區(qū)別的。

我一根一根地仔細(xì)辨認(rèn)著那些人肉骨碌從我面前抬過去?？墒俏以趺匆舱J(rèn)不出他們到底是誰了。我又走近了些，更加仔細(xì)地一根一根看著，還是從那些肉骨碌的某一個(gè)特征中確認(rèn)出了他們的身份。譬如：大老李、蕭富，尖嘴猴腮的本地劉關(guān)子平順等等。

日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) JIS E 4016-2009《鐵道車輛的照度—推薦值及測(cè)量方法》對(duì)軌道交通車輛客室照度以及測(cè)量方法做出規(guī)定，即在距地板面高度 850mm處，客室內(nèi)正常照明的平均照度應(yīng)大于 200 lx[6]。該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)客室不同座椅設(shè)置方式，分別對(duì)縱向座椅、橫向座椅和縱橫向座椅形式下的客室照度測(cè)量方式做了具體要求。圖1 為其照度測(cè)量時(shí)測(cè)點(diǎn)的布置圖，其中黑圓點(diǎn)即為測(cè)點(diǎn)。

該標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了正常照明的照度要求，但未對(duì)緊急照明照度提出要求。同時(shí)該標(biāo)準(zhǔn)可以適應(yīng)不同座椅布置的車輛，對(duì)城市軌道交通車輛的照度要求具有參考性。

我國鐵路標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2917-1998《鐵道客車電氣照明技術(shù)條件》中規(guī)定客室正常照明必須有足夠的照度，使車上的旅客可閱讀書報(bào)。距離地板面高 0.8m 處的平均照度應(yīng)達(dá)到：熒光燈照明 150 lx；白熾燈照明 120 lx。緊急照明情況下，車上障礙物及進(jìn)出通道的地板面照度不低于 51x[7]。該標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)干線鐵路客車的照度要求，而城市軌道交通車輛的車內(nèi)布置與鐵路客車有較大的差別。

我國國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 7928-2003《地鐵車輛通用技術(shù)條件》中規(guī)定客室應(yīng)有足夠的燈光照明，在距地板面高 800mm處的照度平均值不低于 200 lx，最低值不低于150 lx（在車外無任何光照時(shí)）。在正常供電中斷時(shí)，備有緊急照明，其照度應(yīng)不低于 10 lx[8]。該標(biāo)準(zhǔn)適用于城市軌道交通車輛，但是并沒有考慮 LED 照明的特殊性。

由于 LED 具有光衰的特點(diǎn)，即在壽命周期內(nèi)會(huì)發(fā)生光通量衰減的情況，因此，LED 照明的照度要求與其他照明燈具的照度要求會(huì)有所不同，而上述國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)均未考慮相關(guān)內(nèi)容。

結(jié)合上述國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)以及上海地鐵實(shí)際照明使用情況，提出了適用于城市軌道交通車輛的 LED 照度要求。如表2 所示，規(guī)定客室內(nèi)正常照明平均照度應(yīng)大于等于250 lx；客室內(nèi)緊急照明平均照度應(yīng)大于等于 75 lx；貫通道照明應(yīng)大于等于75 lx。照度均勻度也應(yīng)滿足表2 要求。

列車照度測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)至少包含圖2 中圓點(diǎn)標(biāo)識(shí)的位置。各區(qū)域的測(cè)點(diǎn)布置詳細(xì)位置及規(guī)則如表3 所示。

圖1 JIS E 4016 中照度測(cè)點(diǎn)布置示意圖

表2 城市軌道交通車輛照度要求

圖2 照度測(cè)點(diǎn)布置示意圖

由于 LED 照明具有光衰的特點(diǎn)，因此，LED 照明在壽命周期內(nèi)照度會(huì)下降。根據(jù) LED 光源壽命的定義，LED 燈具的光通量衰減到初始光通量的 70% 為壽命終止，而在面積一定的情況下，光通量與照度成正比，則LED 燈具壽命末期的照度值為初始照度值的 70%。而上述照度要求均為全壽命周期應(yīng)達(dá)到的照度要求，因此，當(dāng)新燈具安裝后進(jìn)行照度測(cè)量時(shí)，考慮將初始照度值作為要求是比較合理的。

表3 城市軌道交通車輛各區(qū)域照度測(cè)點(diǎn)要求

2 相關(guān)色溫

當(dāng)光源的色品點(diǎn)不在黑體軌跡上，且光源的色品與某一溫度下黑體的色品最接近時(shí)，該黑體的絕對(duì)溫度為此光源的相關(guān)色溫。

相關(guān)色溫與照度是有關(guān)聯(lián)性的。Kruithof 曲線反映了照度、色溫與視覺舒適感的關(guān)系。由圖3 的 Kruithof曲線可以看出：照度為 200 lx 時(shí)舒適的色溫約為 2750～4000K區(qū)間，照度為 250 lx 時(shí)舒適的色溫約為 2850～4600K 區(qū)間，照度為 300 lx 時(shí)舒適的色溫約為 2900～5000K 區(qū)間，照度為 350 lx 時(shí)舒適的色溫約為 2950～5500K 區(qū)間。因此，僅從舒適性考慮，當(dāng)照度平均值介于 250～350 lx 之間時(shí)，色溫范圍在 2950～4600K 之間為宜。

圖3 Kruithof 曲線

歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN 13272-2012《鐵路應(yīng)用—公共交通系統(tǒng)鐵道車輛電氣照明》中對(duì)照明的相關(guān)色溫也提出了要求，即相關(guān)色溫應(yīng)在2800～7000K 之間，但是考慮到視覺舒適度不建議相關(guān)色溫超過5000K[5]。

美國能源之星標(biāo)準(zhǔn)中要求LED 照明的相關(guān)色溫應(yīng)從表4 中選擇[9]。

LED 照明的光譜中含有一定量的藍(lán)光，LED 照明的相關(guān)色溫越高，光譜中藍(lán)光的成分越多，而藍(lán)光會(huì)對(duì)人體視網(wǎng)膜造成危害?？紤]到室內(nèi)照明的舒適性以及目前 LED 的光生物安全性（國外的研究證明大于4000K 可能具有光生物的不安全性），提出色溫不宜高于 4000K[10]。

表4 能源之星標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)色溫要求 K

綜合上述國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)與研究，城市軌道交通車輛客室內(nèi)的標(biāo)稱相關(guān)色溫值建議為 4000K。

3 顯色指數(shù)

顯色指數(shù)為光源顯色性的度量。以被測(cè)光源下物體顏色和參考標(biāo)準(zhǔn)光源下物體顏色的相符合程度來表示。

歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN 13272-2012《鐵路應(yīng)用—公共交通系統(tǒng)鐵道車輛電氣照明》中對(duì)顯色指數(shù)也提出了要求，即一般顯色指數(shù)應(yīng)大于等于 80。但是該標(biāo)準(zhǔn)顯然沒有考慮采用LED 照明所帶來的問題。

目前顯色指數(shù)是根據(jù)從孟塞爾顏色系統(tǒng)選出的14塊標(biāo)準(zhǔn)色板進(jìn)行評(píng)價(jià)的（圖4）。其中圖4 中上面一行色板 1～8 為中等飽和度色板，用于一般顯色指數(shù)Ra的評(píng)價(jià)。圖4 中下面一行色板 9～14 為高飽和度色板，用于特殊顯色指數(shù)Ri的評(píng)價(jià)。LED 光源是由多種單色光和部分連續(xù)光譜組成，有高飽和度的色光成分。如果 LED 光源質(zhì)量不高，其高飽和色光成分會(huì)減弱，導(dǎo)致反映高飽和深紅色的R9為負(fù)數(shù)。因此，在美國能源之星 LED 照明標(biāo)準(zhǔn)中，除了要求一般顯色指數(shù)Ra不低于 80 之外，對(duì)特殊顯色指數(shù)R9專門提出大于 0 的要求，用于對(duì)原有一般顯色指數(shù)的補(bǔ)充。

因此，城市軌道交通車輛客室 LED 光源也應(yīng)滿足一般顯色指數(shù)Ra不低于 80，特殊顯色指數(shù)R9大于 0 的要求。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)色版

4 色容差與色偏差

在國際照明委員會(huì) CIE 1931 標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)x-y色品圖上，每一點(diǎn)都代表一種顏色，該點(diǎn)周圍的其他點(diǎn)則代表其他的顏色。相近的點(diǎn)代表的顏色也相近，只有 2 個(gè)點(diǎn)的距離足夠遠(yuǎn)的時(shí)候，人的眼睛才能區(qū)分顏色的差別。MacAdam 定義最小可辨色差為：在x-y色品圖中圍繞 1 點(diǎn)形成的 1 個(gè)橢圓稱為 1 個(gè)色匹配標(biāo)準(zhǔn)誤差（SDCM），如圖5 所示。美國能源之星標(biāo)準(zhǔn)要求 LED光源的色容差應(yīng)小于等于 7 SDCM，但是研究發(fā)現(xiàn)超過 5 SDCM 的色容差能被人眼輕易察覺到。因此，城市軌道交通車輛客室 LED 光源的色容差不應(yīng)大于 5 SDCM。

由于 LED 光源的特點(diǎn)，LED 照明在壽命期內(nèi)會(huì)發(fā)生一定程度的顏色漂移和變化。為了控制 LED 的顏色偏移，使用比CIE 1931色品圖顏色空間更均勻的 CIE 1976均勻色度標(biāo)尺圖來評(píng)價(jià) LED 的色偏差，如圖6 所示。美國能源之星標(biāo)準(zhǔn)要求 LED 光源壽命期內(nèi)的色偏差應(yīng)在CIE 1976 均勻色度標(biāo)尺圖的 0.007 以內(nèi)。

除此之外，由于制造工藝水平等問題，LED 光源在空間上的顏色一致性也會(huì)存在差異。美國能源之星標(biāo)準(zhǔn)要求新的 LED 燈具在不同方向上的色品坐標(biāo)與其加權(quán)平均值偏差在 CIE 1976 均勻色度標(biāo)尺圖中不應(yīng)超過 0.004[9]。

因此，城市軌道交通車輛客室LED 光源在壽命期內(nèi)的色品坐標(biāo)與初始值的偏差在 CIE 1976 均勻色度標(biāo)尺圖中不應(yīng)超過0.007；新的 LED 燈具在不同方向上的色品坐標(biāo)與其加權(quán)平均值偏差在 CIE 1976 均勻色度標(biāo)尺圖中不應(yīng)超過 0.004。

圖5 CIE 1931 色品圖中的 MacAdam 橢圓

圖6 CIE 1976 均勻色度標(biāo)尺圖

5 光生物安全性

光生物安全性主要涉及光源中紫外、紅外和藍(lán)光對(duì)人體眼睛、視網(wǎng)膜以及皮膚的影響。為了規(guī)范光生物安全性，國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)相繼出臺(tái)：國際照明委員會(huì)于 2002年發(fā)布了世界上首個(gè)光生物安全標(biāo)準(zhǔn) CIE S 009《燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性》；國際電工委員會(huì)于2006年發(fā)布了與 CIE S 009 相同內(nèi)容的 IEC 62471；歐盟于 2008年發(fā)布的 EN 62471 是對(duì) IEC 62471 的修訂；中國于 2006年發(fā)布的 GB/T 20145 等同于 CIE S 009。

LED 照明的光生物安全問題主要集中在藍(lán)光危害。據(jù)研究顯示，大量的藍(lán)光會(huì)抑制人體褪黑色素的分泌，對(duì)健康產(chǎn)生不良影響。藍(lán)光還會(huì)直接或間接導(dǎo)致黃斑區(qū)細(xì)胞的損害，對(duì)視網(wǎng)膜造成光化學(xué)損害。藍(lán)光還可引發(fā)視覺模糊、眩光等問題。因此，國際電工委員會(huì)在 2014年發(fā)布了 IEC/TR 62778《IEC 62471 標(biāo)準(zhǔn)在照明光源和燈具的藍(lán)光危害評(píng)價(jià)方面的應(yīng)用》，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)LED 等存在藍(lán)光危害的燈具進(jìn)行藍(lán)光危害評(píng)估的方法做出了詳細(xì)要求。

根據(jù)城市軌道交通車輛客室環(huán)境特點(diǎn)，LED 燈與燈系統(tǒng)應(yīng)通過 EN 62471 中規(guī)定的光生物安全性測(cè)試，評(píng)估結(jié)果應(yīng)為無危險(xiǎn)類產(chǎn)品。對(duì) LED 光源與燈具的藍(lán)光危害評(píng)價(jià)應(yīng)按照 IEC/TR 62778 中的規(guī)定進(jìn)行，危險(xiǎn)組別分類不應(yīng)超過 RG0 無限制級(jí)。

6 結(jié)語

LED 作為新一代光源，正逐步開始在城市軌道交通車輛上運(yùn)用。本文通過對(duì) LED 照明的主要光學(xué)參數(shù)進(jìn)行研究，根據(jù) LED 照明的特點(diǎn)并結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，制定適合城市軌道交通車輛的 LED 照明光學(xué)參數(shù)要求。針對(duì)城市軌道交通車輛的特殊使用環(huán)境，對(duì)照度、相關(guān)色溫、顯色指數(shù)、色容差和色偏差、光生物安全性提出了具體的要求。

[1]杜振濤. 北京地鐵14號(hào)線車內(nèi)照明中LED的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2013（7）：41.

[2]劉軍良，鐘碧 . 城軌車輛客室LED照明的特點(diǎn)及燈具設(shè)計(jì)選型分析[J]. 電力機(jī)車與城軌車輛，2010，33（2）：55-57.

[3]林彬，陳玉文，畢冬云. 成都地鐵1號(hào)線車輛客室LED照明改造淺析[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（3）：227.

[4]高飛. LED照明在上海地鐵5號(hào)線中的應(yīng)用[J]. 上海節(jié)能，2014（7）：35-37.

[5]歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì). EN 13272 : 2012 鐵路應(yīng)用—公共交通系統(tǒng)鐵道車輛電氣照明[S].

[6]日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)查會(huì). JIS E 4016 : 1992 鉄道車両の照度—基 び測(cè)定方法[S].

[7]TB/T 2917-1998 鐵道客車電氣照明技術(shù)條件[S].

[8]GB/T 7928-2003 地鐵車輛通用技術(shù)條件[S].

[9]美國能源部. 能源之星固態(tài)照明燈具認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)[S]. 2008.

[10]GB 50034-2013 建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].