摘 要：LED 作为城市轨道交通车辆新一代照明灯具，其性能相比于荧光灯有较大的差别。目前国内外没有针对城市轨道交通车辆的 LED 照明标准。对 LED 光学参数进行研究，通过对 LED 照明相关标准的分析，并结合城市轨道交通车辆的特殊使用环境，制定适合于城市轨道交通车辆使用的 LED 照明光学参数要求，对照度、相关色温、显色指数、色容差与色偏差和光生物安全性提出具体要求。为今后城市轨道交通车辆 LED 照明技术要求的制定提供参考。
关键词：城市轨道交通；车辆；发光二极管；光学参数
中图分类号：U270.38+1
0 引言
发光二极管（LED）作为新一代的照明光源，其相较于荧光灯具有功率小、光效高、寿命长、不含汞等特点，正在逐渐开始取代荧光灯作为主要照明灯具使用。目前在轨道交通车辆上仍普遍使用荧光灯，但是许多城市轨道交通运营商开始在新车采购中选择使用 LED 作为客室主要照明[1-2]，同时也开始对既有车辆进行 LED 改造[3-4]。LED 光源在光学参数上与荧光灯有显著的区别，而光学参数的设计对车辆客室内的乘客有直接的影响。因此，有必要对 LED 光源光学参数的选择进行研究。
1 照度与照度均匀度
照度是入射在包含该点的面元上的光通量与该面元面积之比，照度直接反映了照明的亮度，通常采用平均照度衡量规定平面上的照度。照度均匀度为规定表面上的最小照度与平均照度之比，反映照度是否均匀。
目前国内外对于轨道交通车辆客室的照度与照度均匀度有相应的技术标准，各国的技术标准结合本国国情特点进行了规定。
欧洲标准 EN 13272-2012《铁路应用—公共交通系统铁道车辆电气照明》对铁路车辆客室照度做出了详细的规定[5]。该标准根据不同类型车辆进行了分类，分为干线普速列车和高速列车的照度要求以及其他列车的照度要求。其中对于其他列车的要求应该与对城市轨道交通车辆的要求最为接近，标准规定如表 1 所示。
EN 13272 对紧急照明也提出了相应的要求，即客室内紧急照明在地板面照度平均值不低于 5 lx，照度均匀度为 0.15～5.0。
EN 13272 还对照度的测试方法做出了具体的规定，包括对环境温度的要求、针对荧光灯还需点亮 150 h 后才能测试等。对于照度测量位置也有明确的要求，座椅区照度测量点应为离地板面 0.8 m、距离靠背前方0.6 m、座椅中心线处。站立区和过道照度测量点应为离地板面 0.8 m，等距离至少 5 个。
虽然标准并没有明示，但是该照度要求显然是针对采用横向座椅的车辆，而国内城市轨道交通车辆普遍采用纵向座椅。不同的座椅设置形式对室内照明需求是有区别的。
日本工业标准 JIS E 4016-2009《铁道车辆的照度—推荐值及测量方法》对轨道交通车辆客室照度以及测量方法做出规定，即在距地板面高度 850 mm 处，客室内正常照明的平均照度应大于 200 lx[6]。该标准根据客室不同座椅设置方式，分别对纵向座椅、横向座椅和纵横向座椅形式下的客室照度测量方式做了具体要求。图 1 为其照度测量时测点的布置图，其中黑圆点即为测点。
该标准只规定了正常照明的照度要求，但未对紧急照明照度提出要求。同时该标准可以适应不同座椅布置的车辆，对城市轨道交通车辆的照度要求具有参考性。
我国铁路标准TB/T 2917-1998《铁道客车电气照明技术条件》中规定客室正常照明必须有足够的照度，使车上的旅客可阅读书报。距离地板面高 0.8 m 处的平均照度应达到：荧光灯照明 150 lx；白炽灯照明 120 lx。紧急照明情况下，车上障碍物及进出通道的地板面照度不低于 5 1x[7]。該标准是针对干线铁路客车的照度要求，而城市轨道交通车辆的车内布置与铁路客车有较大的差别。
我国国家标准 GB/T 7928-2003《地铁车辆通用技术条件》中规定客室应有足够的灯光照明，在距地板面高 800 mm 处的照度平均值不低于 200 lx，最低值不低于150 lx（在车外无任何光照时）。在正常供电中断时，备有紧急照明，其照度应不低于 10 lx[8]。该标准适用于城市轨道交通车辆，但是并没有考虑 LED 照明的特殊性。
由于 LED 具有光衰的特点，即在寿命周期内会发生光通量衰减的情况，因此，LED 照明的照度要求与其他照明灯具的照度要求会有所不同，而上述国内外标准均未考虑相关内容。
结合上述国内外标准以及上海地铁实际照明使用情况，提出了适用于城市轨道交通车辆的 LED 照度要求。如表 2 所示，规定客室内正常照明平均照度应大于等于250 lx；客室内紧急照明平均照度应大于等于 75 lx；贯通道照明应大于等于75 lx。照度均匀度也应满足表 2 要求。
列车照度测点布置应至少包含图 2 中圆点标识的位置。各区域的测点布置详细位置及规则如表 3 所示。
由于 LED 照明具有光衰的特点，因此，LED 照明在寿命周期内照度会下降。根据 LED 光源寿命的定义，LED 灯具的光通量衰减到初始光通量的 70% 为寿命终止，而在面积一定的情况下，光通量与照度成正比，则LED 灯具寿命末期的照度值为初始照度值的 70%。而上述照度要求均为全寿命周期应达到的照度要求，因此，当新灯具安装后进行照度测量时，考虑将初始照度值作为要求是比较合理的。
2 相关色温
当光源的色品点不在黑体轨迹上，且光源的色品与某一温度下黑体的色品最接近时，该黑体的绝对温度为此光源的相关色温。
相关色温与照度是有关联性的。Kruithof 曲线反映了照度、色温与视觉舒适感的关系。由图 3 的 Kruithof曲线可以看出：照度为 200 lx 时舒适的色温约为 2 750～4 000 K区间，照度为 250 lx 时舒适的色温约为 2 850～4 600 K 区间，照度为 300 lx 时舒适的色温约为 2 900～5 000 K 区间，照度为 350 lx 时舒适的色温约为 2 950～5 500 K 区间。因此，仅从舒适性考虑，当照度平均值介于 250～350 lx 之间时，色温范围在 2 950～4 600 K 之间为宜。
欧洲标准 EN 13272-2012《铁路应用—公共交通系统铁道车辆电气照明》中对照明的相关色温也提出了要求，即相关色温应在2 800～7 000 K 之间，但是考虑到视觉舒适度不建议相关色温超过5 000 K[5]。
美国能源之星标准中要求LED 照明的相关色温应从表 4 中选择[9]。
LED 照明的光谱中含有一定量的蓝光，LED 照明的相关色温越高，光谱中蓝光的成分越多，而蓝光会对人体视网膜造成危害。考虑到室内照明的舒适性以及目前 LED 的光生物安全性（国外的研究证明大于4 000 K 可能具有光生物的不安全性），提出色温不宜高于 4 000 K[10]。
综合上述国内外标准与研究，城市轨道交通车辆客室内的标称相关色温值建议为 4 000 K。
3 显色指数
显色指数为光源显色性的度量。以被测光源下物体颜色和参考标准光源下物体颜色的相符合程度来表示。
欧洲标准 EN 13272-2012《铁路应用—公共交通系统铁道车辆电气照明》中对显色指数也提出了要求，即一般显色指数应大于等于 80。但是该标准显然没有考虑采用LED 照明所带来的问题。
目前显色指数是根据从孟塞尔颜色系统选出的14块标准色板进行评价的（图 4）。其中图 4 中上面一行色板 1～8 为中等饱和度色板，用于一般显色指数 Ra 的评价。图4 中下面一行色板 9～14 为高饱和度色板，用于特殊显色指数 Ri 的评价。LED 光源是由多种单色光和部分连续光谱组成，有高饱和度的色光成分。如果 LED 光源质量不高，其高饱和色光成分会减弱，导致反映高饱和深红色的 R9 为负数。因此，在美国能源之星 LED 照明标准中，除了要求一般显色指数 Ra 不低于 80 之外，对特殊显色指数 R9 专门提出大于 0 的要求，用于对原有一般显色指数的补充。
因此，城市轨道交通车辆客室 LED 光源也应满足一般显色指数 Ra 不低于 80，特殊显色指数 R9 大于 0 的要求。
4 色容差与色偏差
在国际照明委员会 CIE 1931 标准色度系统 x-y 色品图上，每一点都代表一种颜色，该点周围的其他点则代表其他的颜色。相近的点代表的颜色也相近，只有 2 个点的距离足够远的时候，人的眼睛才能区分颜色的差别。MacAdam 定义最小可辨色差为：在 x-y 色品图中围绕 1 点形成的 1 个椭圆称为 1 个色匹配标准误差（SDCM），如图 5 所示。美国能源之星标准要求 LED光源的色容差应小于等于 7 SDCM，但是研究发现超过 5 SDCM 的色容差能被人眼轻易察觉到。因此，城市轨道交通车辆客室 LED 光源的色容差不应大于 5 SDCM。
由于 LED 光源的特点，LED 照明在寿命期内会发生一定程度的颜色漂移和变化。为了控制 LED 的颜色偏移，使用比CIE 1931色品图颜色空间更均匀的 CIE 1976均匀色度标尺图来评价 LED 的色偏差，如图 6 所示。美国能源之星标准要求 LED 光源寿命期内的色偏差应在CIE 1976 均匀色度标尺图的 0.007 以内。
除此之外，由于制造工艺水平等问题，LED 光源在空间上的颜色一致性也会存在差异。美国能源之星标准要求新的 LED 灯具在不同方向上的色品坐标与其加权平均值偏差在 CIE 1976 均匀色度标尺图中不应超过 0.004[9]。
因此，城市轨道交通车辆客室LED 光源在寿命期内的色品坐标与初始值的偏差在 CIE 1976 均匀色度标尺图中不应超过0.007；新的 LED 灯具在不同方向上的色品坐标与其加权平均值偏差在 CIE 1976 均匀色度标尺图中不应超过 0.004。
5 光生物安全性
光生物安全性主要涉及光源中紫外、红外和蓝光对人体眼睛、视网膜以及皮肤的影响。为了规范光生物安全性，国内外相关标准相继出台：国际照明委员会于 2002年发布了世界上首个光生物安全标准 CIE S 009《灯和灯系统的光生物安全性》；国际电工委员会于2006 年发布了与 CIE S 009 相同内容的 IEC 62471；欧盟于 2008 年发布的 EN 62471 是对 IEC 62471 的修订；中国于 2006 年发布的 GB/T 20145 等同于 CIE S 009。
LED 照明的光生物安全问题主要集中在蓝光危害。据研究显示，大量的蓝光会抑制人体褪黑色素的分泌，对健康产生不良影响。蓝光还会直接或间接导致黄斑区细胞的损害，对视网膜造成光化学损害。蓝光还可引发视觉模糊、眩光等问题。因此，国际电工委员会在 2014 年发布了 IEC/TR 62778《IEC 62471 标准在照明光源和灯具的蓝光危害评价方面的应用》，该标准对LED 等存在蓝光危害的灯具进行蓝光危害评估的方法做出了详细要求。
根据城市轨道交通车辆客室环境特点，LED 灯与灯系统应通过 EN 62471 中规定的光生物安全性测试，评估结果应为无危险类产品。对 LED 光源与灯具的蓝光危害评价应按照 IEC/TR 62778 中的规定进行，危险组别分类不应超过 RG0 无限制级。
6 结语
LED 作为新一代光源，正逐步开始在城市轨道交通车辆上运用。本文通过对 LED 照明的主要光学参数进行研究，根据 LED 照明的特点并结合国内外相关标准，制定适合城市轨道交通车辆的 LED 照明光学参数要求。针对城市轨道交通车辆的特殊使用环境，对照度、相关色温、显色指数、色容差和色偏差、光生物安全性提出了具體的要求。
参考文献
[1] 杜振涛. 北京地铁14号线车内照明中LED的应用[J]. 科技创新导报，2013（7）：41.
[2] 刘军良，钟碧羿. 城轨车辆客室LED照明的特点及灯具设计选型分析[J]. 电力机车与城轨车辆，2010，33（2）：55-57.
[3] 林彬，陈玉文，毕冬云. 成都地铁1号线车辆客室LED照明改造浅析[J]. 科技创新与应用，2017（3）：227.
[4] 高飞. LED照明在上海地铁5号线中的应用[J]. 上海节能，2014（7）：35-37.
[5] 欧洲标准化委员会. EN 13272 ： 2012 铁路应用—公共交通系统铁道车辆电气照明[S].
[6] 日本工业标准调查会. JIS E 4016 ： 1992 鉄道車両の照度—基準び測定方法[S].
[7] TB/T 2917-1998 铁道客车电气照明技术条件[S].
[8] GB/T 7928-2003 地铁车辆通用技术条件[S].
[9] 美国能源部. 能源之星固态照明灯具认证标准[S]. 2008.
[10] GB 50034-2013 建筑照明设计标准[S].
收稿日期 2017-10-16
责任编辑 冒一平