基于乘客密度的城市轨道交通站台照明节能控制方法

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原文发表于《都市快轨交通》

2025年 第3期

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毛建1，张宁2，章澜岚3，王澳庆2，刘家俊2，张恒文4，王浩3，温龙辉2

随着城轨的快速发展，其能耗问题日益突出，乘客对乘车舒适度的要求也越来越高[1]。此外，由于城轨车站几乎完全封闭，主要依靠人工照明系统提供光照，导致人工照明系统需要长时间、高强度运行，产生巨大的电能消耗。有研究表明，城轨照明系统占城轨车站系统总设备负荷的14.2%～16.1%[2]。与此同时，城轨车站照明环境也对乘客舒适度有着重要影响[3]。站台是乘客聚集程度较高、乘客密度变化较大的空间，具有一定的照明节能空间。但目前城轨站台照明控制方法存在着控制方式简单、控制准确度低等问题[4]，不仅导致能耗的严重浪费，也无法为乘客提供舒适的照明环境，因此改善城轨站台照明控制方法对于降低照明系统能耗、提升照明环境舒适性具有重要意义。近年来，随着LED的发展，其被各城市城轨广泛应用。LED光源具有照明质量好、能耗低、可智能调控等优点[5]。目前国内济南、南京、深圳等城市部分车站已采用LED智能调控光源，取得了良好的节能效果。据统计，LED智能调控光源可节约20%～30%的电能[6]。与此同时，针对照明节能控制方法，国内外学者也进行了深入研究。CASALS等[7]使用K-means聚类方法对城轨车站客流数据进行聚类分析，并根据车站客流量对照明系统进行统一调控；Lai等[2]提出了一种结合BECH能源分析软件和DIALux软件的照明系统智能模型，以实现城轨站厅的自动调光；JIN等[8]对人员存在情况进行预测建模，以实现预测调光。冯冬青等[9]提出了考虑自然光变化的室内智能照明控制方法；VIANI[10]提出了一种基于使用者行为位置信息的自适应照明控制系统；许馨尹等[11]提出了一种考虑自然光和用户光照需求的照明控制方法；段中兴等[12]提出了一种考虑城轨光环境照度和色温的照明控制方法；汤尧等[13]根据城轨车站的空间特征，设计了一种基于人群密度的照明动态控制方法。然而，现有研究大多仅从节能的角度出发进行研究，没有充分考虑乘客心理因素，也没有充分考虑城轨站台空间特征。针对以上问题，本文充分考虑城轨站台空间特征和乘客心理，提出一种基于乘客密度的照明控制方法，在满足节能性要求的同时，提高乘客的舒适性。

1城轨站台照明需求分析

1.1照度等级确定

目前国内针对城轨站台空间的照明要求主要以《城市轨道交通照明》(GB/T16275—2008)规定的标准值(即照度最低值)作为参考，进行下限约束[14]。而国内部分城轨站存在照度过高现象，造成过度照明[13]。过度照明有悖于城轨绿色发展的原则，且会造成能源浪费、乘客视觉疲劳等问题。因此，本文增加照度上限值，用以避免过度照明。照度下限值主要与乘客基本需求和安全性相关，照度上限值主要与乘客舒适度和节能性相关。国内城轨车站站台两侧候车区域平均照度值范围为183～316lx，站台中间区域为135～280lx，楼梯区域为102～189lx[3]。而在GB/T16275—2008标准中，将站内楼梯/自动扶梯的照度标准值设定为150lx，站台(地下)标准值设定为150lx。经综合考虑，本文参照标准照度梯度设定，以50lx为梯度，将照度等级分为5级，分别为150、200、250、300和350lx。此外，考虑到照度均匀度的要求，同一区域内的照度上下限值不应相差100lx以上。

1.2站台区域功能需求

站台区域功能具有差异性，导致其照明需求有所不同。本文根据区域功能，将站台划分为候车区、走行区和楼梯区3个区域，如图1所示。

其中，绿色区域是候车区，黄色区域是走行区，红色区域是楼梯区。下面将分析站台区域功能需求，确定区域照度限值。参照标准，本文将各调光区域下限值均设为150lx，并进一步针对每个区域的特征讨论上限值。1)候车区为上下行站台门前的乘客候车区域。乘客在该区域进行上下车、候车等行为，该区域具有乘客拥挤度大、逗留时间长、舒适性需求大等特征。因此，该区域照度需满足乘客候车舒适度，并考虑乘客上下车安全。故将该区域照度上限值确定为250lx。2)走行区为乘客行走区域，乘客一般不在此停留，需保证基本的照明需求，并兼顾节能性，因此将该区域照度上限值确定为200lx。3)楼梯区为乘客行走区域，乘客一般不在此停留，需保证基本的照明需求，并兼顾节能性，因此将其上限值确定为200lx。

1.3乘客心理需求

城轨站台的照明环境影响乘客的舒适性。在站台不同区域，乘客具有不同的心理需求。针对该特点，对候车区、走行区和楼梯区限值做进一步讨论。

1)候车区具有乘客交织度高、停留时间长的特点，且乘客需要排队上下车，因此对安全性和舒适性都有较高要求。高照度有利于保证乘客安全，提升乘客的候车体验。因此，候车区照度值具有高下限、高上限的特点。

2)走行区为乘客行走区域，一般不在此停留，也无安全性需求，故主要考虑节能性，其照度具有低下限、低上限的特点。

3)楼梯区是乘客需要注意安全的区域，具有安全心理需求和节能性需求，其照度具有高下限、低上限的特点。以下分析将遵循各区域照度限值的特点进行设计。根据照明相关研究，合理的高照度环境有利于提高人的满意度，给人以清醒的体验感[15]。从满足乘客舒适性出发，适当提高站台光环境照度可以提升乘客体验。但高照度会增加照明系统能耗，故设计合理的照明控制方法可以兼顾节能性和舒适性。本文针对乘客群体特征设计符合其心理需求的照明控制方法，以提高乘客的乘车体验。本文根据客流特征将全天分为3个时段，分别为早高峰、晚高峰和平峰，见表1。

下面将对3个时段乘客的不同心理需求进行分析，并遵循前文所述区域特点，将3个时段的照明等级分为低等级、中等级和高等级，每个等级以50lx为梯度。在平峰时段，城轨车站内乘客密度较低，乘客出行目的以旅游、购物等为主，乘客状态较好。因此从节能的角度出发，该时段照明遵循站台区域功能需求的照度设定，采用低等级照明，如表2所示。

在晚高峰时段，车站内乘客以上班族和学生为主[16]，乘客具有疲惫、劳累的心理特征。且由于晚高峰乘客密度大，站内环境拥挤，会增加乘客烦躁、不安的体验感。所以，照明应当能使乘客产生放松和安逸的感觉。因此，晚高峰时段主要采用中等级照度(见表3)。

在早高峰时段，乘客以上班族和学生为主[16]，乘客具有昏睡、需要提高觉醒度的特点。此外，在早高峰时段，乘客密度大、拥挤度高、安全感低。所以，照明应当能起到振奋乘客精神、提升乘客安全的作用。因此，早高峰时段应采用高等级照度(见表4)。

1.4站台照明需求模型

研究表明[17]，当车站内乘客密度较大时，乘客将更容易产生烦躁、慌乱、从众等情绪，并且一旦发生紧急事件，容易发生安全事故。为车站提供高照度的光环境有利于提升乘客觉醒度，安抚乘客情绪，从而提升乘客舒适性，降低安全风险。故而，城轨站台光环境的照度应该与乘客密度呈正相关。此外，乘客密度应存在与照度对应的限值，即在乘客密度较低时，将照度定为下限值；在乘客密度较高时，将照度定为上限值。对于如何确定乘客密度的界限，本文参考《中国行进行人服务水平等级分级标准建议表》(见表5)[18]，A服务等级为较低的乘客密度，照度设定为下限值；F服务等级为较高的乘客密度，照度设定上限值。在中间部分，照度与乘客密度的关系函数则为：

其中，E为站台某区域所需照度值；DP表示该区域的乘客密度；Emin为该区域照度下限值，Emax为该区域照度上限值，其具体数值参照表2～4确定；Ds,A为服务水平为A级边界时的乘客密度，即0.2人/m2；Ds,F为服务水平为F级边界时的乘客密度，即2.5人/m2。由此，可以得到照度需求与乘客密度的关系函数，见公式(2)，函数曲线图如图2所示。

2城轨站台照明控制方法

2.1照明基本理论

每个区域的照度值遵循照度叠加原理[12]，即区域的照度值等于多盏灯具对该工作面产生的照度的总和，如图3所示。

图中A区域的照度等于灯具L1、L2和L3在A区域产生照度的总和，根据该原理可以得到灯具产生照度和区域照度之间的关系。本文参考DIALux软件，利用调光系数β对灯具进行照度调节。调光系数是光源实际光通量与最大光通量之比(0≤β≤1)，不能直接用于调光。脉宽调制(pulsewidthmodulation，PWM)调光信号的占空比D指在1个脉冲周期内，高电平状态持续的时间与整个脉冲周期的比例，这个比例通常用来调节灯光的亮度。一般情况，设光源实际光通量F与PWM信号占空比D之间有F=f(D)，根据调光系数β的定义F=βFmax，则D=f–1(βFmax)[19]。对于所选光源，其光通量F与占空比D为线性关系；光通量F与调光系数β亦为线性关系，因此相同光通量F 对应的D与β相等，如图4所示。

2.2站台照明控制方法模型

在达到站台的照明需求的基础上，为最小化照明系统能耗，假设将站台按照区域类型划分为K个子区域，将所有灯具划分为M个灯组，灯组m内包含lm个相同的LED灯具，具有统一的调光系数。以图5为例，4个区域A、B、C、D的照度均由轨行区公共广告灯箱和1～6共7个灯组提供。每个灯组内具有数量不同的相同灯具。根据照度叠加原理，区域k的照度计算公式如下：

式中，Ek是区域k的照度值；βM是灯组M的调光系数；αkM是灯组M在满负载条件下为区域k提供的照度值；β0表示区域外灯具(主要为轨行区广告灯箱)的调光系数，取值为1；αk0是区域外灯具对区域k提供的照度值。由于线性假设适用于LED灯具[20]，灯具的功耗可近似与调光系数成正比。因此使整个照明系统的功耗最小化相当于使所有LED灯具调光系数和最小化，由此得到目标函数如下：式中，βm为第m个灯组的调光系数，已知调光系数取值在0～1范围内，故结合区域照度需求可得约束条件为：

式中，E是站台各区域的期望照度值向量，为[E1,E2,…,EK]T；β是各灯组的调光系数向量，为[β0,β1,…,βM]T；α是灯组照度贡献矩阵，为

α受站台尺寸、空间高度、建筑表面反光参数、灯具种类数量等因素影响，本文通过DIALux软件仿真获得α值。综上，该问题是一个线性规划问题，控制变量β上下均有界，为等式约束。故本文采用单纯形法求解该模型[21]。

3实例分析

为验证站台照明控制策略的有效性，本文使用DIALux软件建立城轨站台仿真，利用其灯具计算功能获得α值，并验证模型效果。需要说明的是，本文选用了节能空间较大的小客流车站进行案例分析。

3.1站台仿真

为获取α值，本文对城轨站台建筑进行调研，并在DIALux中建立站台仿真模型。相关调研数据见表6。在DIALux软件中建立的站台三维仿真模型如图6和图7所示，图6中相邻且颜色相同的灯具为一组。然后进行灯具选型布置、区域划分和灯具分组。站台区域划分和灯具布置如图6所示，共划分成15个区域，包括8个候车区，3个楼梯区和4个走行区。灯具共分为13组，每个灯组内包含灯具数量见表7。站台每侧轨行区均匀分布8个广告灯箱，每组灯箱采用4个功率为84W、光通量为4140lm的灯源替代每个广告箱，共64个；站台公共区采用功率为40W，光通量为2120lm的LED灯源，灯源间距为3m×1.5m，共111个。最后，依次计算每个灯组在满负载条件下对各区域的照度贡献值，以确定α值。

3.2结果分析

本文选取该城轨车站2024年4月10日07:00—09:00，13:00—16:00和17:00—19:00共3个时段的客流数据验证3种模式的照明控制策略模型的效果。通过仿真模拟获得站台该日乘客密度变化数据，以10min为时间间隔，进行照明系统动态调控，将调控结果与目前常规控制方式(优化前)进行对比，分析策略有效性。其中，目前常规控制方式指的是早晚高峰100%开度，平峰时段50%开度。以晚高峰时段17:00—19:00为例，验证策略有效性。表8是站台不同时刻各区域乘客密度值。表9是按照照度计算式(2)得到的不同时刻各区域的照度值及优化前各区域照度值。经过单纯形法求解线性规划方程后，得到17:00—19:00时段内调光时刻的各灯组调光系数(优化前均为1)以及能耗优化结果，如表10和图8所示。从图8中可以看出，优化后，该时段内能耗大幅降低，降低能耗达38.16%。经计算，07:00—09:00时段的优化结果如图9所示，优化后，降低能耗达27.68%。13:00—16:00时段的优化结果如图10所示，优化后，降低能耗达38.87%。由此可以看出，本文照明控制方法不仅可以优化照明环境，使照度值设定在合理的区间内，提高乘客舒适度，还可以根据乘客密度动态调控灯具，降低照明能耗，其在小客流城轨车站中具有良好的节能效果。

4结论

本文提出的城轨站台照明节能控制方法在充分考虑站台照明功能需求和乘客心理需求的基础上，对站台灯具调光系数进行优化，保证了城轨站台照明的节能性和舒适性。主要结论如下：

1)提出考虑站台区域功能和乘客心理需求的区域照度计算方法。本文将站台划分为候车区、走行区、楼梯区，根据早高峰、晚高峰、平峰时段的客流密度与乘客心理，建立乘客密度与照度的线性函数，精准反映区域照明需求。

2)2)以小客流城轨车站为案例，验证模型的节能性和舒适性。选取07:00—09:00、13:00—16:00和17:00—19:00共3个时段的数据验证模型节能效果，其节能率分别为27.68%、38.87%和38.16%，表现出良好的节能效果。同时，各区域照度被控制在合理区间(如早高峰候车区250～350lx)，避免过度照明，提升高密度时段乘客安全感与舒适性，实现节能与光环境质量的平衡。