北京地铁13号线清河站两端地上区间照明方案研究

潘元欣

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

为满足地铁地上区间夜间运营和维护需求，考虑乘客疏散要求，地上区间在地面路基段采用高杆灯的常规照明方式，如区间照明与接触网支柱同杆架设，高架线路也采用在桥梁护栏、道路两边有护栏设施范围内采用低位照明的方案[1]。原北京地铁13号线上地站—西二旗站地上区间由高架桥区段和地面段组成，地面段为碎石道床，区间通常采用常规照明方式，灯杆高度近6.1 m，灯具高度距轨平面约5.5 m，灯具光源为高压钠灯，功率70 W。自2003年开通以来，受地上区间环境影响，灯具元器件老化严重，且因灯具安装高度条件所限，利用区间检修车维修效率较低，致使部分区间照明无法正常工作[2]。

1 工程概况

清河站综合交通枢纽位于既有地铁13号线上地站—西二旗站区间线路的东侧，新增北京地铁13号线清河站设置在枢纽工程内，站台与国铁站台同高程平行设置。既有13号线上地站—西二旗站区间范围内新建上地站—清河站及清河站—西二旗站区间的部分区间，区间在既有线东侧新建地铁线路，从小营西路南侧既有地铁13号线路基段接出，出交通枢纽后，继续向北沿地面敷设，接入既有地铁13号线路基段。与既有13号线区间在地面路基部分接驳，拨线设计范围为：右线YDK11+443.804～YDK12+751.530，长1 304.726 m[3]。结合清河站加站及拨线工程，动力照明专业完成区间照明、检修电源配电设计[3]。

2 照明方案研究

2.1 灯具选型原则

根据既有区间照明维修存在的问题，本工程中照明设计充分考虑更换灯具光源及附件的便捷性，灯杆高度适当降低。与既有地上区间照明方式不同，清河站两端地上区间灯具光源采用60 W的LED光源[4]，采用灯杆高度为地面以上≮4.0 m，安装后灯具下沿距轨面≮2.5 m设计。根据原中国铁路总公司“关于印发《高速铁路反恐怖和治安防范标准(试行)》的通知”相关要求，YDK12+209～YDK12+284东侧区间与国铁清河站声屏障贴邻。为满足灯具及附件均布置在设备限界以外要求，与线路、限界、轨道、路基、供电系统、国铁建筑、国铁接触网支柱基础、国铁站场等相关专业配合后，与国铁声屏障贴邻设置的成套灯具边沿到灯杆轴线≯0.7 m，其他标准断面区间采用1.1 m的灯具形式，区间灯具基础均为独立设置。图1为路基标准横断面。图2为路基特殊横断面。

图1 路基标准横断面(单位：mm)

为提高地上区间的路面亮度总均匀度，照明灯柱中心线与路基边线对应，考虑地上区间为比较特殊的照明场所，区间周边明、暗条件变化不定，特别是地上区间属于郊外重要道路，建筑物相对较少，环境较暗。根据路基宽度、横断面、路基的材料特性等土建条件，对灯具选型、安装高度、悬挑长度、灯具仰角、间距和灯具布置方式等统一规划[3]，选择理想配光曲线的灯具，尽可能提高轨行区范围的路面亮度纵向均匀度。

2.2 灯具布置方案

为了减少阴影范围，提高路面总体均匀度，参考机动车道交通道路照明设计原则，灯具按照左、右线灯具交错布置方式设计，同侧灯具每隔25 m设置1套[3]。降低灯具安装高度后，灯杆成本有所降低，但路面产生明暗交替的“斑马纹”，路面亮度纵向均匀度随之减小，照明舒适度进一步降低[5]。如增大灯具的仰角，虽然会增加到达灯具对面一侧路面光线，但路面亮度并不会显著增加，不适炫光还会有所增加，降低照明质量。为减小上述不利影响，优先选用配光曲线图和等光强曲线图良好的截光型灯具，灯具的悬挑长度不超过安装高度的1/4设计。为了最大限度限制炫光影响，降低对司机视线妨碍，灯具仰角按15°设计。

考虑到地上区间尚不能完全等同于城市道路及相关场所，本工程与城市道路常规照明方式有所区别[6]，表1为地上区间灯具安装高度、间距理论计算值与设计值。

图2 路基特殊横断面(单位：mm)

表1 地上区间灯具安装高度、间距理论计算值与设计值

2.3 点照度计算及模型验证

城市道路照明设计、测试和评价通常以亮度为指标，文献[7]提出道路照明的亮度标准应该动态全方位的测量路面亮度，同时对亮度测量做了一些规定，并根据规范引入了亮度标准。文献[8]通过优化道路水平照度配光后，根据测试点照度离散分布特点，利用笛卡尔椭球阵列拟合透镜表面来实现该预期的分布。利用照明设计软件，按照预期的设置参数计算出配光曲线优化后的预计值；同时文献[8]也提出考虑到实际照明场景中，水平照度更容易测量获得[9]。根据地上区间的特点，按照路面属于漫反射、不考虑反射光通量产生照度的特定场所，采用点照度计算方法对地上区间照明进行计算和探讨，主要讨论点光源在特征点照度的计算。

根据IEC140-2000RoadLightingCalculations，路面漫反射特性由亮度系数来描述，其定义为q=L/Eh，其中，L为某一观察位置所得到的亮度值，Eh为被测点的水平照度，q为路面的亮度系数。因此亮度系数q与入射光线平面与观察者位置夹角β和光线入射角ε有关，根据某一方向的光强值计算出单个光源在某观察方向上的亮度

L(β,ε)=Ehq(β,ε)=Eh[r(β,ε)/cos3(ε)]

由于我国目前地上区间的平均亮度系数Q0尚未明确，因此采用照度计算更符合本工程特点，同时为后期地上区间实际照明场景中照度测试提供理论数据。

根据点光源指向平面照度定义，地上区间任意点的照度按照光强曲线图采用逐点法计算。由于光源尺寸与光源到计算点之间的距离相比小很多，灯具的纵轴垂直于路轴，灯具发出的大部分光射向道路的纵轴方向。本工程设计中采用类似圆盘形发光体且直径不大于照射距离的1/5，按点光源进行照度计算误差率均<5%，因此采用距离平方反比定律及余弦定理，对地上区间任意特征点P点和K点进行点照度讨论计算[5]，图3为点光源在地上区间任意点照度(逐点法)计算示意。备选灯具的配光曲线如图4所示，等光强曲线如图5所示。

图3中P点为A套灯具和B套灯具连线的中心点，根据配光曲线及任意点照度计算公式Ep=IγC(cosγ2/h2)，P点的光强主要由A套灯具和B套灯具共同提供，K点的总照度为B套灯具和C套灯具共同提供。根据备选灯具提供的配光曲线和等光强曲线可知，P点和K点的点照度值、平均照度值、最大照度值见表2。

图3 点光源在地上区间任意点照度(逐点法)计算示意(单位：mm)

图4 配光曲线

图5 等光强曲线

表2 灯具主要技术参数及P点、K点的点照度值、平均照度值、最大照度值

由于路面亮度计算，需要灯具的光强数据和路面亮度系数(q)或简化亮度系数(r)。实际路面的q或r只有通过测量才能获得。国际照明委员会CIE定义了道路表面分级系统，道路的降低量化系数R分级系统有4个等级，被称为R1～R4的反射表格，等级越高，路面的光洁度也就越高[10]。在同样的照明条件下，路面的亮度水平和路面材料有很大关系。CIE研究人员对60条不同道路的R分级进行计算得出，均匀度计算受光洁因子分级系统S1的影响远大于深浅度水平Q0计算带来的影响，因此平均亮度的计算可能受影响，但不影响均匀度的计算。亮度系数受到光源选择和道路材质类型影响，采用简化亮度系数会造成计算值和实际值有较大的差异[9]。按照本工程照度计算边界条件，采用CJJ 45-2015 《城市道路照明设计标准》中附录A 路面亮度系数和简化亮度系数表，参考沥青柏油路面进行模拟。如水泥混凝土路面，其平均亮度系数约为沥青柏油路面的1.4倍[11]。本工程道床表面为0.5 m厚II型级配碎石填筑，光洁因子S1远大于沥青柏油路面，平均亮度系数也远大于沥青柏油路面，由于我国地铁区间碎石道床为主的路面光洁因子S1目前尚未明确，也没有对应的亮度系数，因此平均亮度维持值还需修正。

按照本工程照度计算边界条件，采用DIAlux照明计算软件对道路照明效果进行计算机辅助设计和仿真评估[12]，生成区间照度及评价指标见表3。

表3 区间照度及评价指标

图6为模拟3D仿真效果图，图7为地上区间照度伪色表现图。

图6 3D仿真效果图

图7 地上区间伪色表现图

通过表3可以看出，备选灯具地上区间的点照度值、平均照度值、最大照度的计算值和DIAlux照明计算软件模拟结果较为吻合，炫光限制阈值增量TI(%)最大初始值满足机动车道次干道≯10的要求，表明采用该配光曲线的截光型灯具的照度能够满足规范要求。参考机动车道次干道照明标准值，总均匀度U0最小值为0.4，纵向均匀度Ul最小值为 0.5，通过对比表3与图7，可以看出以上两项指标不满足机动车道次干道沥青柏油路面类的照明标准值要求。地上区间灯具安装就位后的现场实景1和实景2。分别见8、图9。

图8 地上区间灯具实景(1)

图9 地上区间灯具实景(2)

3 结论

北京地铁13号线拨线工程于2019年2月17日通过验收恢复运营，地铁清河站于2019年12月30日与国铁清河站同步开通运营。近年来北京地铁早期开通的线路陆续进入升级改造阶段，通过对北京地铁13号线清河站两端地上区间照明方案研究，提出以下建议。

(1)地上区间照明设计应结合区间的土建条件综合考虑，如路基宽度、横断面、路基的材料特性等，根据灯具布置方案，结合备选灯具的配光曲线和等光强曲线，合理选择灯具悬挑长度、灯具仰角。

(2)由于地上区间不同于城市道路的机动车道照明，对地铁区间的路面总均匀度最小值和路面纵向均匀度最小值等尚未做明确要求。对于此类较特殊的照明场所，后续还需补充地铁区间碎石道床类路面的亮度系数，以利于区间路面亮度计算。

(3)降低灯具安装高度后，采用蝙蝠翼形配光曲线，尽可能提高轨行区范围的亮度均匀度，最大限度限制炫光影响，减小“斑马效应”对驾驶人员的心里影响，建议灯具制造厂商对等光强曲线进一步优化和改进，调整灯具道路纵向照明的扩散角，调整灯具中单颗LED光源排列形式进行二次光学设计，适当降低配光曲线中高度角0°～30°内的光强值，提高高度角70°以外的光强值，灯具安装高度降低或采用低位照明方式时，实现“带状”配光效果以满足地上区间等特定环境下的照明需求。

(4)本方案在改造过程中节约材料、能耗降低及施工便利性主要体现在以下4个方面。

①灯杆高度由原来的6.1 m调整为4.0 m，灯杆高度降低约34%，节约钢材成本约50%。

②灯杆预制混凝土基础由原来的0.28 m3减小到0.162 m3，混凝土消耗降低约42%。

③灯具光源由原来70 W调整为60 W，电能消耗降低约14%。

④采用一次性成型成套灯杆，LED驱动电源由灯具本体内安装调整到灯具接线箱内安装，使得维护工作更加便捷、有效。预制基础安装稳固可靠，满足地上区间防风、抗震、沉降及抗倾覆稳定性要求。在北京地铁13号线停运拨线期间，多工种同期施工预装式成套灯具安装效率有效提高。