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

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

本文根據國際足聯新標準的變化，引入關注指數概念，主要介紹該標準的照明、電源、燈光布置等需重點關注的最新技術要求。意在引起行業的重視，以適應當前和預期的國際足聯比賽要求。關注指數是對國際足聯新標準某些變化的關注程度，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

關注指數：★★★★☆

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、觀眾的相關需求。

2 照明標準

關注指數：★★★★★

2020最新版FIFA足球場標準關于場地照明的標準值匯總如表2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，傳統的指標已經改變，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性模式(MCM)要求：A級場地不允許中斷照明，B級場地3 min內水平照度需大于1 000 lx、15 min內水平照度需大于2 000 lx，C級場地3 min內水平照度需大于1 000 lx、15 min內水平照度需大于1 250 lx，D級場地無照明連續性要求；

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新版標準根據場地級別的不同，逐級定義了更為精確的色溫區間范圍；

7)針對LED和HID提出不同的維護系數值。

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的變化，有益于我國足球場地建設，對我國足球場地建設有指導性意義。

3 電源要求

關注指數：★★★★★

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于場地電源的術語如表3所示[2]。

從表3可以看出，A+級電源為系統級冗余，A級電源為電源冗余，B級為公共電網正常供電。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關于電源的術語

表4 電源總體要求

可以通過以上幾個表看出，FIFA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變化，因此與國內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《體育建筑電氣設計規范》(JGJ354—2014)和《民用建筑電氣設計標準》(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。

3.2 電源標準

每屆比賽的電力系統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設施的配置和條件。這點比較好理解，發達國家、我國在電力系統可靠性方面比較高，而國際足聯所屬成員還有相當一些國家是貧困國，電力基礎設施比較差，例如非洲。因此，東道主需要國際足聯技術服務團隊的支持，獲得國際足聯比賽的電力需求標準，按照國際足聯場地照明電源標準設計可靠且有彈性的電源，并向國際足聯提交測試報告，確保比賽和電視廣播能夠不間斷得繼續進行。國際足聯場地照明電源標準如表5、表6及表7所示。

表5 國際足聯場地照明電源標準

表6 國際足聯場地照明電源標準

續表6

表7 國際足聯場地照明電源標準

4 燈具布置

關注指數：★★★★★

4.1 禁止布燈區域

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

圖1 FIFA2002標準要求的禁止布燈區域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域Fig.3 The area of prohibited lighting required by the FIFA 2011 standard

國際足聯對于禁止布燈區域的要求是避免體育照明燈光對運動員，尤其對守門員產生干擾，影響比賽正常發揮。出發點是正確的，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，將該區域燈關閉，僅在田徑比賽時使用。因此沒有光線投射到場地內，也不會影響運動員正常比賽。對于足球專用體育場，這個區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域，避免球門線周圍的過度眩光。

對于禁止布燈區域布燈主要有以下兩種情況：

1)角球區域禁止布燈區域，如圖4所示。首先應確保在禁區內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內，不受阻礙地看向角球區，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°范圍內如果布置燈具，要避免將燈光投射到禁區及周圍區域。

圖4 FIFA2020標準要求的禁止布燈區域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，但經過2018年亞足聯AFC、2019年歐足聯UEFA標準的研究和應用，FIFA新標準的實施近在咫尺。圖中原來不能布燈的區域照樣可以安裝燈具，但燈具投射點需在禁區外，而禁區內的照明由其他區域安裝的燈具投射。

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

圖5 FIFA2020底線布燈區域Fig.5 Bottom Line Lighting Area required by the FIFA 2020 standard

圖中，粉色區域為禁區外底線仰角小于60°范圍內不允許布燈；

黃色區域在禁區外底線大于60°范圍可以布燈；

綠色燈具允許在禁區外底線大于45°范圍內安裝。

工程中可以將底線后面的體育照明燈具向東西兩側移位，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

國際足聯在2014年巴西世界杯足球賽時就容許上述禁止布燈區域內布置體育照明燈具，在經過各大洲足聯的研究、應用實踐基礎上，FIFA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，前提是要設計合適的投射角，這的確顛覆了傳統。因此，足球專用體育場傳統嚴禁布置燈具的區域實質是誤區，不如嚴禁燈光投射或穿越影響運動員正常比賽的區域。

5 頻閃要求

關注指數：★★★★

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。因為在轉播過程中，照明系統的頻閃將導致電視圖像在慢動作回放時閃爍，大大影響轉播的效果，損害電視觀眾的體驗，對于體育商業化較發達的國家或運動項目，這樣閃爍會造成較大的經濟損失。電視轉播進入到超高清的4K/8K時代，慢動作、超慢動作回放更顯得重要，頻閃是現代體育賽事轉播繞不開、不可忽視的關鍵問題。因此場地照明設計及實施應盡可能消除燈光的頻閃。產生頻閃的情況將根據頻閃的調制、交變電壓頻率和攝像機的幀速率而變化。

5.1 術語

頻閃比：指在一個完整周期內給定平面上亮度的調制量。它表示整個周期內最大亮度值和最小亮度值之間的關系，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——一個完整周期內的最大照度值(lx)；Emin——一個完整周期內的最小照度值(lx)；Eave——一個完整周期內的平均照度值(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照明系統具有較好地控制頻閃能力，明顯優于傳統的氣體放電燈。

表8 不同照明系統的頻閃比

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。雖然每秒幀數會因所使用的技術而異，但對于體育電視行業中使用的大多數技術而言，頻閃比小于5%的照度系統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中安裝電子鎮流器或方波鎮流器來消除頻閃；

2)可以通過計算機處理來消除每秒幀數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

使用標準頻率鎮流器(即工頻鎮流器)和典型正弦波亮度調制特性的照明系統會產生大范圍的頻閃，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劃，為所有區域和場地平面設計燈具焦點，以接收來自不同角度燈具的重疊光通量。這可能會產生實質性的改善，并可能滿足國際足聯B和C體育場標準。

盡管上述方法可能會產生實質性的改進，但如果沒有減少亮度調制的額外解決方案，將無法滿足FIFA標準A級體育場的要求。電子或方波鎮流器與標準頻率正弦波鎮流器的混合可能產生低于5%的頻閃比，一般來說這種系統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應使用更多的頻閃比測試點，以確保所有區域的頻閃比一致。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。國際足聯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 結語

對國際足聯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，可以發現新標準在技術層面上發生不小的變化，值得我們關注，應引起專家、學者高度重視。照明設計師可以通過本文較為全面地了解國際足聯對足球場設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境，保證良好的轉播效果和電視機前的觀眾體驗。