我国日益增加的机动车数量、复杂的地面交通管理，让地下轨道交通的发展成为基础设施建设的重中之重。由于地下轨道交通终日处于无自然光的运营环境，巨大的人流量、狭窄的活动空间、同时需要兼备功能性与装饰性的照明需求，使地下轨道交通照明如地铁照明对于灯具的节能性、照度、可靠性及稳定性等提出了相关要求[1-4]。
LED拥有环保节能、长寿命、高光效、低辐射、可控性强等特点[5-7]，适合应用在地铁的运营环境。我们将结合LED灯具在地铁照明中应用的一些工程项目，浅析LED灯具在地铁照明中的应用与前景。
1)车站照明现状(图1)。香港地铁九龙塘站是香港地铁东铁线与观塘线的换乘站，是香港地铁众多线路中客流量第五大的站点，对于照明系统的要求十分严格。
在照明灯具方面，九龙塘站站厅层和站台层公共区域主要照明以荧光灯为主，主要使用的灯具为双管T8荧光灯管(36 W×2)或者格栅灯盘，楼梯及扶梯区域主要以筒灯为主，内置双管横插荧光灯(20 W×2)。现有照明条件下平均照明功率密度为26 W/m2。在地铁电力耗能中，地铁照明系统占地铁电力系统总耗能13%，节能改造势在必行。
在照明效果方面，九龙塘车站存在着灯具布置不合理，照度均匀度偏低的情况，在售票室与售票机的区域平均照度只有160 lx(标准为300 lx)，而在站台与站厅地面部分区域照度高达530 lx，而有些区域只有70、80 lx。相比标准中站厅地面200 lx、站台地面150 lx，照度均匀度0.6的要求，远远不能满足要求。
图1 九龙塘站原有照明状态
Fig.1 The original lighting status in the KOT station
在使用寿命与可维护性方面,九龙塘车站照明由于其特殊性,平均每天照明工作时间为18 h甚至是24 h。一般荧光灯的平均寿命在8 000～12 000 h之间,单次更换灯管使用寿命周期只有一年到两年间，因此需要投入大量的人力和物力进行维护。
2)照明改造方案。针对车站现有的照明状况，结合客户的项目要求，我们运用照明仿真计算软件，分别对大厅、出入闸机、售票处、走廊及出口等多个不同区域的灯具排布、灯具类型、灯具光通量、配光曲线等做了精心的设计(图2)。如站厅大堂区域，大堂区域属于人流密集区域，在该区域使用定制的LED灯盘进行照明，利用特殊的配光设计使整体的区域照度均匀度达到了大于0.6的水平。同时为了突出站厅层的空间导向性，在通往乘车或者换乘站的方向，灯具的长度方向与行进方向平行排布，利用灯光发挥了引导性的作用。
走廊及出口的区域,是地铁内部与外部连接的过渡区。白天室外的照度环境(夏季阳光直射下可达60 000～100 000 lx)与地铁内部照度环境(150～200 lx)相差非常大,如果未能处理好环境照度的过渡，很容易引起乘客视觉上的不适甚至眩晕。因此，在该区域照明设计方面需要采用过渡性照明设计。即从走廊通向出口的区域，灯具的排布密度呈现出由疏到密的渐进排布方式，最大程度上降低了乘客往来该区域的不舒适感，过渡性照明设计同样适用于地铁站台与站厅设置于地面以上的地铁车站。
在照度控制方面，站厅和站台的空间的设计照度为150～200 lx，乘客停留较多的区域，如站厅售票区，站台等候区等区域照度提高为200～250 lx。转换空间的设计如扶梯口、闸机检票处、楼梯、垂直电梯入口处、通道口、站台边缘等处，为保证乘客和工作人员的安全，照度适当提高到250～300 lx[6]。
色温与显色性方面，由于色温在装饰气氛和环境的营造上具有非常大的作用，所以在站厅和站台的大部分公共区域选取了4 000 K的自然白色温，使乘客有一种自然，放松的感觉，更贴合人们心理上的需求；在地铁配套的地铁商场选用5 000 K色温的光源，使商业空间照明清爽舒适，缓解乘客在相对狭窄的地铁空间的压抑感。该项目灯具所使用的光源的显色指数均大于85，局部区域甚至达到显指90，使空间被照物的色彩更加真实，更能发挥出地铁空间中多元化设计的独特性(图3)。
在眩光控制方面，由于九龙塘站是多层通过性空间，同时在装饰材料上多使用部分光面的材料，因此，避免灯具的直接眩光和反射眩光是照明设计的一个重要环节。在这方面我们通过使用具有高雾度、合适透过率的扩散罩使灯盘表面达到均匀舒适的出光效果，同时严格把控灯盘表面亮度值，使得整体的照明环境达到了较低眩光的值，现场测试数值为UGR<>
图2 九龙塘站照明仿真效果
Fig.2 Lighting simulation effect of KOT station
图3 九龙塘站照明仿真伪色图
Fig.3 Lighting simulation pseudo-color map of KOT station
3)灯具设计与选型(图4～图6)。在九龙塘站台与站厅公共区照明中主要选用了1103 LED灯盘与8703 LED灯盘，在功率方面，8703灯盘功率为16 W，1103灯盘功率为21 W，相比传统荧光灯管(36 W)或双管格栅灯盘(36 W×2),照明改造之后实现了整体节能50%以上的效果。
图4 九龙塘站灯盘系列产品
Fig.4 Lamp panel product in the KOT station
在过渡性区域的照明区域如楼梯、电梯区域，选用了20 W的筒灯进行替代，使以往的昏暗环境区域照度有了明显的提高，符合照度标准的要求。
图5 九龙塘站筒灯系列产品
Fig.5 Tube lamp in the KOT station
在车站的暗槽区域，使用了长度为1 m的线条灯进行间接式照明，使直接照明与间接照明相配合，丰富站内的照明方式。且间接照明的方式一定程度上增加了站内环境的背景亮度，降低了大量灯具集中所产生的眩光影响，同时通过与其他灯具的配合，发挥了照明设计“点”、“线”、“面”的设计思路。
图6 九龙塘站灯条系列产品
Fig.6 Strip lamp in the KOT station
图7 九龙塘站照明改造后实景1
Fig.7 Lighting scene in the KOT station after transforming①
图8 九龙塘站照明改造后实景2
Fig.8 Lighting scene in the KOT station after transforming②
4)站内改造效果。通过对站内灯具的替换与整体布局的规划，九龙塘地铁站内的照明环境焕然一新，在满足了照度标准所需的照度要求的同时，做到了整个地铁站内亮而不眩，整齐化一而不单调乏味的照明效果，深受香港地铁客户的认可和乘客的好评。
广告灯箱是地铁车站内不可或缺的一种媒介，在客流往来的车站内广告灯箱能否吸引乘客的注意，不但需要精彩的广告内容，更需要靓丽清爽的广告照明效果。只有将广告画面的内容高度的还原其真实色彩，才能更好地达到广而告之的作用，同时成为地铁车站内的亮点。
1)车站广告灯箱照明现状。香港地铁彩虹站广告灯箱改造项目涵盖4封及12封广告灯箱，嵌入式、立式安装等形式。彩虹站改造前使用的广告灯箱，均采用传统T5或T8灯管。光衰比较快，可靠性也较低，需要经常更换灯管，画面有明暗间隔条纹，对广告效果有较大的影响。
功耗方面，以站内2.5 m×1.6 m的12封广告灯箱为例，改造前的灯箱使用16支T5-5ft 荧光灯管，每支灯管标称功率35 W，16支灯管共560 W，加上镇流器功耗及线损，灯箱总功耗约600 W。
产品可靠性方面，根据香港地铁的维护统计，T5灯管虽然较T8灯管节能，但对温度变化敏感，光衰较快，实际使用寿命约4 000 h，需要频繁更换维护。地铁车站常年处于冷热交替的变化环境中，运行时间内站内温度为25 ℃，而非工作时间往往由于空调设备的关闭产生正负约20 ℃的温差，对灯箱内灯管的寿命影响巨大。而轨道区间环境则更为恶劣，要求相对湿度小于95%，轨行区温度为5～40 ℃，灯箱每天工作19 h，全年连续工作，导致传统广告灯箱的使用寿命短暂[9]。另一方面，轨行区的灯具更换十分困难，对广告灯箱的可靠性要求极高。
出光效果上分析，使用灯管的灯箱出光效果表现不佳，广告面有明暗相间的排骨影。画面色彩偏黄或偏青，广告纸中色彩饱和度低，灯箱出光面中心位置偏亮，四周偏暗，展示效果受到了很大影响。传统灯管做背光的广告灯箱测试的表面亮度均匀度仅为0.4。
2)LED广告灯箱改造方案。针对彩虹站内的旧灯箱结构与客户提出的照明效果需求，使用模块化的LED点阵设计对灯箱进行改造。
灯箱内结构采用简易的模块化设计，最大程度减少连接线，端子及各器件的数量，保证系统的稳定性与可靠性。
由于点阵化的设计可以自由的排布灯珠位置，使灯箱表面的均匀性能够被很好地控制，保证了灯箱四周不会出现暗区，使得设计的灯箱均匀度能够达到灯箱表面亮度均匀度≥0.8(显示器均匀度标准)，甚至能够基本消除广告灯箱外框加强筋阴影。灯箱改造后发光光色柔和细腻，很好地还原了广告画布的真实性。
3)12封广告灯箱性能参数分析。性能参数如表1所示。
表1 广告灯箱的性能参数
Table 1 Performance parameter of advertising light box
类型600WT5荧光灯箱280WLED灯箱光源光通量/lm5600024000单次投射光学效率/%6590广告纸反射率/%8080背板反射率/%3090多次投射/反射后系统效率/%≈20≈50出射光通量/lm1120012000平均亮度/(cd/m2)≈500≈500亮度均匀度≈0.4≥0.8日工作时长/h1414年工作时长/h51105110额定功率年耗电量/kWh30661430.8寿命光衰4000h(0.8年)(B50L70)35000h(6.8年)(B10L70)年维护率42%1.5%色域小于NTSC1953色域标准 色温/K6500±5006500±500
4)广告灯箱收益分析。收益数据详见表2。
表2 广告灯箱的收益情况
Table 2 Benefit of advertising light box
类型600WT5荧光灯箱280WLED灯箱购买成本/元06000×50=300000电价/(元/kWh)1.51.5工作时长/(h/天)1414年运营成本/元电费1.5×0.6×5110×50=2299501.5×0.28×5110×50=107310灯具替换支出28(换灯管和镇流器价格)×16×42%×50=9408280(换LED模组)×15×1.5%×50=3150维护人工成本100×16×42%×50=33600高维护,年平均336支灯管故障100×15×1.5%×50=1125低维护率,年平均11个LED模组故障合计2729581115851年后总支出/元2729584115852年后总支出/元5459165231703年后总支出/元8188746347554年后总支出/元10918327463405年后总支出/元1364790857925
以替换50个灯箱为准进行收益分析，广告灯箱LED节能改造后大约2年可回收成本，以后每年节约费用161 373元，该计算数据尚不包括因灯箱节能减少发热量而降低的空调电费等其余开销。我们可以清晰地看出，LED广告灯箱带来的经济效益是十分可观的。
随着LED照明技术的发展，LED灯具产品性能将更加完善，光效、寿命、稳定性都将有很大的提升。不可置疑，未来LED灯具肯定会成为地铁照明的主流产品，并且以其优异性在较长的一段时间内成为照明器具的首选。在迅猛发展的城市轨道交通的大环境下，LED照明在地铁照明空间内的市场将会是十分可观的。
参考文献
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[2] 沈峥. 地铁运营安全提升措施研究[J]. 施工技术，2016(1):1.
[3] 城市轨道交通照明标准：GB/T 16275—2008[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2008.
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[8] 鲁志本,张嘉岭,薛旦. LED灯具在地铁照明工程中的应用[J]. 城市轨道交通，2016(3): 1.
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