寧波5號線（一期）客室照明設(shè)計(jì)仿真分析

張吉星，何澤鈞，童克鋒，嚴(yán) 彬，楊文博

（寧波市江北九方和榮電氣有限公司，浙江寧波 315033）

0 引言

寧波軌道交通5號線（一期工程）項(xiàng)目為26列車/156輛車車輛編制，采用B型無人駕駛（FAO）列車。客室照明作為軌道交通車輛電氣照明的一部分，其設(shè)計(jì)的合理性直接影響乘客的乘車舒適度和滿意度。以往客室照明設(shè)計(jì)大多是基于經(jīng)驗(yàn)來確定照明燈具的參數(shù)、數(shù)量和排布方式，在設(shè)計(jì)上缺乏科學(xué)合理性，導(dǎo)致在整車開發(fā)后期暴露出很多問題。本文采用LightTools、DIALux軟件聯(lián)合仿真和試驗(yàn)的方式對客室照明進(jìn)行仿真驗(yàn)證，為照明燈具設(shè)計(jì)參數(shù)選擇和燈具排布提供新的設(shè)計(jì)思路。

1 客室照明方案設(shè)計(jì)

客室照明可實(shí)現(xiàn)自動調(diào)光控制，客室前后2個感光器接收外界光通量，轉(zhuǎn)換成電壓信號傳遞給調(diào)光控制器，調(diào)光控制器輸出PWM信號控制驅(qū)動電源輸出，實(shí)現(xiàn)照明燈帶（模塊）亮度調(diào)節(jié)。客室燈具主要包括位于客室內(nèi)頂部出風(fēng)柵格兩側(cè)均勻布置的照明燈帶、中頂板扶手桿上方的環(huán)形燈和貫通道內(nèi)頂?shù)耐矡簟？褪颐抗?jié)車廂配4個驅(qū)動電源（DC 110 V/48 V），兩兩并聯(lián)，分別為左、右兩側(cè)燈帶供電。客室左、右燈帶各采用兩條間隔交叉排布的線路，由兩并聯(lián)電源（冗余）供電，電源間互檢，當(dāng)一個電源故障時(shí)，不影響整體燈帶亮度[1]。環(huán)形燈和筒燈由整車提供供電（DC 110 V），客室照明燈具布置如圖1所示。

客室照明分正常照明和緊急照明兩種模式：①正常照明時(shí)，客室燈帶可實(shí)現(xiàn)自動調(diào)光和手動控制兩種方式，當(dāng)切換到手動時(shí)，電源按輸出占空比70%給客室燈帶供電；②緊急照明時(shí)，采用整體降低照度的方案，驅(qū)動電源由車載蓄電池供電，并按輸出占空比30%給客室燈帶供電。兩種模式下環(huán)形燈、筒燈功率不變。

2 燈具設(shè)計(jì)選型

客室照明除了滿足照度、防火要求外，在外觀上要求美觀、亮度均勻，安裝后易維護(hù)。

（1）光源板。采用鋁基板，表面附白色絕緣漆，反射性、散熱性好，LED選用歐司朗2835，該燈珠發(fā)光效率高、光譜窄、顯色性好。

（2）燈罩。以聚碳酸酯（PC）為主要材料，并添加白色母和擴(kuò)散劑。PC折射率在可見光范圍內(nèi)變化較小，不會出現(xiàn)某一角度范圍內(nèi)不同波長色光光強(qiáng)比的劇烈變化，使光線更柔和、更均勻地向空間發(fā)散[2]。

（3）燈體。采用鋁合金型材，其重量輕、強(qiáng)度高，并在燈體表面設(shè)計(jì)散熱條紋，以保證良好的散熱性。燈體表面附白色絕緣漆，增強(qiáng)光反射能力。

3 客室照明仿真分析

3.1 創(chuàng)建燈具配光曲線

采用NX軟件創(chuàng)建燈具三維模型，模型導(dǎo)入LightTools光學(xué)建模軟件后，設(shè)置相關(guān)參數(shù)。

（1）導(dǎo)入光源文件。導(dǎo)入歐司朗2835對應(yīng)型號的光源文件（.ray），根據(jù)LED實(shí)際設(shè)計(jì)電流和電流—光通量曲線換算光通量值，LED參數(shù)如表1所示。

（2）設(shè)置表面光學(xué)屬性。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)和參考相關(guān)材料，設(shè)置零件表面光學(xué)參數(shù)，并考慮反射和透射影響，參數(shù)設(shè)置如表2所示[3]。

表2 燈具材料表面光學(xué)參數(shù)

（3）創(chuàng)建配光曲線。設(shè)置坐標(biāo)C0、C90平面，仿真完成后導(dǎo)出配光曲線IES文件，燈具效率見表3所示，部分燈具模型及配光曲線見圖2。

圖2 LightTools環(huán)形燈模型及極坐標(biāo)配光曲線

表3 客室燈具光效率

3.2 照度模擬仿真分析

（1）車體模型構(gòu)建。將車體CAD圖紙導(dǎo)入DIALux軟件，利用軟件造型功能創(chuàng)建車體模型，并給座椅、墻面和地板面設(shè)置對應(yīng)的材料表面屬性。車內(nèi)頂板、側(cè)頂板、側(cè)端墻表面為交通白（RAL 9016）漆面，其反射率為88%。車門窗玻璃為雙層中空鋼化玻璃，反射率10%，透射率90%。導(dǎo)入燈具的配光曲線IES文件并安裝到位，車體模型如圖3所示，配光曲線如圖4所示。

圖3 客室三維模型

圖4 燈具配光曲線

（2）正常照明仿真。按電源輸出占空比80%換算燈帶光通量值，在距離地板面0.8 m處設(shè)置工作面，并根據(jù)試驗(yàn)要求在工作面上添加測點(diǎn)，仿真測點(diǎn)布置如圖5所示，客室正常照明仿真效果如圖6、圖7所示。

圖5 客室仿真測點(diǎn)布置

圖7 正常照明偽色圖

（3）應(yīng)急照明仿真。按電源輸出占空比30%換算，僅改變客室燈帶光通量值，其他結(jié)構(gòu)及參數(shù)保持不變，客室應(yīng)急照明仿真效果如圖8、圖9所示。

圖8 應(yīng)急照明仿真

圖9 應(yīng)急照明偽色圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證分析

4.1 試驗(yàn)前準(zhǔn)備

試驗(yàn)開始前，車輛儲能系統(tǒng)應(yīng)充滿電；室內(nèi)平均氣溫20℃±5 K；照明設(shè)備工作20 min以上；周圍人工或自然光對測量照度影響＜5%；測量時(shí)，空車內(nèi)應(yīng)保持干凈、設(shè)備齊全[4]。在距離地板面0.8 m處，按照分區(qū)測點(diǎn)平面圖進(jìn)行測量，照明測點(diǎn)平面圖如圖10所示：座椅區(qū)包括S1～S26共26個位置，客室側(cè)門區(qū)包括V1～V8共8個位置，乘客站立區(qū)包括A2～A12共11個位置，其中A1、A13位置靠近貫通道、僅做測量。

圖10 客室照明測點(diǎn)布置

4.2 照明測試數(shù)據(jù)對比分析

正常照明電源按輸出占空比80%，應(yīng)急照明電源按輸出占空比30%，每點(diǎn)測3次取平均值，測試數(shù)據(jù)及仿真對比數(shù)據(jù)如表4、表5所示。根據(jù)EN 13272—2012《鐵路應(yīng)用—公共交通系統(tǒng)鐵道車輛電氣照明》標(biāo)準(zhǔn)要求，平均照度=各測點(diǎn)之和/測點(diǎn)總數(shù)，實(shí)測值按“均勻度=最大或最小測點(diǎn)處照度/平均照度”計(jì)算，各分區(qū)數(shù)值如表6、表7所示，正常、應(yīng)急照明效果如圖11、圖12所示。通過計(jì)算得出，客室正常照明座椅區(qū)、客室側(cè)門區(qū)和乘客站立區(qū)的平均照度分別為550.18 Lux、647.13 Lux和783.36 Lux，均勻度分別為0.830～1.119、0.984～1.022和0.924～1.026；客室應(yīng)急照明客室座椅區(qū)、客室側(cè)門區(qū)和乘客站立區(qū)的平均照度分別為179.58 Lux、224.75 Lux和271.55 Lux，均勻度分別為0.830～1.119、0.983～1.019和0.773～1.153。

表5 客室應(yīng)急照明不同分區(qū)照度值和均勻度

表6 客室正常照明測點(diǎn)照度 Lux

表7 客室應(yīng)急照明測點(diǎn)照度 Lux

圖12 應(yīng)急照明效果

表4 客室正常照明不同分區(qū)照度值和均勻度

5 結(jié)束語

通過仿真和測試對比分析，驗(yàn)證了寧波5號線（一期）客室照明設(shè)計(jì)滿足照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)要求?？褪艺Ｕ彰髂Ｊ剑娫摧敵稣伎毡?0%）下，距離地板面高度0.8 m處，座椅區(qū)、客室側(cè)門區(qū)和乘客站立區(qū)的平均照度不低于250 Lux，均勻度滿足0.7～1.3?？褪覒?yīng)急照明模式（電源輸出占空比30%）下，距離地板面高度0.8 m處，座椅區(qū)、客室側(cè)門區(qū)和乘客站立區(qū)的平均照度不低于75 Lux，乘客站立區(qū)均勻度滿足0.7～1.3。雖然照度滿足設(shè)計(jì)要求，但整體照度偏大，有一定的優(yōu)化空間。

通過現(xiàn)場試驗(yàn)對比分析，也驗(yàn)證了仿真模擬的可行性。由于測量方式、仿真參數(shù)和車體模型與實(shí)測環(huán)境存在差異，在仿真結(jié)果上存在一定偏差，但整體對比而言，兩者在不同分區(qū)的照度均值、均勻度誤差均小于10%，光照分布基本一致。因此，此設(shè)計(jì)方法不僅可以減少客室照明前期的設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)成本，對于軌道車輛內(nèi)部照明項(xiàng)目的設(shè)計(jì)開發(fā)同樣具有重要參考及推廣意義。