亞運奧體演繹燈光對民航飛行員視覺影響評估研究

摘 要：本文主要研究亞運奧體演繹燈光組的強光束對空中航行民用航空器飛行員視覺影響的數值評估方法。首先，對民航領域相關法律法規與飛行程序規章制度進行調研。其次，根據燈光物理參數與光束照度理論，對單個光束燈的照度值進行數學建模。再次，構建飛行程序保護區指定高度任意點處燈光組的總和照度值計算模型。最后，通過杭州亞運會奧體演繹燈光對杭州蕭山機場附近空中飛行員視覺影響進行評估，驗證本文所提方法的有效性和準確性。

關鍵詞：光束燈；視覺影響；飛行程序

中圖分類號：V 271" " " 文獻標志碼：A

2023年亞運會在杭州舉行，開幕式和閉幕式中均有大型演繹燈光表演，“亞運奧體演繹燈光項目”擬建設沿江與建筑屋頂850W防水光束燈共389個。1）沿江區域的濱江段1km，光束燈109個；蕭山段2km，光束燈210個，因此沿江區域的光束燈共109+210=319個。2）建筑區域潤奧中心2個樓的樓頂光束燈各10個，杭州之門2個樓的樓頂光束燈各10個，信達中心3個樓的樓頂光束燈各10個。因此，建筑區域的光束燈共10×2+10×2+10×3=70個。燈光組與杭州蕭山機場06/24號跑道中心點距離18.578km，與06/24號跑道入口距離16.921km，與06/24號跑道延長線最近距離6.564km。根據民航機場相關凈空管理規定，需要對該燈光組對空中航行民用航空器飛行員的視覺影響進行評估。因此，本文提出基于飛行程序保護區指定高度任意點燈光組總和照度值的數值計算方法，評估、分析燈光組對民用航空器飛行員視覺影響。

1 研究方法

本文主要研究亞運奧體演繹燈光組的強光束對空中航行民用航空器飛行員視覺影響的數值評估方法，技術路線如圖1所示。首先，對民航領域相關法律法規與飛行程序規章制度進行調研。其次，根據燈光物理參數與光束照度理論，對單個光束燈的照度值進行數學建模。再次，構建飛行程序保護區指定高度任意點處燈光組的總和照度值計算模型。最后，對亞運奧體演繹燈光項目擬建設的389個850W防水光束燈及其光束是否會對杭州/蕭山機場飛行產生影響進行安全評估。對儀表離場程序、精密進近程序、非精密進近程序、PBN飛行程序和飛機性能等的影響進行評估，得出結論和相關建議。

1.1 光束照度值

光照強度[1-2]是一種物理術語，指單位面積上所接受可見光的光通量，簡稱照度，單位為勒克斯（lux或lx），主要用于指示光照的強弱和物體表面積被照明程度的量。照度值通常被用來評價光束的亮度和對人眼視覺的影響[3-4]。例如，根據《建筑照明設計標準》（GB50034—2013），辦公建筑照明標準值一般為200lux～750lux，住宅建筑照明標準值一般為100lux～500lux，影院觀影廳照明標準值一般為100lux～200lux。因此，本文重點對亞運奧體演繹燈光光束照度值進行建模。

1.2 單個光束燈的照度值建模

亞運奧體演繹燈光使用的是850W防水光束燈，其照度值隨距離的變化如圖2所示。

本文基于曲線擬合算法，得到850W防水光束燈單個光束燈的照度值隨距離變化的計算曲線，即光照度（lux）與測距（m）的平方間的關系如公式（1）所示。

L=le8/D " （1）

式中：L為照度；D為光束邊緣與光源的測距的平方；le8為108。

1.3 光束燈組總和照度值建模

燈光組擬建設389組光束燈，分別建設在江邊和多個地標性建筑屋頂。考慮最差情況，這些光束燈在某一時刻同時照射到空中的同一個點，該點的光束總和照度值如公式（2）所示。

（2）

式中：i表示第i個光束燈，i=1，2，……，389；Li為第i個光束燈的照度值；Di為第i個光束燈與空中指定點的直線距離的平方。

本文項目的光束對航行影響的評估方法如下所示。首先，假設飛行方向與飛行員水平最大視線角為120°（左右各60°），計算所有光束燈與各航段飛行程序的水平最近點位置、距離以及該最近點處的程序高度或最低限制高度。其次，計算所有光束燈與該最近點的斜向測距。再次，計算該斜向測距下所有光束燈的照度值與總和照度值。最后，根據總和照度值對應的等同環境照度，得出對人眼是否存在影響的結論。

1.4 技術評估方法和參數

1.4.1 保護區

在進離場飛行過程中，飛機可能因導航誤差、飛行技術誤差等原因此偏離航路中心線。保護區即為根據一定規范繪制的飛機在進離場階段可能的位置區域，用于評估飛機在低空飛行過程中是否會進入煙氣飄散的水平影響區域。每個航段都有相應的保護區，通常保護區對稱于預定航跡兩側，并且該保護區分為主區和副區，有時只有主區。當允許有副區時，每邊外側一半寬度的保護區為副區（通常為總寬度的25%）。在2個定位點間，可以根據這2個定位點處的保護區寬度，使用公式（3）進行線性插值，求得任意一點（P）的副區寬度。

（3）

式中：WS1為第一個定位點的副區寬度；WS2為第二個定位點的副區寬度；WSP為P點的副區寬度；DP為從第一個定位點沿標稱航跡至P點的距離；L為2個定位點間沿標稱航跡的距離。

1.4.2 程序高度

程序高度是指飛機在特定區域的飛行高度。航空業界已確認，大多數大型航空器的飛行事故發生在距著陸機場19km（10n mile）的范圍內[4]。為支持防止可控飛行撞地的倡議，儀表進近圖不僅要提供保證超障余度所需的高度/高，還應提供程序高度/高。程序高度/高是為了確保飛機位于具有相應超障余度的任何最低高度之上，并支持在最后進近航段上根據指定梯度/角度穩定下降。設計所有的非精密進近程序時，不僅應該包括保證超障余度的最低高度，還應包括程序高度/高。在任何情況下，程序高度/高都不得低于任何OCA/H。

1.4.3 轉彎區設計

轉彎區設計具體如下。

第一，儀表飛行程序中不同航段轉彎保護區設計的基本準則。本文介紹的方法——風螺旋線和邊界圓可以用于下列飛行階段，即離場、復飛、最后進近定位點（轉彎＞10°）和RNAV程序在IAF和IF轉彎（轉彎＞30°）。其他轉彎的保護區用平均圓弧設計。

第二，在一個指定高度/高轉彎。轉彎內邊界通常起始于轉彎起始區開始處，在可以提供最好側向保護的那一側邊界（如果轉彎角度＜75°，為內側邊界；如果轉彎角度≥75°，為外側邊界）。再與轉彎后標稱航跡成15°向外擴張。

第三，在一個指定轉彎點轉彎。在轉彎內側，主區邊界起始于K-K線。主區和副區邊界分別與下一航段對應的邊界線相連。如果連接點在下一航段相應保護區之外，邊界就按照與轉彎后的標稱航跡成轉彎角度一半的夾角（A/2）向標稱航跡收斂；如果連接點在下一航段相應保護區之內，邊界就按照與轉彎后標稱航跡成15°的夾角向外擴張。

第三，轉彎參數設置。該設置包括高度、指示空速（IAS）、風、坡度角和飛行技術容差。

第四，其他轉彎因素和轉彎設計中的計算。1）定位容差。2）以度為單位的轉彎率（R）。計算公式為R=（6355tana）/πv（v表示真空速（TAS），km/h）和R=（3431tana）/πv（v表示真空速（TAS），kn；R的最大值為3°/s）。3）無風條件下，按照指定坡度轉彎的轉彎半徑（r），km或n mile。給定轉彎率（R）時，轉彎半徑計算公式為r=v/（20πR）（v為TAS）。4）改變航向θ度所用時間的風的影響（E），km或n mile（視情況而定）。5）重力加速度。在公式中使用的默認值為9.80665m/s2（68625n mile/h2）。6）c為飛行員反應時間。

2 試驗驗證

本文旨在對亞運奧體演繹燈光項目擬建設的389個850W防水光束燈及其光束是否會對杭州蕭山機場空中航行民用航空器飛行員的視覺影響進行安全評估，包括對儀表離場程序、精密進近程序、非精密進近程序、PBN飛行程序、飛機性能等的影響進行評估。

評估步驟如下所示。1）計算各飛行程序保護區與燈光組的相對位置關系（即最近點）。如果位于保護區外的光束燈，取燈光組與保護區的最近點；如果位于保護區內，將海拔高度最高的光束燈位置作為最近點。2）計算各飛行程序保護區與燈光組最近點的障礙物最低超障高度或程序限制飛行高度。3）計算各飛行程序保護區與燈光組最近點的光束總和照度值，并根據照度值與光照強度的對應關系得出對人眼影響的評估結論。

杭州蕭山機場某跑道在400m（1300ft）高度轉彎的儀表進近、復飛程序保護區如圖3所示，蕭山機場目視盤旋程序保護區如圖4所示。根據燈光組與儀表進近、復飛保護區及目視盤旋保護區邊緣的空間位置關系，可計算出該邊緣點處的燈光組總和照度值。

燈光組對杭州蕭山機場空中航行的航空器飛行員視覺影響評估結果見表1。結果顯示，燈光組對杭州蕭山機場的基本ILS面、OAS面、APV-OAS面、VSS面、傳統/RNP儀表離場、進場、等待程序、ILS/DME、GP不工作、VOR/DME、LNAV/VNAV、LNAV、RNPILS/DME儀表進近、復飛程序、目視盤旋程序、起飛航徑區和起飛一發失效程序無影響。

3 結論

本文研究了亞運奧體演繹燈光組的強光束對空中航行民用航空器飛行員的視覺影響的數值評估方法，構建了飛行程序保護區指定高度任意點光束燈組總和照度值計算模型，并通過杭州蕭山機場飛行程序進行實例驗證，驗證結果證明本文所提方法的正確性和有效性。

參考文獻

[1]劉洋，段平.LED燈具在博物館照明中的應用[J].現代建筑裝飾，2015（3）：120-122.

[2]李煒，周旭，劉巖峰.機場航站樓燈光照明設計探討[J].建筑與文化，2016（12）：76-77.

[3]CHEN H，WEI M，XU L.A review of lighting quality assessment"in architectural lighting design[J].Frontiers of architectural research，2018，7（1）：15-30.

[4]GUO J，WU Y，YAN X.A study on the influence of lighting design on passenger satisfaction in airport terminal buildings[J].Journal of illuminating engineering society，2019，48（1）：34-40.