綠色視角下的軌道交通照明系統節能研究

戴夢云 侯曉蓉 洪俊偉

摘?要：隨著城鎮化進程進一步加大，地鐵作為城市軌道交通的重要組成部分，其能源需求已逐漸成為城市能源消費的主體，而車站照明用電量占能源消耗總量的30%左右，照明系統存在低效光源、高能耗燈具等設備的使用和低效的照明控制管理方式，造成能源的不必要浪費。因此，研究地鐵車站照明系統的能源消耗及改善，對地鐵能源效率的提升和可持續發展實現具有重要意義。本論文從低碳節能視野，對影響地鐵車站照明系統的主要因素進行剖析，結合影響照明系統的能源消耗的主要因素，以南昌市地鐵一號線為例，從設計與節能角度分析地鐵車站不同區域的照明要求，并運用DIALux軟件論證地鐵站廳照明的最佳節能設計方案，提出采用智能控制技術以有效改善地鐵車站照明系統的節能模式。為綠色交通的發展模式提供借鑒。

關鍵詞：照明系統;影響因素;區域照明節能設計;智能照明控制技術

中圖分類號：F062.4??????文獻標識碼：A??????文章編號：1008-4428（2018）07-0143-04

一、 引言

地鐵作為城市軌道交通的主要系統制式，發展尤為迅速。目前擁有地鐵運營線路的城市已由2012年的17個增加至27個，運營里程也由1740公里增長至3169公里，城市軌道交通年客運量由2012年的87億人次增加至2016年底的160.9億人次。截至2016年底，獲準建設軌道交通的城市由2012年的35個增加到43個。到2020年建設地鐵車站預計近千個，地鐵運營里程達到8133公里，“十三五”期間新增里程為“十二五”期間的3.8倍。

作為承接“中部崛起計劃”的江西省核心城市南昌，正大力推行城市軌道交通建設，目前已建成地鐵一號線并投入使用，未來將新增三條地鐵，預計將于2021年全部投入運營。但江西省能源供應嚴重依賴外部資源，地鐵建設的高投入與高能耗使其能源供求矛盾加劇。地鐵交通系統的能耗問題成為該省城市軌道交通建設要解決的關鍵問題之一。

由于地鐵建設位置的特殊性，地下采光主要依靠人工照明來實現，以滿足地鐵運營的照明需求。據規定，地鐵照明系統占地鐵車站平均設備負荷的14.2%—16.1%。而交通部數據顯示，地鐵車站照明運行的用電量占總用電量高達20%—30%，以北京、上海和深圳等一線城市為例，其地鐵的耗電量占運營成本達30%以上，即年耗電量在1億千瓦時左右。受到設計規范限制和運營監管不到位影響，照明系統中存在大量低效率光源、低節能性燈具設備的使用和低效照明控制方式，不合理用電消耗占50%以上。因此車站照明系統存在巨大的節能空間。

隨著社會需求增加，城市居民對地鐵的要求也由單一的物質需求提升到心理層面。地鐵內部環境的舒適度主要取決于地鐵車站的光環境，舒適的光環境一定程度上可以釋放居民的生活和工作壓力，增加乘客的舒適感和愉悅感。從節能角度和社會服務價值來看，根據地鐵車站特點、重點區域要求、乘客的出行行為和視覺平衡等要求，提供既經濟節能又安全舒適的地下照明，是地鐵照明工程中亟待解決的問題。計算機技術的快速發展促使地鐵車站照明系統不斷趨于信息化和智能化，但由于成本問題，智能照明未得到廣泛的應用。

本文以“技術+管理”的能效提升為導向，通過對地鐵照明系統運行能耗的成因進行綜合分析，選取由德國DIAL

Gmbh公司開發的DIALux照明設計軟件，針對光環境要求，結合智能控制模式，設計出地鐵車站照明系統的節能方案，為地鐵車站照明系統的技術設計和節能管理提供思路。

二、 影響地鐵車站照明系統的因素

本文選取影響地鐵車站照明的主要因素進行分析，通過對照度、色溫、炫光、明適應與暗適應的分析，可為地鐵照明系統節能方案的設計提供解決思路。

（一）照度

照度是指物體被照亮的程度。根據地鐵光環境評價指標體系，物體被照亮的程度應符合人眼和設計的要求。因此應將照度控制在合理的范圍內，既保證地鐵車站的照明效果，提高乘客的舒適度，又能節能環保，避免不必要的能源消耗。

《城市軌道交通照明規定（GB/T16275-2008）》對地鐵車站的各區域照明光源照度做出了詳細的劃分。該規定根據不同時段、不同人流量等情形將照度控制的合理范圍做了要求。

（二）色溫

色溫是照明的功能性與藝術性結合，即色溫既可以實現照明的功能，又可以提高乘客的舒適感。《城市軌道交通照明標準（GB/T16275-2008）》要求在設計節能的燈光布置方式時，應考慮到色溫因素，根據車站不同地點的色溫要求，將照明的功能性與藝術性充分結合起來。一般低于3000K色溫的光源，使人感到親切、溫暖、休閑;過渡性地帶保持自然的4000K左右的色溫較好;站臺邊緣適宜選用5700K左右的色溫;選用6500K色溫以上的光源顯得清涼，使人行動快捷，適合運用在地下商業空間。

（三）眩光

眩光是指視野中由于產生不均勻亮度分布，或在空間或時間上存在著極端的亮度對比，以致引起視覺不舒適和降低物體可見度的視覺條件?？梢酝ㄟ^增加光源的背景亮度或者降低光源的表面亮度來消除不舒適眩光，也可以調整光源的亮度、視野中光源的數量和位置、光源表面的尺寸和眼睛的適應亮度水平來消除眩光對視覺造成的干擾。在進行照明系統設計時，應避免由于亮度分配不均而產生的不舒適眩光現象，保證照明的功能性與乘客的舒適性。

（四）明適應與暗適應

地鐵車站大多設置在地下，乘客在進出站口時由于光源條件的急劇變化，可能會產生看不清周圍事物的現象。由暗處到亮處的視覺對環境亮度變化的順應性稱為明適應，反之稱為暗適應。在進出地鐵口的過程中，明暗適應會在心理和生理上給乘客帶來一定程度的不舒適感。分析表明，照明條件應略高于眼睛適應光的水平，才能避免這兩種現象的發生。乘客暗適應的時間為三十分鐘到四十分鐘，而明適應的過程持續約一分鐘。地鐵車站照明系統設計應充分考慮到明暗交替因素的影響，用過渡照明設計來滿足眼睛的適應性的要求，減少事故發生。

三、 照明系統區域燈光布置節能設計

（一）光源布置的區域性分析

地鐵車站根據功能可分為三個區域，分別是出入口區、站廳區和站臺區。各區域之間相互包含相互連接，照明設置因其功能不同側重點有所不同。

1.出入口區域

出入口區域是地上空間和地下空間的過渡區域。受明暗適應因素的影響，該區域宜采用自然光源和人工光源相結合的方式布置，采用玻璃等透光性強的建筑材料達到自然光的目的，自然光不足時由人工光源（如射燈、筒燈等）進行補充。此外，出入口區域還要注意燈具鋪設方式的引導性，以滿足引導乘客的要求，使乘客在照明過渡階段能夠保持良好的方向感。

地鐵出入口區域的燈光布置，在出入口區使用少量人工燈光進行輔助照明，采用透光性能強的玻璃進行自然采光，且燈具采用平行均布的鋪設方式以引導乘客適應光環境的變化。

2. 站廳區域

站廳區域是地鐵站內的主要區域，具有面積大、功能分區多等特點，站廳區域因此也成為照明系統節能改造的主要領域。該區域不僅有出入口、站臺與站廳區的過渡空間，還有購票、人工工作、出入閘口等區域，這些區域功能差異顯著。設計站廳區域的照明布置時，應考慮各功能分區的要求，運用燈具混合搭配、組合排列方式來實現重點照明，體現照明布置的立體性和層次性。在各分區過渡段的照明布置要體現引導性，起到連接各分區的作用，使站廳區域的照明布置既突出重點又協調和諧，既富有層次又相互連結。

地鐵站臺區域的燈光布置實例：站廳的照明節能設置以功能區的重點照明和過渡區域的輔助照明相結合為原則，對閘機區域、人工售票窗口等區域以增加照明強度或燈具密度的方式來實現重點照明，對站廳其他區域進行滿足照度要求的節能設定和引導性的燈具布置。

3. 站臺區域

站臺區域是乘客候車區域及上下地鐵列車的過渡區域，照明布置以舒適和安全為主要原則。為了營造舒適的候車環境，站臺區域的照明布置主要通過照度和色溫的改變（即光源顏色）給予乘客自然愉悅的候車感受;安全起見，站臺與車輛之間的屏蔽窗前須設置重點照明，如屏蔽門光帶的使用，使乘客能夠分辨出站臺界限，避免事故產生。

（二）地鐵站廳照明節能模擬設計

為考察地鐵站廳的節能設計，研究地鐵站站廳層的光環境，選取地鐵站廳作為照明節能設計分析對象。利用DIALux軟件專業性強，具有環境模擬與精確的數據分析功能，且開放性強，建模能力和操作性強，設計效率高等特點，根據設計要求提供整體照明系統數據，通過DIALux軟件對光環境進行模擬。

首先，設定站廳層是一個長80米、寬30米、高5米的室內空間，設定了地板、天花板、墻壁和工作面的材質，并對出入口閘機、自動售票機、安檢區和人工窗口等構造的位置和材質進行相應設定（如圖1）?？紤]到某些構造，如柱子，其表面出于商業用途會大面積貼上廣告等紙質材料，故在設定材質時，根據實際情況，將此類構造的表面材質設定為紙質。其他構造的材質按照目前的通用材質進行設定。

其次，進行照明設備的種類選擇及空間布置（如表1），以地鐵站廳照度和色溫要求為原則，對照明設備實行重點區域布置，既滿足出入口區域、自動購票區、人工工作區、出入閘口區和安檢區域的重點照明，又滿足過渡區域的照明要求。

最后，對照明設計結果進行數據分析，得出配光曲線效果。配光曲線表示一個燈具或光源發射出的光在空間中的分布情況。在實際運用中，配光曲線描畫了某一燈具平日內的發光強度，識別空間分，其表達著燈具照射出來的光在設定空間以內的分布形態。記錄著該燈具在各個方向上的光強，還反映了燈具的光通量、光源數量、功率、功率因數、燈具尺寸和燈具效率等信息。配光曲線與燈具類型的選擇有關，具體與反射器、透明件的形狀、光源發光體形狀和光源的位置等因素相關。其表示方法有極坐標法、直角坐標法和等光強曲線等三種。

實際應用中，根據站廳各區域照明要求差異，選擇合適的燈具類型，在滿足使用需求的前提下實現節能的最大化。因此，除了采用高效光源外，更重要的是衡量其光通利用率即燈具效率的高低。通過配光曲線可以判斷光斑性質、計算演區照度和燈具效率，以此選擇合適的燈具來達到節能目的。

在出入口閘機、安檢處、人工窗口、售票機進行重點照明，在各區域的過渡帶進行照明引導。在滿足照度標準值的條件下，通過調整和平衡功能區和過渡區的照度來實現節能的最大化。具體可參照照度等值線（如圖2），照度等值線詳

細地反映了站廳光環境設計的分區化和銜接性，它不僅能直觀地反映設計空間的整體照度分布和具體位置的照度值，而且能體現重點區域和過渡區域的照度差別，明確各個區域照度范圍和相對界限。通過對以上信息的分析和呈現來指導設計人員根據實際照明環境和照明要求進行相應的節能設計。

在實際設計中，亦要兼顧偽色圖的設計。偽色圖是一種利用特殊的數位影像處理技術來將灰階影像的圖片轉換成為全彩的彩色影像，是對站廳照度情況的一種更為直觀的呈現。偽色圖將以照度值為主要特征的等值線圖轉化為以顏色為特征的視圖。偽色圖的顏色表示相應的照度值，是對照度的一種更為直觀的呈現。它能形象直觀地反映照明分區范圍和分區的照度分布情況，便于設計人員根據實際照明環境和節能要求調整設計方案。

四、 照明智能控制技術——以南昌地鐵一號線為例

利用DIALux照明設計軟件對地鐵照明空間環境進行建模，確定其空間照度分布情況，結合相關的計算軟件，確定相關模型系數并求解，以此實現室內照明的智能照明控制。現階段，充分利用天然光照明，結合智能照明控制算法，能有效減少用電消耗，創造良好的照明環境，提高工作效率，具有良好的應用價值。

（一）智能照明控制技術概況

隨著現代科學技術的進步，智能控制技術得到廣泛認可與應用，傳統控制理論面臨很大挑戰。在公共交通建設領域，智能照明技術能更好適應運營需要，更符合綠色環保、節約能源的發展理念。

照明控制技術經歷了手動控制、自動控制到智能控制三個階段。手動控制即通過人工拉動開關原件達到控制照明設備開關的目的。隨著電氣技術發展，照明技術逐漸完善，人工照明控制技術被逐步取代。在自動照明控制系統中，照明設備引入光、電、聲技術，傳感器通過捕捉光與聲的變化將信息傳遞至開關，以此達到自動控制照明的效果。自傳感器與靈敏原件的發明和使用使照明控制技術實現智能化、數字化和模塊化。用戶可以通過中央系統實現照明的自我管理。與傳統控制系統相比，智能照明控制系統在節能化、系統化、數字化等方面更加完善。其特點主要體現在控制系統結構獨立、運行系統簡單穩定、可自動監視報警等。

智能照明控制系統采用分布式總線結構，系統內部傳感器與驅動器為對等關系，具有獨立CPU，系統中任何傳感器與驅動器的故障、損壞不會影響其他元件運行，且維修與跟換元件簡單方便，不需重新布線。發生故障時監控系統將自動報警，防止意外發生，系統運行穩定安全。傳統照明控制系統采用單項通信結構，系統只支持調光而無法獲取燈泡信息。系統在多燈泡系統中需要大量電纜，且需控制每個光源。若系統存在元件損壞情況需停止整個系統，重新布線維修。

（二）智能照明控制系統構成原理

智能照明控制系統一般由系統單元、輸入單元和輸出單元三部分組成。每一個設備設置唯一的地址，并使用軟件設定功能。系統單元通過終端與傳感器單元、照明燈控制單元的信號，調整各回路燈具的工作模式。在圖3智能照明控制系統中，監控中心由計算機、ZigBee近距離無線組網通訊技術協調器與GSM全球移動通信系統組成。工作單位通過控制計算機實現與ZigBee協調器之間的數據傳遞，并結合GSM通信系統與協調器的信息轉換，將監控指令傳達至ZigBee路由器集群。照明燈ZigBee終端接收路由器集群傳達的指令后，將響應工作命令，發布該指令至照明燈控制單元與傳感器控制單元，實現整個智能照明控制系統的運作。

（三）南昌地鐵智能照明系統方案

南昌地鐵一號線智能照明控制系統統一采用DALI數字化調光方式，根據照明的分區，利用精細化的控制，以降低照明能耗，提高乘客舒適度。

1.照明分區

南昌地鐵站照明系統按不同組織功能區可劃分為站廳層照明分區、站臺層照明分區和出入口照明分區。每一照明系統分區需滿足不同功能運行條件。站廳層照明分區包含乘客流動區域照明，售票區域照明，廣告及站廳層樓梯、手扶電梯區域照明;站臺層照明分區包含乘客流動及休息區區域照明，列車屏蔽門光帶區及站臺層的高低轉換區區域照明;出入口照明分區包含乘客流動區域照明與室外區的高低轉換區區域照明（見表2）。

2.系統功能方案

南昌地鐵智能照明控制系統主要由車控室中控機與對應的控制網關，車站照明配電室開關模塊，DALI模塊，照度傳感器及紅外傳感器組成。根據使用范圍與功能差異，照明系統又分為流動區、地鐵輔助設備功能區、廣告區、乘客休息區、屏蔽門光帶區以及室外區。

南昌地鐵系統功能方案采用精細化技術對照明進行分區控制，根據實際人流情況，在不影響乘客基本照明需求與地鐵公共設備使用前提下，智能調整亮度。在乘客流動區，根據人流量大小，自動調整照明亮度;在輔助功能區，根據是否有乘客人體活動自動調整照明強弱;在廣告區，依據燈箱附近照明強弱調整燈箱背景燈照明強度;在乘客休息區，根據該區域是否有乘客使用，自動調整照明燈亮度;在屏蔽門光帶區，根據列車進出站情況，調整照度以提醒乘客進出站;在室外區，根據室內傳感器探測外部自然光是否充足，自動調整照明設備服務與否。

3. 控制模式

由于方案采取的控制模式主要利用時間模塊與分區情況，因此在不同的時間段，系統將自動切換區域的亮度，以此達到精細化控制車站內的照明。根據列車不同運營情形，地鐵照明系統按以下模式控制：工作日上下班高峰期采用全亮模式;其他時間采用平峰模式;夜晚較少人搭乘時采用低峰模式;在節假日工作人員可根據實際運營情況自行切換合適模式。同時，系統預留空白模式以滿足工作人員自行定義情形下不同亮度的運營需求。各運營模式如表3所示。

4. 預計節約能耗

以南昌地鐵一號線雙港站為例，該站公共照明區域共有776套燈（未含應急燈），其中192套為屏蔽門光帶（功率為10W），剩余的584套為正常照明（功率為22W）?；谝陨险{光模式，預計使用智能照明控制系統后每日可節約電費約100千瓦時，按照0.824元每千瓦時的標準計算，一年可節約照明電費30000元。

可見，合理利用智能照明系統，可使有效降低地鐵車站照明能耗，延長燈具壽命，也能提高運營人員的工作效率。在市郊高架站區域，智能照明系統可根據透入車站的照度而自動調節車站內的燈光，更加有效地降低照明的能耗。相比傳統照明控制方式，智能照明控制技術在控制負載、檢測電流、計次開關燈等方面具有明顯優勢，對地鐵的照明控制和維護管理變得更加高效與簡單。

五、 結論與展望

（一）結論

本論文基于節能角度，詳細分析了影響地鐵車站照明系統的主要因素，對地鐵車站的光環境設計進行探討，分析了地鐵車站不同區域的照明要求，運用DIALux軟件對地鐵站廳照明節能方案進行設計與比較;在此基礎上，進行了照明智能控制技術的實證分析。研究發現：

1.地鐵車站照明系統影響因素如照度、色溫、眩光、明適應與暗適應、光環境舒適度等均對地鐵車站光環境產生影響，從燈光環境控制上加強對車站各個區域的調控要求，為節能方案的設計和智能控制模式的規劃提供依據。

2.運用DIALux照明軟件的設計，注重光源布置的區域性有利于實現經濟、節能的綠色照明。以地鐵車站站廳區域作為主要研究對象的照明節能設計輸出的DIALux模擬地鐵車站光環境3D圖、配光曲線、照度等值線圖和偽色圖等研究結果表明，對包括出入口區、站廳區、站臺區和工作區等四個重點區域和過渡區在內的地鐵車站照明系統進行合理布置，有助于在滿足地鐵照明需求，同時減少能源消耗，為設計出一套更為合理的節能方案提供思路。

3.對智能照明控制系統的研究發現，地鐵車站不同區域和運營時間的照明控制要求對照明節能設計具有指導性意義?；诟飨到y的照明功能，在對地鐵車站不同區域和運營時間的照明控制實行差異化管理下，設計出的能夠精細化控制、采用DALI數字化調光的照明控制方案，有助于降低照明能耗，提高乘客舒適度，達到節能減排之效用。

（二）展望

隨著社會和科技的不斷發展，影響地鐵照明系統的因素將比現存的因素更多，作用機制也將更為復雜，因此地鐵照明系統的節能不僅要滿足照明的技術節能要求，更要以追求人性化為目標。本文照明系統設計只是為區域節能設計提供思路，由于數據獲取有限性，無法用得出一個最優的節能設計方案。因此，在節能設計軟件中，對于節能因子的選擇、節能設計演算過程和節能結果評估標準的選擇等問題都是值得研究的。本文僅對照明控制模式做了具體闡釋和說明，并未設計出有效運行的智能控制系統。如今地鐵照明節能化的瓶頸在于如何將智能照明控制系統大規模地運用到實際地鐵車站中，目前仍有許多難題尚待攻克。

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作者簡介：

戴夢云，女，福建福清人，江西財經大學，研究方向：工程管理;

侯曉蓉，女，湖南常德人，江西財經大學，研究方向：工程管理;

洪俊偉，男，江西余江人，江西財經大學，研究方向：工程管理。