轨道车辆LED照明系统中的传统文化特征

赵银花， 吴 菲， 王 维

(长春工业大学 应用技术学院， 吉林 长春 130012)

轨道车辆LED照明系统中的传统文化特征

赵银花， 吴 菲， 王 维

(长春工业大学 应用技术学院， 吉林 长春 130012)

以某动车组列车为实际应用对象，分析了列车照明的相关标准、要求及其照明结构特征。建立了具有中国文化特征的回纹照明模型。应用Maya三维软件对轨道车厢的照明效果进行了虚拟仿真分析。设计的效果在美学文化上具有明显特点。

：轨道客车； LED照明； 回纹； 照明效果

0 引 言

轨道车辆是现代交通的重要组成部分，作为运输能力最强大的交通工具，其可预见性较强，在未来的很长一段时间它仍将起着不可替代的作用，并且随着交通领域的进步和发展，必将发挥更大的积极作用[1]。轨道车辆照明系统是整体系统的重要组成部分，对系统高能效的保证、智能化的控制、人性化的服务都起着重要的作用[2-4]。当今，随着科技的不断革新，LED照明系统已广泛应用于轨道车辆室内照明中，在很多方面彰显出优点[5-7]。然而，为了更加符合我国轨道客车人性化及中国文化特色，设计具有自身文化特点,在科技中体现美学特色,达到科技和人文共同进步、和谐统一的目的，是具有重要研究意义的。

1 轨道车辆LED照明研究现状

法国“欧洲之星”高速列车的照明系统体现的是法国民族特有的浪漫主义和梦幻色彩的审美特征，以点、线、面多种光源形式营造不同列车环境，给人以不一样的视觉变换。德国ICE列车照明设计则体现出其民族固有的简单、严谨的特征，照明效果简单大气，整体感十足。此外，日本列车照明系统体现的是自然朴素，美国的则是便捷、明亮[8-10]。国内在这方面的研究代表主要为西南交通大学徐伯初等人，他们在照明设计和照明应用上进行了深入研究，为中国文化引入轨道车辆这一载体的研究奠定了重要基础[11-12]。

在国内外研究基础上，针对国内某轨道客车进行室内照明效果设计，在分析照明机理和LED布置规律的基础上[13-14]，参考相关行业标准，设计了具有中国文化特色的车厢照明效果。通过对比仿真分析，设计的照明环境明显在亮度匹配和美学应用上优于原有设计，这为具有中国特色轨道车辆LED照明系统的应用提供了较好的参考和依据。

2 轨道车辆LED照明要求指标

随着科技的发展，LED照明技术已经深入到众多工业领域。依据具体轨道客车行业相关标准，LED照明具体要求指标如下。

2.1 照明照度

按照国家标准，分为19个等级。以二等座车厢为例，一般为一级照明标准，辅以二级照明标准。

2.2 照明均匀度

按国家标准，数值不小于0.7。

2.3 眩光限制

为尽量减小由于照明产生的环境视觉相差，LED布置应在竖直方向或照明角度≥65°，平均亮度应≤1 000 cd/m2。

2.4 光源颜色

要尽量以“暖”和“中间”色为佳，色温小于5 000 K。

2.5 照明节能

主要以照明功率密度和对应的照度值进行匹配。

2.6 照明方式

包括点光源、线光源和面光源，分别应用在整车的不同位置。以一般二等座车厢为例，点光源一般布置在厨房顶棚；线光源一般布置于行李架下部；面光源则布置在车厢顶棚。

2.7 环境适应性

车厢内的LED照明灯具应能经受高低温循环试验，保证正常使用，6 000 h光通维持率在92%。按标准防尘、防固体异物和防水。

综合LED轨道车辆照明要求、乘客光学舒适度及具有创新文化特色，对某款轨道客车LED照明效果进行数字化设计。

3 LED照明结构现状分析

首先分析某轨道客车LED照明布置。LED光源布置一般是按照横向、纵向和复合形式进行布点的。在轨道客车车厢内，LED光源集中在车厢顶部和两侧行李架下方，某动车组列车车厢照明如图1所示。

图1 某动车组列车车厢照明图示

分析顶棚及侧面LED照明效果可知，照明为单一暖色调，顶棚单位区域LED布置数量较大，起到主要的照明作用。侧面LED布置区域较为密集，在光强方面弱于顶棚照明效果。为了进一步分析相互之间在结构上的关系，如图2所示。

图2 车厢照明示意图

从图2中可以看出，顶部LED布置为水平安装，侧面为倾斜成角度安装。尺寸相差较大，决定了LED设计结构需分别考虑。同时，为了满足实际模块安装，需要考虑与车厢机体配合部分形状特征。在此基础上，进行LED照明效果的改进设计，着重体现中国传统文化内涵。

4 轨道车辆LED照明设计应用软件

在轨道车辆LED照明设计中，首先考虑应采用虚拟仿真的手段来进行前期模拟与测试。当前除了AutoCAD、Rhino、3ds max等主流灯具设计软件外，Maya作为专业的三维软件在三维造型、灯光模拟及场景效果分析等方面具有强大的功能，尤其对于灯光的模拟效果和曲面模型的造型效果远远超胜其他三维类软件。

灯具照明的设计人员在设计过程中最需要解决的两大问题：一是测试灯光的光照效果；二是测试灯具造型与环境是否协调。Maya三维软件自身具备的优势可以非常好地解决以上两大问题。Maya不仅能直接准确地反映设计者的造型创意，而且能直观地测试灯具的光照效果，大大降低了设计方案在实际应用中的错误率。

在本课题的研究中，主要应用Maya三维设计软件对轨道车辆LED照明的外观及照明做了一系列的虚拟仿真设计。

5 具有中国传统文化特征的LED照明效果设计

回纹是指以横竖折绕组成如同“回”字形的一种汉族传统几何装饰纹样，因其构成形式回环反复，延绵不断，在民间有“富贵不断头”的说法。根据其纹样的特性，人们赋予了回纹连绵不断、吉利永长的吉祥寓意。基于此，结合轨道车辆LED照明系统设计的具体要求，应用虚拟技术进行仿真分析，设计一款具有中国回纹特征的LED照明模型，如图3所示。

(a) 顶部照明

(b) 侧面照明

LED布置如图4所示。

图4 LED布置图示

与原来设计相比，结合图4 LED布置图，新设计具有如下优点：

1)回纹纹样的应用既是对中华民族文化的传承，又有连绵不断、吉利永长的吉祥寓意；

2)回纹纹样的应用体现了明显的节奏感，具有美的韵律感受；

3)回纹纹样的应用是技术美的具体体现，摒弃了单一、呆板的造型；

4)回纹纹样的应用改善了车厢的环境照明，符合行业要求与规范，在工程上极易实现。

6 虚拟仿真分析

6.1 设计方案

通过对原有车厢照明效果的分析，根据行业规范与相关标准对车厢照明环境的要求，建立车厢照明模型；将优化设计后的模型进行虚拟仿真；比较二者最终效果。

6.2 仿真结果

仿真1是原有车厢照明效果的仿真结果，如图5所示。

图5 原有车厢照明效果仿真结果

仿真2是优化设计后车厢照明效果的仿真结果，如图6所示。

图6 优化设计后车厢照明效果仿真结果

6.3 仿真结果分析

通过比较图5和图6可以明显看出，图6照明布置具有鲜明的中华民族传统的文化特色，回纹纹样特征鲜明，统一中富于变化，节奏与韵律感极强，效果明显优于图5，不仅在视觉上给人以美感，而且在亮度、均匀性等方面都有优势，与图5比较，光照更加柔和，整体性更加明显。同时，根据LED点阵布置规律，可以通过控制各点亮灭变化，实现整体效果的变化，还可以变幻出多种颜色和图案形式，较图5在效果变换上创新颇多。具体效果变换形式和细节如图7所示。

(a) 变换1

(b) 变换2

可见，变换照明效果可令照明图案不仅仅拘泥于一种方式，在其灵活多变的功能前提下，还能为乘客提供多种优美的照明图案，且增强了车厢内照明的明暗变化效果，可应用于不同车厢环境和昼夜规律，在时间和空间上可实现整体节能，这也是对现有相关研究的一项拓展。另外，目前三基色的LED可以实现颜色、亮度、灰度的连续变换和选择，那么就可以通过变换LED照明颜色来创建不同的车厢氛围。譬如：在北方冬季可切换成黄色的暖光源为乘客增添温暖的心理感受；在南方炎热的夏季就可以切换为白色的冷光源为乘客带来清凉的心理感受。综上所述，可以看出本设计可以根据不同空间、时间较为自由地选择控制轨道车厢内部LED照明的光照效果，从而创建一个更以人为本的照明环境。

7 结 语

为提高轨道车辆照明系统的综合性能，进行了轨道车辆照明效果设计，得到以下结论：

1)在分析研究轨道车辆照明系统相关要求和标准的基础上，设计一款具有中国特色回纹特征的LED照明效果；

2)以某动车组列车为应用对象，分析LED布置结构，进行虚拟仿真研究，建立了照明模型，并进一步进行了综合性整车车厢仿真分析，仿真结果表明，设计的效果较原有效果在技术美学、传统文化和实际应用上有较大优势，并在变换特效上予以了创新研究。

综上分析，该设计方案及过程对轨道车辆LED照明系统的优化改进具有一定的实际意义，为下一代车辆照明系统的升级与改造提供了参考和依据。

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Traditional cultural characteristics in the application of the rail vehicle LED lighting systems

ZHAO Yinhua， WU Fei， WANG Wei

(School of Mechatronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

Taking a train as an example, the criteria, requirements and the structure of lighting are analyzed. We establish a fret mode presenting Chinese culture. With Maya 3D, lighting effect is simulated. The design has some special characteristics in aesthetics culture.

rail vehicle; LED lighting; the fret; lighting effect.

2016-05-25

吉林省教育厅"“十二五”科学技术研究项目(2013102)

赵银花(1972-)，女，汉族，吉林长春人，长春工业大学讲师，硕士，主要从事工业产品设计方向研究,E-mail:1219200674@qq.com.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.6.20

TH 122; U260.41

A

1674-1374(2016)06-0620-05