城市軌道交通車輛 LED 照明光學參數研究

王宗明

（上海申通地鐵集團有限公司技術中心，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定平面上的照度。照度均勻度為規定表面上的最小照度與平均照度之比，反映照度是否均勻。

目前國內外對于軌道交通車輛客室的照度與照度均勻度有相應的技術標準，各國的技術標準結合本國國情特點進行了規定。

歐洲標準 EN 13272-2012《鐵路應用—公共交通系統鐵道車輛電氣照明》對鐵路車輛客室照度做出了詳細的規定[5]。該標準根據不同類型車輛進行了分類，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。其中對于其他列車的要求應該與對城市軌道交通車輛的要求最為接近，標準規定如表1 所示。

EN 13272 對緊急照明也提出了相應的要求，即客室內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 還對照度的測試方法做出了具體的規定，包括對環境溫度的要求、針對熒光燈還需點亮 150h 后才能測試等。對于照度測量位置也有明確的要求，座椅區照度測量點應為離地板面 0.8m、距離靠背前方0.6m、座椅中心線處。站立區和過道照度測量點應為離地板面 0.8m，等距離至少 5 個。

雖然標準并沒有明示，但是該照度要求顯然是針對采用橫向座椅的車輛，而國內城市軌道交通車輛普遍采用縱向座椅。不同的座椅設置形式對室內照明需求是有區別的。

我一根一根地仔細辨認著那些人肉骨碌從我面前抬過去。可是我怎么也認不出他們到底是誰了。我又走近了些，更加仔細地一根一根看著，還是從那些肉骨碌的某一個特征中確認出了他們的身份。譬如：大老李、蕭富，尖嘴猴腮的本地劉關子平順等等。

日本工業標準 JIS E 4016-2009《鐵道車輛的照度—推薦值及測量方法》對軌道交通車輛客室照度以及測量方法做出規定，即在距地板面高度 850mm處，客室內正常照明的平均照度應大于 200 lx[6]。該標準根據客室不同座椅設置方式，分別對縱向座椅、橫向座椅和縱橫向座椅形式下的客室照度測量方式做了具體要求。圖1 為其照度測量時測點的布置圖，其中黑圓點即為測點。

該標準只規定了正常照明的照度要求，但未對緊急照明照度提出要求。同時該標準可以適應不同座椅布置的車輛，對城市軌道交通車輛的照度要求具有參考性。

我國鐵路標準TB/T 2917-1998《鐵道客車電氣照明技術條件》中規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。距離地板面高 0.8m 處的平均照度應達到：熒光燈照明 150 lx；白熾燈照明 120 lx。緊急照明情況下，車上障礙物及進出通道的地板面照度不低于 51x[7]。該標準是針對干線鐵路客車的照度要求，而城市軌道交通車輛的車內布置與鐵路客車有較大的差別。

我國國家標準 GB/T 7928-2003《地鐵車輛通用技術條件》中規定客室應有足夠的燈光照明，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）。在正常供電中斷時，備有緊急照明，其照度應不低于 10 lx[8]。該標準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，即在壽命周期內會發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有所不同，而上述國內外標準均未考慮相關內容。

結合上述國內外標準以及上海地鐵實際照明使用情況，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，規定客室內正常照明平均照度應大于等于250 lx；客室內緊急照明平均照度應大于等于 75 lx；貫通道照明應大于等于75 lx。照度均勻度也應滿足表2 要求。

列車照度測點布置應至少包含圖2 中圓點標識的位置。各區域的測點布置詳細位置及規則如表3 所示。

圖1 JIS E 4016 中照度測點布置示意圖

表2 城市軌道交通車輛照度要求

圖2 照度測點布置示意圖

由于 LED 照明具有光衰的特點，因此，LED 照明在壽命周期內照度會下降。根據 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達到的照度要求，因此，當新燈具安裝后進行照度測量時，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域照度測點要求

2 相關色溫

當光源的色品點不在黑體軌跡上，且光源的色品與某一溫度下黑體的色品最接近時，該黑體的絕對溫度為此光源的相關色溫。

相關色溫與照度是有關聯性的。Kruithof 曲線反映了照度、色溫與視覺舒適感的關系。由圖3 的 Kruithof曲線可以看出：照度為 200 lx 時舒適的色溫約為 2750～4000K區間，照度為 250 lx 時舒適的色溫約為 2850～4600K 區間，照度為 300 lx 時舒適的色溫約為 2900～5000K 區間，照度為 350 lx 時舒適的色溫約為 2950～5500K 區間。因此，僅從舒適性考慮，當照度平均值介于 250～350 lx 之間時，色溫范圍在 2950～4600K 之間為宜。

圖3 Kruithof 曲線

歐洲標準 EN 13272-2012《鐵路應用—公共交通系統鐵道車輛電氣照明》中對照明的相關色溫也提出了要求，即相關色溫應在2800～7000K 之間，但是考慮到視覺舒適度不建議相關色溫超過5000K[5]。

美國能源之星標準中要求LED 照明的相關色溫應從表4 中選擇[9]。

LED 照明的光譜中含有一定量的藍光，LED 照明的相關色溫越高，光譜中藍光的成分越多，而藍光會對人體視網膜造成危害。考慮到室內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 能源之星標準相關色溫要求 K

綜合上述國內外標準與研究，城市軌道交通車輛客室內的標稱相關色溫值建議為 4000K。

3 顯色指數

顯色指數為光源顯色性的度量。以被測光源下物體顏色和參考標準光源下物體顏色的相符合程度來表示。

歐洲標準 EN 13272-2012《鐵路應用—公共交通系統鐵道車輛電氣照明》中對顯色指數也提出了要求，即一般顯色指數應大于等于 80。但是該標準顯然沒有考慮采用LED 照明所帶來的問題。

目前顯色指數是根據從孟塞爾顏色系統選出的14塊標準色板進行評價的（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Ra的評價。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Ri的評價。LED 光源是由多種單色光和部分連續光譜組成，有高飽和度的色光成分。如果 LED 光源質量不高，其高飽和色光成分會減弱，導致反映高飽和深紅色的R9為負數。因此，在美國能源之星 LED 照明標準中，除了要求一般顯色指數Ra不低于 80 之外，對特殊顯色指數R9專門提出大于 0 的要求，用于對原有一般顯色指數的補充。

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

圖4 標準色版

4 色容差與色偏差

在國際照明委員會 CIE 1931 標準色度系統x-y色品圖上，每一點都代表一種顏色，該點周圍的其他點則代表其他的顏色。相近的點代表的顏色也相近，只有 2 個點的距離足夠遠的時候，人的眼睛才能區分顏色的差別。MacAdam 定義最小可辨色差為：在x-y色品圖中圍繞 1 點形成的 1 個橢圓稱為 1 個色匹配標準誤差（SDCM），如圖5 所示。美國能源之星標準要求 LED光源的色容差應小于等于 7 SDCM，但是研究發現超過 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 光源的色容差不應大于 5 SDCM。

由于 LED 光源的特點，LED 照明在壽命期內會發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均勻色度標尺圖來評價 LED 的色偏差，如圖6 所示。美國能源之星標準要求 LED 光源壽命期內的色偏差應在CIE 1976 均勻色度標尺圖的 0.007 以內。

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存在差異。美國能源之星標準要求新的 LED 燈具在不同方向上的色品坐標與其加權平均值偏差在 CIE 1976 均勻色度標尺圖中不應超過 0.004[9]。

因此，城市軌道交通車輛客室LED 光源在壽命期內的色品坐標與初始值的偏差在 CIE 1976 均勻色度標尺圖中不應超過0.007；新的 LED 燈具在不同方向上的色品坐標與其加權平均值偏差在 CIE 1976 均勻色度標尺圖中不應超過 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、紅外和藍光對人體眼睛、視網膜以及皮膚的影響。為了規范光生物安全性，國內外相關標準相繼出臺：國際照明委員會于 2002年發布了世界上首個光生物安全標準 CIE S 009《燈和燈系統的光生物安全性》；國際電工委員會于2006年發布了與 CIE S 009 相同內容的 IEC 62471；歐盟于 2008年發布的 EN 62471 是對 IEC 62471 的修訂；中國于 2006年發布的 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光危害。據研究顯示，大量的藍光會抑制人體褪黑色素的分泌，對健康產生不良影響。藍光還會直接或間接導致黃斑區細胞的損害，對視網膜造成光化學損害。藍光還可引發視覺模糊、眩光等問題。因此，國際電工委員會在 2014年發布了 IEC/TR 62778《IEC 62471 標準在照明光源和燈具的藍光危害評價方面的應用》，該標準對LED 等存在藍光危害的燈具進行藍光危害評估的方法做出了詳細要求。

根據城市軌道交通車輛客室環境特點，LED 燈與燈系統應通過 EN 62471 中規定的光生物安全性測試，評估結果應為無危險類產品。對 LED 光源與燈具的藍光危害評價應按照 IEC/TR 62778 中的規定進行，危險組別分類不應超過 RG0 無限制級。

6 結語

LED 作為新一代光源，正逐步開始在城市軌道交通車輛上運用。本文通過對 LED 照明的主要光學參數進行研究，根據 LED 照明的特點并結合國內外相關標準，制定適合城市軌道交通車輛的 LED 照明光學參數要求。針對城市軌道交通車輛的特殊使用環境，對照度、相關色溫、顯色指數、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號線車內照明中LED的應用[J].科技創新導報，2013（7）：41.

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

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

[4]高飛. LED照明在上海地鐵5號線中的應用[J]. 上海節能，2014（7）：35-37.

[5]歐洲標準化委員會. EN 13272 : 2012 鐵路應用—公共交通系統鐵道車輛電氣照明[S].

[6]日本工業標準調查會. JIS E 4016 : 1992 鉄道車両の照度—基 び測定方法[S].

[7]TB/T 2917-1998 鐵道客車電氣照明技術條件[S].

[8]GB/T 7928-2003 地鐵車輛通用技術條件[S].

[9]美國能源部. 能源之星固態照明燈具認證標準[S]. 2008.

[10]GB 50034-2013 建筑照明設計標準[S].