淺析足球場人工照明新要求

李炳華，王炳錚，潘 鑫，李 鵬，岳云濤

(1.悉地國際設(shè)計顧問有限公司，北京 100013；2.北京建筑大學，北京 100044)

引言

國際足球聯(lián)合會(Fédération Internationale de Football Association，F(xiàn)IFA)關(guān)于足球場人工照明標準發(fā)生重大變化，這種變化是全面的、革命性的，對體育場建設(shè)將產(chǎn)生巨大影響。2020年11月住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合體育總局根據(jù)2015年國務院辦公廳發(fā)布的《中國足球改革發(fā)展總體方案》推進實施《中國足球中長期發(fā)展規(guī)劃(2016—2050年)》，提出把發(fā)展足球運動納入經(jīng)濟社會發(fā)展規(guī)劃，制定了包括“積極申辦國際足聯(lián)男足世界杯”等在內(nèi)的遠期目標，其中方案第六條指出要加強足球場地建設(shè)管理，市、縣(區(qū))要擁有專業(yè)比賽場、訓練場[1]。

本文根據(jù)國際足聯(lián)新標準的變化，引入關(guān)注指數(shù)概念，主要介紹該標準的照明、電源、燈光布置等需重點關(guān)注的最新技術(shù)要求。意在引起行業(yè)的重視，以適應當前和預期的國際足聯(lián)比賽要求。關(guān)注指數(shù)是對國際足聯(lián)新標準某些變化的關(guān)注程度，是一項主觀評價指標，最高為五星，最低為一星，需特別重視。

1 照明等級

關(guān)注指數(shù)：★★★★☆

2020最新版FIFA足球場標準將場地照明分級改為按FIFA舉行的賽事進行分級。FIFA針對不同類型的賽事，對各級別場地的照明標準、供電標準的要求都有所不同，照明等級及供電標準的規(guī)定如表1所示[2]。

表1 照明等級及供電標準

從表1可以看出，2020最新版FIFA足球場人工照明標準推薦的照明水平分為A、B、C、D四個等級。相比于2011年、2007年、2002年的分級標準，新的賽事分級著重對有電視轉(zhuǎn)播需求的賽事進行更細致的分類和分級。對于不需要電視轉(zhuǎn)播的足球場，不要求達到四個較高級別的照明要求，但照明條件仍應滿足運動員、工作人員、觀眾的相關(guān)需求。

2 照明標準

關(guān)注指數(shù)：★★★★★

2020最新版FIFA足球場標準關(guān)于場地照明的標準值匯總?cè)绫?所示[2]。

由表2可以看出，與2002版、2007版、2011版FIFA標準相比，2020最新版FIFA足球場照明標準值變化很大，傳統(tǒng)的指標已經(jīng)改變，又增加新要求：

1)明確了四個方向(0°、90°、180°、270°)考核攝像機方向上的垂直照度及其均勻度，盡管舊版標準也采用四方向的垂直照度，但新標準不僅對四方向的垂直照度平均值有要求，同時還規(guī)定其垂直照度的最小值；

2)水平照度及垂直照度需要同時滿足最小值和平均值兩項指標的要求；

表2 FIFA場地照明標準值

3)增加場地照明燈光連續(xù)性模式(MCM)要求：A級場地不允許中斷照明，B級場地3 min內(nèi)水平照度需大于1 000 lx、15 min內(nèi)水平照度需大于2 000 lx，C級場地3 min內(nèi)水平照度需大于1 000 lx、15 min內(nèi)水平照度需大于1 250 lx，D級場地無照明連續(xù)性要求；

4)增加頻閃比指標：頻閃比指標需要同時滿足最大值和平均值的要求；

5)增加最小相鄰均勻度比率(MAUR)指標；

6)修改色溫標準值：FIFA2007、2011版標準比FIFA2002版標準的色溫指標不升反降，對于頂級賽事如舉行具有電視轉(zhuǎn)播的國際比賽，色溫要求大于4 000 K，而2002版標準要求5 500 K以上[3,4]。FIFA2020新版標準根據(jù)場地級別的不同，逐級定義了更為精確的色溫區(qū)間范圍；

7)針對LED和HID提出不同的維護系數(shù)值。

從以上七個指標的變化可以看出，2020最新版FIFA足球場人工照明標準所考量的指標更為全面。歐美發(fā)達國家足球類比賽標準較為完善，因此新版標準影響力很大，影響面很廣，認真研究和分析新技術(shù)的變化，有益于我國足球場地建設(shè)，對我國足球場地建設(shè)有指導性意義。

3 電源要求

關(guān)注指數(shù)：★★★★★

3.1 電源類型

供電電源對場地照明的重要性不言而喻。每當國際足聯(lián)舉辦賽事時，都會對主辦方場館電源提出要求，并對電源類型和要求進行更全面的定義。2020最新版FIFA足球場人工照明標準關(guān)于場地電源的術(shù)語如表3所示[2]。

從表3可以看出，A+級電源為系統(tǒng)級冗余，A級電源為電源冗余，B級為公共電網(wǎng)正常供電。其中各等級電源均有詳細要求，具體說明如表4所示。

表3 FIFA關(guān)于電源的術(shù)語

表4 電源總體要求

可以通過以上幾個表看出，F(xiàn)IFA致力于進一步細化場館的電源級別及相應要求。由于本文重點介紹2020最新版FIFA足球場人工照明標準與前幾版的技術(shù)變化，因此與國內(nèi)體育場館電源標準的差別不再贅述，感興趣的讀者可以對比《體育建筑電氣設(shè)計規(guī)范》(JGJ354—2014)和《民用建筑電氣設(shè)計標準》(GB 51348—2019)研究。2020最新版FIFA足球場人工照明標準對各等級電源詳細的要求見3.2節(jié)。

3.2 電源標準

每屆比賽的電力系統(tǒng)配置和拓撲形式都有很大的不同，這很大程度上取決于主辦方電力基礎(chǔ)設(shè)施的配置和條件。這點比較好理解，發(fā)達國家、我國在電力系統(tǒng)可靠性方面比較高，而國際足聯(lián)所屬成員還有相當一些國家是貧困國，電力基礎(chǔ)設(shè)施比較差，例如非洲。因此，東道主需要國際足聯(lián)技術(shù)服務團隊的支持，獲得國際足聯(lián)比賽的電力需求標準，按照國際足聯(lián)場地照明電源標準設(shè)計可靠且有彈性的電源，并向國際足聯(lián)提交測試報告，確保比賽和電視廣播能夠不間斷得繼續(xù)進行。國際足聯(lián)場地照明電源標準如表5、表6及表7所示。

表5 國際足聯(lián)場地照明電源標準

表6 國際足聯(lián)場地照明電源標準

續(xù)表6

表7 國際足聯(lián)場地照明電源標準

4 燈具布置

關(guān)注指數(shù)：★★★★★

4.1 禁止布燈區(qū)域

足球場場地照明設(shè)計一直存在一個誤區(qū)。一些區(qū)域禁止布置體育照明燈具，主要是底線兩側(cè)15°角(有電視轉(zhuǎn)播)或10°角(沒有電視轉(zhuǎn)播)范圍和球門后60°仰角以下范圍[4,5]。從2002年國際足聯(lián)(FIFA)標準，到2007年FIFA標準，再到2011年FIFA標準，經(jīng)過多次改版，對禁止布燈的區(qū)域要求越來越嚴格，如圖1～圖3所示，我國標準也采用了FIFA的標準要求，并一直延續(xù)至今[6]。

圖1 FIFA2002標準要求的禁止布燈區(qū)域Fig.1 The area of prohibited lighting required by the FIFA 2002 standard

圖2 FIFA2007標準要求的禁止布燈區(qū)域Fig.2 The area of prohibited lighting required by the FIFA 2007 standard

圖3 FIFA2011標準要求的禁止布燈區(qū)域Fig.3 The area of prohibited lighting required by the FIFA 2011 standard

國際足聯(lián)對于禁止布燈區(qū)域的要求是避免體育照明燈光對運動員，尤其對守門員產(chǎn)生干擾，影響比賽正常發(fā)揮。出發(fā)點是正確的，但是措施是值得商榷的。

4.2 布燈新方式

禁止布燈不如禁止燈光干擾運動員。要知道，干擾運動員正常比賽的是燈光，不是燈具安裝位置。因此，布燈區(qū)域和燈光的投射角相比后者更加重要。

對于田徑和足球綜合體育場，上述禁止布燈區(qū)域是可以布燈的，工程實踐中常用的做法是在足球比賽模式下，將該區(qū)域燈關(guān)閉，僅在田徑比賽時使用。因此沒有光線投射到場地內(nèi)，也不會影響運動員正常比賽。對于足球?qū)Ｓ皿w育場，這個區(qū)域同樣可以安裝體育照明燈具，但需注意燈具瞄準角應該避免投射到能影響運動員比賽的區(qū)域，避免球門線周圍的過度眩光。

對于禁止布燈區(qū)域布燈主要有以下兩種情況：

1)角球區(qū)域禁止布燈區(qū)域，如圖4所示。首先應確保在禁區(qū)內(nèi)的球員不受不舒適眩光的影響，即如果燈具的焦點能讓球員站在禁區(qū)內(nèi)，不受阻礙地看向角球區(qū)，那么燈具的直線排列就能保持可接受的不舒適眩光水平。因此球門線15°范圍內(nèi)如果布置燈具，要避免將燈光投射到禁區(qū)及周圍區(qū)域。

圖4 FIFA2020標準要求的禁止布燈區(qū)域Fig.4 The area of prohibited lighting required by the FIFA 2020 standard

上圖是2020最新版FIFA足球場人工照明標準的新變化，盡管該標準尚未頒布實施，但經(jīng)過2018年亞足聯(lián)AFC、2019年歐足聯(lián)UEFA標準的研究和應用，F(xiàn)IFA新標準的實施近在咫尺。圖中原來不能布燈的區(qū)域照樣可以安裝燈具，但燈具投射點需在禁區(qū)外，而禁區(qū)內(nèi)的照明由其他區(qū)域安裝的燈具投射。

2)球門后面區(qū)域燈具投射角不能投射到禁區(qū)和場地內(nèi)，可以投射到底線外面的場地上，這樣對運動員不會產(chǎn)生干擾，如圖5所示。

圖5 FIFA2020底線布燈區(qū)域Fig.5 Bottom Line Lighting Area required by the FIFA 2020 standard

圖中，粉色區(qū)域為禁區(qū)外底線仰角小于60°范圍內(nèi)不允許布燈；

黃色區(qū)域在禁區(qū)外底線大于60°范圍可以布燈；

綠色燈具允許在禁區(qū)外底線大于45°范圍內(nèi)安裝。

工程中可以將底線后面的體育照明燈具向東西兩側(cè)移位，如圖5所示綠色燈具部分，這樣有利于達到更好的效果。

4.3 應用情況

國際足聯(lián)在2014年巴西世界杯足球賽時就容許上述禁止布燈區(qū)域內(nèi)布置體育照明燈具，在經(jīng)過各大洲足聯(lián)的研究、應用實踐基礎(chǔ)上，F(xiàn)IFA新標準的推出也就水到渠成了。2018年俄羅斯世界杯足球賽莫斯科盧日尼基體育場就采用周圈式燈具布置，如圖6所示。

圖6 2018年俄羅斯世界杯足球賽周圈式布置燈具Fig.6 Lighting fixtures arranged in a circle for the 2018 FIFA World Cup Russia

不難看出，2020最新版FIFA足球場人工照明標準支持足球場場地照明采用周圈式布置方式，前提是要設(shè)計合適的投射角，這的確顛覆了傳統(tǒng)。因此，足球?qū)Ｓ皿w育場傳統(tǒng)嚴禁布置燈具的區(qū)域?qū)嵸|(zhì)是誤區(qū)，不如嚴禁燈光投射或穿越影響運動員正常比賽的區(qū)域。

5 頻閃要求

關(guān)注指數(shù)：★★★★

2020最新版FIFA足球場人工照明標準對頻閃要求較高、也較嚴格。因為在轉(zhuǎn)播過程中，照明系統(tǒng)的頻閃將導致電視圖像在慢動作回放時閃爍，大大影響轉(zhuǎn)播的效果，損害電視觀眾的體驗，對于體育商業(yè)化較發(fā)達的國家或運動項目，這樣閃爍會造成較大的經(jīng)濟損失。電視轉(zhuǎn)播進入到超高清的4K/8K時代，慢動作、超慢動作回放更顯得重要，頻閃是現(xiàn)代體育賽事轉(zhuǎn)播繞不開、不可忽視的關(guān)鍵問題。因此場地照明設(shè)計及實施應盡可能消除燈光的頻閃。產(chǎn)生頻閃的情況將根據(jù)頻閃的調(diào)制、交變電壓頻率和攝像機的幀速率而變化。

5.1 術(shù)語

頻閃比：指在一個完整周期內(nèi)給定平面上亮度的調(diào)制量。它表示整個周期內(nèi)最大亮度值和最小亮度值之間的關(guān)系，以百分比表示。頻閃比準確的名稱應該稱為頻閃因子，英文為Flicker factor，但是大家已經(jīng)習慣頻閃比的稱謂，也就沿用至今。

頻閃：光的亮度隨時間快速而反復的變化。

調(diào)制：在周期振蕩期間光變化的度量。

5.2 頻閃比的計算

頻閃比可以用式(1)進行計算：

(1)

或者

(2)

式中：Emax——一個完整周期內(nèi)的最大照度值(lx)；Emin——一個完整周期內(nèi)的最小照度值(lx)；Eave——一個完整周期內(nèi)的平均照度值(lx)。

5.3 頻閃比的參考值

頻閃比的參考值如表8所示，由表中可知，LED照明系統(tǒng)具有較好地控制頻閃能力，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的氣體放電燈。

表8 不同照明系統(tǒng)的頻閃比

5.4 頻閃的消除

小于5%的頻閃比通常不會對每秒300幀的慢動作回放造成問題。雖然每秒幀數(shù)會因所使用的技術(shù)而異，但對于體育電視行業(yè)中使用的大多數(shù)技術(shù)而言，頻閃比小于5%的照度系統(tǒng)會降低可感知的閃爍。對于頻閃的消除有以下兩種方式：

1)可以通過在照明系統(tǒng)中安裝電子鎮(zhèn)流器或方波鎮(zhèn)流器來消除頻閃；

2)可以通過計算機處理來消除每秒幀數(shù)很高時觀察到的閃爍。然而，這種方法也有一定的局限性。

5.5 三相交流電源供電的頻閃比

使用標準頻率鎮(zhèn)流器(即工頻鎮(zhèn)流器)和典型正弦波亮度調(diào)制特性的照明系統(tǒng)會產(chǎn)生大范圍的頻閃，這是由于測試點的變化引起的不同角度不同燈具光通量的重疊。不過可以通過細致的規(guī)劃，為所有區(qū)域和場地平面設(shè)計燈具焦點，以接收來自不同角度燈具的重疊光通量。這可能會產(chǎn)生實質(zhì)性的改善，并可能滿足國際足聯(lián)B和C體育場標準。

盡管上述方法可能會產(chǎn)生實質(zhì)性的改進，但如果沒有減少亮度調(diào)制的額外解決方案，將無法滿足FIFA標準A級體育場的要求。電子或方波鎮(zhèn)流器與標準頻率正弦波鎮(zhèn)流器的混合可能產(chǎn)生低于5%的頻閃比，一般來說這種系統(tǒng)在大型場地中應用效果較好，因為其中有更多的燈具可用于提供來自不同角度的重疊光通量。

5.6 關(guān)于頻閃比的測量

涉及來自不同角度的重疊光通量的場地照度系統(tǒng)應使用更多的頻閃比測試點，以確保所有區(qū)域的頻閃比一致。建議使用12個測試點，如圖7所示。

圖7 頻閃比測試點示意圖Fig.7 Schematic diagram offlicker factor test points

還要說明，用于降低頻閃比的措施不應影響任何平面上照度的均勻性。

圖7所示的6個頻閃比測試位置中的每一個位置，應在90°平面、270°平面、距地面高度1 m處讀取垂直頻閃比讀數(shù)。國際足聯(lián)各級別的最大允許頻閃比如表9所示，12點的平均值為算數(shù)平均值，即用這12個值之和除以12得到的，最大頻閃比是12個點中的最高測量值。

表9 FIFA各級別體育場最大允許頻閃比

6 結(jié)語

對國際足聯(lián)FIFA2020年提出的足球場照明標準與2002版、2007版、2011版標準進行對比分析，可以發(fā)現(xiàn)新標準在技術(shù)層面上發(fā)生不小的變化，值得我們關(guān)注，應引起專家、學者高度重視。照明設(shè)計師可以通過本文較為全面地了解國際足聯(lián)對足球場設(shè)計的通用標準及部分特殊要求，為運動員提供良好的比賽環(huán)境，保證良好的轉(zhuǎn)播效果和電視機前的觀眾體驗。