地鐵車站公共區(qū)域照明動態(tài)調(diào)光控制研究

湯 堯，劉 瑩，杜玉川，江 泳

（1. 天津市地下鐵道集團(tuán)有限公司，天津 300011；2. 同方股份有限公司，北京 100083）

1 引言

地鐵車站位于地下，車站內(nèi)的主要光源由燈具照明提供。地鐵車站公共區(qū)域照明系統(tǒng)的照度是影響乘客乘車體驗的重要因素[1]。由于該區(qū)域的照明系統(tǒng)燈具數(shù)量多、照明面積大，加之各細(xì)分區(qū)域的照明需求有所不同，因此采取合理的控制策略對其照明系統(tǒng)照度進(jìn)行動態(tài)控制十分重要。

隨著科技的進(jìn)步，地鐵車站照明系統(tǒng)照度控制技術(shù)已經(jīng)從常規(guī)的分組回路控制[2]發(fā)展到對每個燈具的發(fā)光量甚至色溫進(jìn)行無級調(diào)節(jié)。但實際運(yùn)營中，卻常常使用簡單粗糙的時間表控制策略，即根據(jù)車站日常客流變化規(guī)律，將公共區(qū)域照明按固定時間段設(shè)置為高峰、平峰、低谷等控制場景[3]，并在相應(yīng)時間段對燈具照度進(jìn)行固定比例調(diào)整。這樣的控制策略導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備的調(diào)節(jié)能力難以充分發(fā)揮，節(jié)能效果也相當(dāng)有限。

動態(tài)調(diào)光控制是指根據(jù)客流量、照明參數(shù)等的變化對照度進(jìn)行動態(tài)控制，具有智能化、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點。對地鐵車站公共區(qū)域照明系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)調(diào)光控制，可在該區(qū)域營造一個既能滿足乘客舒適照明需求、又節(jié)能環(huán)保的人工光環(huán)境，對于地鐵提升服務(wù)質(zhì)量、實現(xiàn)節(jié)能降耗、踐行雙碳戰(zhàn)略具有重要意義。

2 照度需求分析及限值確定

2.1 車站公共區(qū)域調(diào)光區(qū)劃分

地鐵車站公共區(qū)域的照明系統(tǒng)主要是為乘客服務(wù)。由于乘客在站內(nèi)并非均勻分布，其通常聚集在最短路線附近，因此應(yīng)根據(jù)乘客在站內(nèi)的行走和分布規(guī)律，結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求，將車站公共區(qū)域按照乘客分布情況劃分為不同的調(diào)光區(qū)域，如圖1所示。圖中藍(lán)色雙斜線區(qū)域為乘客行走區(qū)域，包括車站出入口門廳、通道、樓梯、自動扶梯、站內(nèi)樓梯等；圖中紅色單斜線區(qū)域為乘客停留區(qū)域，包括售票室、自動售票機(jī)、檢票處、自動檢票口、站臺候車區(qū)等；圖中剩余的黑色交叉線區(qū)域為乘客很少前往或逗留的區(qū)域。考慮到照明燈具的實際布局，上述區(qū)域均劃分為矩形區(qū)域。

2.2 各調(diào)光區(qū)域照度標(biāo)準(zhǔn)及現(xiàn)狀

2.2.1 照度標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)行國家規(guī)范對地鐵車站不同公共區(qū)域照明系統(tǒng)的照度有明確規(guī)定。其中，GB/T 16275-2008《城市軌道交通照明》[4]為專用于城市軌道交通行業(yè)的非強(qiáng)制性規(guī)范，GB 50034-2013《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[5]為建筑領(lǐng)域通用的強(qiáng)制性規(guī)范。總體而言，這2個規(guī)范對照度標(biāo)準(zhǔn)值的要求基本相同，但前者針對城市軌道交通車站調(diào)光區(qū)域的劃分更加細(xì)致，如表1所示，故本文主要將GB/T 16275-2008中規(guī)定的照度標(biāo)準(zhǔn)值作為參考值。

表1 國家規(guī)范規(guī)定的地鐵車站各公共區(qū)域照度標(biāo)準(zhǔn)表 lx

2.2.2 照度現(xiàn)狀

雖然上述國家規(guī)范對地鐵公共區(qū)域照明系統(tǒng)照度有明確的要求，但通過對采用時間表控制策略的地鐵車站公共區(qū)域照明系統(tǒng)進(jìn)行實際照度測試發(fā)現(xiàn)，目前普遍存在照度大幅超標(biāo)的情況，如表2所示。

表2 GB/T 16275-2008照度標(biāo)準(zhǔn)值與實測照度平均值對比表 lx

可見，目前地鐵車站公共區(qū)域內(nèi)照明系統(tǒng)的照度還有很大的調(diào)節(jié)空間，應(yīng)對照明系統(tǒng)照度進(jìn)行合理調(diào)控，在保證乘客舒適體驗的基礎(chǔ)上，適當(dāng)降低照度，以實現(xiàn)照明效果與節(jié)能要求之間的平衡。

2.3 各調(diào)光區(qū)域照度限值確定

根據(jù)照明系統(tǒng)照度相關(guān)研究結(jié)果[6-11]，人在更高的照度下具有更高的滿意度、覺醒度和工作效率。因此，從滿足乘客舒適體驗的目標(biāo)出發(fā)，地鐵車站公共區(qū)域內(nèi)照明系統(tǒng)的照度是越高越好。但更高的照度意味著更大的成本和能耗，因此在車站不同公共區(qū)域采用不同的照度標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是效費(fèi)比更高的方案。

考慮到站內(nèi)人群分布的不均勻性，在乘客經(jīng)?；顒拥膮^(qū)域采用較高照度，在乘客較少活動的區(qū)域采用較低照度，既可滿足大多數(shù)乘客對照度的要求，也能夠兼顧降低照明能耗的目標(biāo)。

下面將針對車站各調(diào)光區(qū)域照明系統(tǒng)的照度限值進(jìn)行討論。

對于其照度下限值，由于GB/T 16275-2008將各區(qū)域照明系統(tǒng)的照度標(biāo)準(zhǔn)值定義為正常運(yùn)營時段應(yīng)達(dá)到的照度值，考慮到實測平均照度值高于標(biāo)準(zhǔn)值，為避免對現(xiàn)狀改變過大，因此將GB/T 16275-2008中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值作為照度下限值。

對于其照度上限值，則根據(jù)不同的調(diào)光區(qū)域分別進(jìn)行確定，具體如下。

（1）地下車站的出入口門廳、樓梯、自動扶梯、通道、站內(nèi)樓梯以及地下站廳、站臺中連接上述部位的區(qū)域為乘客行走區(qū)域，乘客一般不在此停留。該區(qū)域照明系統(tǒng)照度應(yīng)在保障乘客活動安全的同時，兼顧一定的主觀舒適度，因此將其上限值確定為300 lx。

（2）站廳內(nèi)的售票室、自動售票機(jī)、檢票處、自動檢票口等區(qū)域是乘客在站廳的主要停留區(qū)域，也是影響乘客出行滿意度的重點區(qū)域。乘客會在此完成買票、問詢等相對復(fù)雜的行為，停留時間通常約為2～10 min。該區(qū)域照明系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置較高的照度，以滿足乘客的操作需求，保障其出行順暢安全，因此將其照度上限值確定為500 lx。

（3）站臺候車區(qū)為上下行站臺門前的乘客候車區(qū)域。乘客會在此完成候車、排隊上下車等活動，停留時間為3～8 min不等（由發(fā)車間隔時間決定）。該區(qū)域照明系統(tǒng)的照度需確保乘客在候車期間的主觀視覺舒適度，以及在上下車期間的安全。因此，將該區(qū)域照明系統(tǒng)的照度上限值確定為300 lx，并建議在站臺門上方增設(shè)局部主題照明裝置，該裝置可在列車進(jìn)出站期間點亮。

（4）地下站廳及站臺除上述乘客行走及停留區(qū)域外的其他區(qū)域，一般情況下乘客不會前往，也無需前往。如果使這些區(qū)域成為相對暗區(qū)，則可以利用人群趨光性的特點，對乘客在站內(nèi)的活動路徑和范圍進(jìn)行引導(dǎo)，并改善人在地下空間方向感缺失的問題。對于該區(qū)域照明系統(tǒng)的照度限值，若參考GB/T 16275-2008的標(biāo)準(zhǔn)值，由于指標(biāo)偏高，相對暗區(qū)效果不顯著，因此為滿足上述需求，建議參考標(biāo)準(zhǔn)值較低的GB 50034-2013，將其上下限值均設(shè)定為100 lx。

綜上所述，確定地鐵車站公共區(qū)域各調(diào)光區(qū)照明系統(tǒng)的照度限值如表3所示。

表3 各調(diào)光區(qū)域照度限值表 lx

3 動態(tài)調(diào)光控制策略

由于地鐵客流的峰谷明顯，因此應(yīng)根據(jù)客流量的變化對地鐵車站公共區(qū)域照明系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)調(diào)光控制，即在不同客流量情況下采用不同的照度。

根據(jù)相關(guān)研究[12-13]，隨著站內(nèi)客流量的加大，乘客將更容易呈現(xiàn)焦躁、恐慌、沖動、從眾、向光等心理特征。在這種情況下，一旦發(fā)生緊急事件，也更容易導(dǎo)致踩踏等安全事故。而為車站公共區(qū)域照明系統(tǒng)設(shè)置高照度，可提升乘客的覺醒度，緩解其躁動、緊張的情緒，從而降低安全風(fēng)險。因此，車站公共區(qū)域內(nèi)照明系統(tǒng)的照度應(yīng)該與人群的擁擠程度呈正相關(guān)。

基于上述分析，可對車站公共區(qū)域內(nèi)照明系統(tǒng)采取以下動態(tài)調(diào)光控制策略：各調(diào)光區(qū)域照明系統(tǒng)在客流高峰期運(yùn)行照度上限值，以提高乘客主觀視覺舒適度及覺醒度，從而提升乘客滿意度，保障乘客出行安全；在客流低谷期運(yùn)行照度下限值，以實現(xiàn)節(jié)能降耗；在客流平峰期按式（1）的計算結(jié)果運(yùn)行。

式（1）中，e為某調(diào)光區(qū)域照度計算輸出值；E0為該區(qū)域照度下限值；I為該區(qū)域調(diào)光系數(shù)，可根據(jù)各調(diào)光區(qū)域的大客流報警閾值通過反向計算得出，常用取值如表4所示；n為該區(qū)域客流采集點位數(shù)量；qj為該區(qū)域第j個客流采集點位測得的單位面積客流量實時值。

表4 各調(diào)光區(qū)域調(diào)光系數(shù)取值表

表5 系統(tǒng)主要軟硬件配置表

如果車站現(xiàn)場無法獲取到實時客流信息，可以在時間表控制策略基礎(chǔ)上，根據(jù)歷史客流變化曲線，預(yù)設(shè)各調(diào)光區(qū)域的照度控制曲線，并基于時間表按照預(yù)設(shè)的照度控制曲線進(jìn)行控制。

4 動態(tài)調(diào)光控制實現(xiàn)方案

4.1 涉及系統(tǒng)及相關(guān)改造

為低成本、高效率地實現(xiàn)對地鐵車站公共區(qū)域照明系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)光控制，應(yīng)對車站既有相關(guān)設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行升級改造。動態(tài)調(diào)光控制所涉及的系統(tǒng)包括視頻監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）、綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）及智能照明系統(tǒng)，如圖2所示。這些系統(tǒng)以ISCS為中心實現(xiàn)了互聯(lián)互通。對于既有CCTV，由于其不具備視頻客流統(tǒng)計功能，因此為其增設(shè)1臺圖形處理服務(wù)器。該服務(wù)器可部署智能視頻分析軟件，通過分析各攝像頭的視頻數(shù)據(jù)，得到實時客流量，并提供人員跌倒、扶梯逆行、人員逗留、物品遺留等檢測功能。對于既有BAS系統(tǒng)，需為其系統(tǒng)軟件增加照度計算功能。此外，還需要對各系統(tǒng)的接口軟件進(jìn)行少量改造，主要是增加CCTV、ISCS、BAS之間的客流量數(shù)據(jù)傳輸功能，以及BAS與智能照明系統(tǒng)之間的照度指令傳輸功能。

圖2 動態(tài)調(diào)光控制涉及系統(tǒng)構(gòu)成圖

4.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

動態(tài)調(diào)光控制所涉及的系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)流如圖3所示。CCTV高清攝像機(jī)將實時視頻信號傳輸?shù)叫略龅膱D形處理服務(wù)器，由視頻分析平臺進(jìn)行分析計算，得到實時客流數(shù)據(jù)，然后通過RESTful API（應(yīng)用程序編程接口）將客流數(shù)據(jù)發(fā)送給ISCS，再由ISCS轉(zhuǎn)發(fā)給BAS，BAS根據(jù)各調(diào)光區(qū)域的實時客流數(shù)據(jù)，計算出該區(qū)域的目標(biāo)照度，并將目標(biāo)照度發(fā)送給智能照明系統(tǒng)執(zhí)行。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流示意圖

4.3 涉及系統(tǒng)主要軟硬件配置

動態(tài)調(diào)光控制所涉及的系統(tǒng)中，除視頻分析系統(tǒng)外，其余系統(tǒng)新增計算量不大，原有設(shè)備就可以滿足計算能力要求，因此無需對原有設(shè)備進(jìn)行配置升級。動態(tài)調(diào)光控制相關(guān)系統(tǒng)的主要軟硬件配置如表 5所示。

5 動態(tài)調(diào)光控制效果

5.1 實際照度情況

為驗證動態(tài)調(diào)光控制方案的實際效果，開發(fā)人員將其在試點車站進(jìn)行了落地應(yīng)用，并選擇3個典型區(qū)域，分別采用時間表控制方案及動態(tài)調(diào)光控制方案，比較其在高峰、平峰、低谷3種場景下的照度數(shù)據(jù)，如表6所示。由表可知，在采用動態(tài)調(diào)光控制方案時，各典型區(qū)域的照度值在滿足標(biāo)準(zhǔn)的前提下，均有了明顯下降。

表6 2種方案各場景下的典型區(qū)域照度數(shù)據(jù)對比表 lx

5.2 乘客感受

動態(tài)調(diào)光控制方案主要降低了過高的照度，以及無人/少人區(qū)域的照度。由于大部分乘客客流高峰期間在車站停留時間較短，因此不會受到照度變化的顯著影響。根據(jù)乘客訪談?wù){(diào)研結(jié)果可知，乘客并未意識到車站照度上的變化，說明動態(tài)調(diào)光控制方案并未對乘客乘車體驗產(chǎn)生明顯的不良影響。

通過對車站票務(wù)工作人員的訪談?wù){(diào)研可知，在采用動態(tài)調(diào)光控制方案后，乘客問詢次數(shù)顯著減少。這說明，動態(tài)調(diào)光控制方案所構(gòu)建的照度梯度可利用乘客的視覺趨光性對其產(chǎn)生一定的導(dǎo)向作用，降低不熟悉情況的乘客在站內(nèi)尋找目標(biāo)（售票點、檢票閘機(jī)等）的難度，在一定程度上提升了乘客的乘車體驗。

5.3 能耗

根據(jù)車站照明配電箱內(nèi)的電能表數(shù)據(jù)，采用時間表控制方案和動態(tài)調(diào)光控制方案時的車站照明能耗分別為561.91 kW · h和476.9 kW · h，如表7所示。由表可知，相較于傳統(tǒng)的時間表控制方案，動態(tài)調(diào)光控制方案每天可節(jié)能約85 kW · h，節(jié)能率達(dá)到15.1%。

表7 2種調(diào)光方案下車站照明能耗數(shù)據(jù)對比表 kW · h

5.4 動態(tài)調(diào)光控制人機(jī)界面

動態(tài)調(diào)光控制人機(jī)界面設(shè)置在車控室ISCS操作終端上，如圖4所示。該界面可在車站3D模型上直觀動態(tài)地顯示各個區(qū)域的實時照度值，并提供智能調(diào)光、人工手動調(diào)光等多種模式的選擇。

圖4 動態(tài)調(diào)光控制人機(jī)界面

6 結(jié)論

基于實時客流量對地鐵車站公共區(qū)域照明系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)調(diào)光控制，可在提升乘客服務(wù)水平的同時，滿足節(jié)能降耗的精細(xì)化管控需求，為地鐵車站創(chuàng)建了綠色健康的光環(huán)境。本方案可基于車站既有系統(tǒng)進(jìn)行改造，具有投資小、實施方便、易于推廣的優(yōu)勢。目前的方案只是初步探索，城軌車站的照明調(diào)控還有許多可以進(jìn)一步研究和改進(jìn)的課題，例如：在單區(qū)域調(diào)光基礎(chǔ)上，根據(jù)客流移動的情況進(jìn)行跨區(qū)域聯(lián)動調(diào)光；在照度調(diào)節(jié)之外，實施光譜色溫調(diào)節(jié)；根據(jù)室外季節(jié)、晨昏、氣象等的變化進(jìn)行調(diào)光。應(yīng)力求更深入地認(rèn)識光照與認(rèn)知、情緒、節(jié)律、睡眠等的關(guān)系，利用最新的控制技術(shù)，在實現(xiàn)地鐵車站綠色低碳運(yùn)營的同時，為乘客創(chuàng)造安全、舒適、有益身心的照明環(huán)境[14-15]。