地铁车站公共区域照明动态调光控制研究

汤 尧，刘 莹，杜玉川，江 泳

（1. 天津市地下铁道集团有限公司，天津 300011；2. 同方股份有限公司，北京 100083）

1 引言

地铁车站位于地下，车站内的主要光源由灯具照明提供。地铁车站公共区域照明系统的照度是影响乘客乘车体验的重要因素[1]。由于该区域的照明系统灯具数量多、照明面积大，加之各细分区域的照明需求有所不同，因此采取合理的控制策略对其照明系统照度进行动态控制十分重要。

随着科技的进步，地铁车站照明系统照度控制技术已经从常规的分组回路控制[2]发展到对每个灯具的发光量甚至色温进行无级调节。但实际运营中，却常常使用简单粗糙的时间表控制策略，即根据车站日常客流变化规律，将公共区域照明按固定时间段设置为高峰、平峰、低谷等控制场景[3]，并在相应时间段对灯具照度进行固定比例调整。这样的控制策略导致相关设备的调节能力难以充分发挥，节能效果也相当有限。

动态调光控制是指根据客流量、照明参数等的变化对照度进行动态控制，具有智能化、节能环保的优点。对地铁车站公共区域照明系统进行动态调光控制，可在该区域营造一个既能满足乘客舒适照明需求、又节能环保的人工光环境，对于地铁提升服务质量、实现节能降耗、践行双碳战略具有重要意义。

2 照度需求分析及限值确定

2.1 车站公共区域调光区划分

地铁车站公共区域的照明系统主要是为乘客服务。由于乘客在站内并非均匀分布，其通常聚集在最短路线附近，因此应根据乘客在站内的行走和分布规律，结合相关规范要求，将车站公共区域按照乘客分布情况划分为不同的调光区域，如图1所示。图中蓝色双斜线区域为乘客行走区域，包括车站出入口门厅、通道、楼梯、自动扶梯、站内楼梯等；图中红色单斜线区域为乘客停留区域，包括售票室、自动售票机、检票处、自动检票口、站台候车区等；图中剩余的黑色交叉线区域为乘客很少前往或逗留的区域。考虑到照明灯具的实际布局，上述区域均划分为矩形区域。

2.2 各调光区域照度标准及现状

2.2.1 照度标准

现行国家规范对地铁车站不同公共区域照明系统的照度有明确规定。其中，GB/T 16275-2008《城市轨道交通照明》[4]为专用于城市轨道交通行业的非强制性规范，GB 50034-2013《建筑照明设计标准》[5]为建筑领域通用的强制性规范。总体而言，这2个规范对照度标准值的要求基本相同，但前者针对城市轨道交通车站调光区域的划分更加细致，如表1所示，故本文主要将GB/T 16275-2008中规定的照度标准值作为参考值。

表1 国家规范规定的地铁车站各公共区域照度标准表 lx

2.2.2 照度现状

虽然上述国家规范对地铁公共区域照明系统照度有明确的要求，但通过对采用时间表控制策略的地铁车站公共区域照明系统进行实际照度测试发现，目前普遍存在照度大幅超标的情况，如表2所示。

表2 GB/T 16275-2008照度标准值与实测照度平均值对比表 lx

可见，目前地铁车站公共区域内照明系统的照度还有很大的调节空间，应对照明系统照度进行合理调控，在保证乘客舒适体验的基础上，适当降低照度，以实现照明效果与节能要求之间的平衡。

2.3 各调光区域照度限值确定

根据照明系统照度相关研究结果[6-11]，人在更高的照度下具有更高的满意度、觉醒度和工作效率。因此，从满足乘客舒适体验的目标出发，地铁车站公共区域内照明系统的照度是越高越好。但更高的照度意味着更大的成本和能耗，因此在车站不同公共区域采用不同的照度标准应该是效费比更高的方案。

考虑到站内人群分布的不均匀性，在乘客经常活动的区域采用较高照度，在乘客较少活动的区域采用较低照度，既可满足大多数乘客对照度的要求，也能够兼顾降低照明能耗的目标。

下面将针对车站各调光区域照明系统的照度限值进行讨论。

对于其照度下限值，由于GB/T 16275-2008将各区域照明系统的照度标准值定义为正常运营时段应达到的照度值，考虑到实测平均照度值高于标准值，为避免对现状改变过大，因此将GB/T 16275-2008中规定的标准值作为照度下限值。

对于其照度上限值，则根据不同的调光区域分别进行确定，具体如下。

（1）地下车站的出入口门厅、楼梯、自动扶梯、通道、站内楼梯以及地下站厅、站台中连接上述部位的区域为乘客行走区域，乘客一般不在此停留。该区域照明系统照度应在保障乘客活动安全的同时，兼顾一定的主观舒适度，因此将其上限值确定为300 lx。

（2）站厅内的售票室、自动售票机、检票处、自动检票口等区域是乘客在站厅的主要停留区域，也是影响乘客出行满意度的重点区域。乘客会在此完成买票、问询等相对复杂的行为，停留时间通常约为2～10 min。该区域照明系统应设置较高的照度，以满足乘客的操作需求，保障其出行顺畅安全，因此将其照度上限值确定为500 lx。

（3）站台候车区为上下行站台门前的乘客候车区域。乘客会在此完成候车、排队上下车等活动，停留时间为3～8 min不等（由发车间隔时间决定）。该区域照明系统的照度需确保乘客在候车期间的主观视觉舒适度，以及在上下车期间的安全。因此，将该区域照明系统的照度上限值确定为300 lx，并建议在站台门上方增设局部主题照明装置，该装置可在列车进出站期间点亮。

（4）地下站厅及站台除上述乘客行走及停留区域外的其他区域，一般情况下乘客不会前往，也无需前往。如果使这些区域成为相对暗区，则可以利用人群趋光性的特点，对乘客在站内的活动路径和范围进行引导，并改善人在地下空间方向感缺失的问题。对于该区域照明系统的照度限值，若参考GB/T 16275-2008的标准值，由于指标偏高，相对暗区效果不显著，因此为满足上述需求，建议参考标准值较低的GB 50034-2013，将其上下限值均设定为100 lx。

综上所述，确定地铁车站公共区域各调光区照明系统的照度限值如表3所示。

表3 各调光区域照度限值表 lx

3 动态调光控制策略

由于地铁客流的峰谷明显，因此应根据客流量的变化对地铁车站公共区域照明系统进行动态调光控制，即在不同客流量情况下采用不同的照度。

根据相关研究[12-13]，随着站内客流量的加大，乘客将更容易呈现焦躁、恐慌、冲动、从众、向光等心理特征。在这种情况下，一旦发生紧急事件，也更容易导致踩踏等安全事故。而为车站公共区域照明系统设置高照度，可提升乘客的觉醒度，缓解其躁动、紧张的情绪，从而降低安全风险。因此，车站公共区域内照明系统的照度应该与人群的拥挤程度呈正相关。

基于上述分析，可对车站公共区域内照明系统采取以下动态调光控制策略：各调光区域照明系统在客流高峰期运行照度上限值，以提高乘客主观视觉舒适度及觉醒度，从而提升乘客满意度，保障乘客出行安全；在客流低谷期运行照度下限值，以实现节能降耗；在客流平峰期按式（1）的计算结果运行。

式（1）中，e为某调光区域照度计算输出值；E0为该区域照度下限值；I为该区域调光系数，可根据各调光区域的大客流报警阈值通过反向计算得出，常用取值如表4所示；n为该区域客流采集点位数量；qj为该区域第j个客流采集点位测得的单位面积客流量实时值。

表4 各调光区域调光系数取值表

表5 系统主要软硬件配置表

如果车站现场无法获取到实时客流信息，可以在时间表控制策略基础上，根据历史客流变化曲线，预设各调光区域的照度控制曲线，并基于时间表按照预设的照度控制曲线进行控制。

4 动态调光控制实现方案

4.1 涉及系统及相关改造

为低成本、高效率地实现对地铁车站公共区域照明系统的动态调光控制，应对车站既有相关设备系统进行升级改造。动态调光控制所涉及的系统包括视频监控系统（CCTV）、综合监控系统（ISCS）、环境与设备监控系统（BAS）及智能照明系统，如图2所示。这些系统以ISCS为中心实现了互联互通。对于既有CCTV，由于其不具备视频客流统计功能，因此为其增设1台图形处理服务器。该服务器可部署智能视频分析软件，通过分析各摄像头的视频数据，得到实时客流量，并提供人员跌倒、扶梯逆行、人员逗留、物品遗留等检测功能。对于既有BAS系统，需为其系统软件增加照度计算功能。此外，还需要对各系统的接口软件进行少量改造，主要是增加CCTV、ISCS、BAS之间的客流量数据传输功能，以及BAS与智能照明系统之间的照度指令传输功能。

图2 动态调光控制涉及系统构成图

4.2 系统数据流

动态调光控制所涉及的系统间的数据流如图3所示。CCTV高清摄像机将实时视频信号传输到新增的图形处理服务器，由视频分析平台进行分析计算，得到实时客流数据，然后通过RESTful API（应用程序编程接口）将客流数据发送给ISCS，再由ISCS转发给BAS，BAS根据各调光区域的实时客流数据，计算出该区域的目标照度，并将目标照度发送给智能照明系统执行。

图3 系统数据流示意图

4.3 涉及系统主要软硬件配置

动态调光控制所涉及的系统中，除视频分析系统外，其余系统新增计算量不大，原有设备就可以满足计算能力要求，因此无需对原有设备进行配置升级。动态调光控制相关系统的主要软硬件配置如表 5所示。

5 动态调光控制效果

5.1 实际照度情况

为验证动态调光控制方案的实际效果，开发人员将其在试点车站进行了落地应用，并选择3个典型区域，分别采用时间表控制方案及动态调光控制方案，比较其在高峰、平峰、低谷3种场景下的照度数据，如表6所示。由表可知，在采用动态调光控制方案时，各典型区域的照度值在满足标准的前提下，均有了明显下降。

表6 2种方案各场景下的典型区域照度数据对比表 lx

5.2 乘客感受

动态调光控制方案主要降低了过高的照度，以及无人/少人区域的照度。由于大部分乘客客流高峰期间在车站停留时间较短，因此不会受到照度变化的显著影响。根据乘客访谈调研结果可知，乘客并未意识到车站照度上的变化，说明动态调光控制方案并未对乘客乘车体验产生明显的不良影响。

通过对车站票务工作人员的访谈调研可知，在采用动态调光控制方案后，乘客问询次数显著减少。这说明，动态调光控制方案所构建的照度梯度可利用乘客的视觉趋光性对其产生一定的导向作用，降低不熟悉情况的乘客在站内寻找目标（售票点、检票闸机等）的难度，在一定程度上提升了乘客的乘车体验。

5.3 能耗

根据车站照明配电箱内的电能表数据，采用时间表控制方案和动态调光控制方案时的车站照明能耗分别为561.91 kW · h和476.9 kW · h，如表7所示。由表可知，相较于传统的时间表控制方案，动态调光控制方案每天可节能约85 kW · h，节能率达到15.1%。

表7 2种调光方案下车站照明能耗数据对比表 kW · h

5.4 动态调光控制人机界面

动态调光控制人机界面设置在车控室ISCS操作终端上，如图4所示。该界面可在车站3D模型上直观动态地显示各个区域的实时照度值，并提供智能调光、人工手动调光等多种模式的选择。

图4 动态调光控制人机界面

6 结论

基于实时客流量对地铁车站公共区域照明系统进行动态调光控制，可在提升乘客服务水平的同时，满足节能降耗的精细化管控需求，为地铁车站创建了绿色健康的光环境。本方案可基于车站既有系统进行改造，具有投资小、实施方便、易于推广的优势。目前的方案只是初步探索，城轨车站的照明调控还有许多可以进一步研究和改进的课题，例如：在单区域调光基础上，根据客流移动的情况进行跨区域联动调光；在照度调节之外，实施光谱色温调节；根据室外季节、晨昏、气象等的变化进行调光。应力求更深入地认识光照与认知、情绪、节律、睡眠等的关系，利用最新的控制技术，在实现地铁车站绿色低碳运营的同时，为乘客创造安全、舒适、有益身心的照明环境[14-15]。