机坪泛光照明环境仿真与组合机位照明分析.pdf

机坪泛光照明环境仿真与组合机位照明分析李岳1，郑美春1，蔡靖1，彭梦凯1，张炳福2，张涛2（1.中国民航大学交通科学与工程学院，天津300300；2.太原国际机场有限责任公司，太原030032）摘要院 机坪泛光照明系统渊AFS袁apron floodlight system冤是建设绿色机场和节约能耗的重要环节袁但对机坪泛光照明环境精细化分析的不足限制了照明节能的策略优化遥 对此袁本文采用 DIALux evo 平台建立组合机位照度仿真模型袁提出基于机坪运行功能的分区照明评价指标袁对前列式与转角式组合机位开展参数影响分析遥结果表明院对 C 类停机位需通过双侧高杆灯照明以满足基本照度条件袁飞机和廊桥对光线的遮蔽影响不容忽视曰转角式组合机位由于照明范围大需控制灯具垂直俯仰角投射方向袁当垂直俯仰角大于 45毅时容易导致眩光指标超出限值袁对保障驾驶舱安全性和客舱舒适度较为不利遥 通过与神经网络算法融合袁可进一步完善高杆灯照明参数优化过程遥关键词院 泛光照明曰组合机位曰照度仿真曰眩光中图分类号院 V351.32文献标志码院 A文章编号院 1674原5590渊圆园24冤02原园园51原园7收稿日期院 2023-07-12；修回日期院 2023-09-20基金项目院 天津市研究生科研创新项目（2022SKYZ248）；太原武宿国际机场科技研发项目（H01420210340）作者简介院 李岳（1984），男，天津人，副教授，博士，研究方向为机场工程设施与性能.Simulation of apron floodlight environment and illuminance analysis ofcombined aircraft standsLI Yue1袁 ZHENG Meichun1,CAI Jing1,PENG Mengkai1,ZHANG Bingfu2,ZHANG Tao2渊1.College of Transportation Science and Engineering,CAUC,Tianjin 300300,China;2.Taiyuan International Airport Co.,Ltd.,Taiyuan 030032,China冤Abstract：Apron floodlight system渊AFS冤 is vital for green airport development and energy saving,while the lack of detailedanalysis of the apron floodlighting environment limits the strategy optimization of lighting energy saving.In this re鄄gard,an illuminance simulation model of combined aircraft stands is established using DIALux evo platform,azoning lighting evaluation index based on apron operation function is proposed,and parameter impact analysis iscarried out for both front and corner combined aircraft stands.Research results indicate that dual side high mast isnecessary for the basic illuminance requirement of C-class aircraft stand,and the shading effect of aircraft andcorridor bridge on light cannot be ignored.As for the corner combined aircraft stands,due to the large lightingrange,it is necessary to control the vertical pitch angle projection direction of the lighting fixtures,and when thevertical pitch angle is greater than 45 毅,it is easy to cause glare indicators exceeding the limit,which is not con鄄ducive to ensure cockpit safety and cabin comfort.By integrating with neural network algorithm,the optimizationprocessof high mast lighting parameterscan be further improved.Key words：floodlight;combined aircraft stands;illuminance simulation;glare绿色节能是当前机场建设发展的重点方向之一。机坪泛光照明由于具有服务范围大、管控节点多、用电总量高等特点，成为机场落实“双碳战略”的关键环节。开展精细化机坪泛光组合照明分析对于建设绿色机场具有重要的现实意义。国内外在此领域已有丰富的工程实践和研究。2011 年欧洲率先完成首个机坪泛光照明全 LED 灯具节能改造项目。美国费城国际机场改造前共采用 141基高杆灯对 124 个停机位实施泛光照明，年均耗电量175.8 万 kW h，能耗占比达 25%。以该机场为例，Davis等1采用两种规格的 LED 灯具实施节能照明替代，测算节能率达 24.5%51.5%，结果表明，前期照明仿真第 42 卷第 2 期圆园24 年 4 月中 国 民 航 大 学 学 报JOURNAL OF CIVIL AVIATION UNIVERSITY OF CHINAVol.42 No.2April20242024 年 4 月中 国 民 航 大 学 学 报对 LED 灯具试装环节极为重要，有助于快速获得最佳照明方案，但仿真建模精度尚有欠缺。Bartsev2采用3DMax 软件构建了三维飞机模型，定义机身表面光线反射及投射系数，以提升泛光照明软件模拟精度，结果表明，机身下部阴影对照度分布影响显著，但该优化泛光照明组合设计未考虑建设成本差异。广州白云国际机场总照明停机位数共 269 个，泛光照明能耗达 609.2 万kW h，是机场排名最高的单一能耗类别。2020 年该机场通过实施照明节能改造降低能耗 258.0 万 kW h，节能率约 59%，年均减少约 1 300 t 温室气体排放。综合来看，现有研究存在以下不足：淤节能改造方式粗放，偏重于替换低功耗 LED 灯具，对节能照明分析缺乏深入讨论；于泛光照明仿真简化，未考虑航空器和机坪设施遮蔽影响，对实际机坪照明环境还原度偏低；盂照度评价指标落后，对组合停机位且停有航空器的复杂照明环境等描述能力有限，仿真结果与现场照度存在较大偏离2。对此，本文采用 DIALux evo软件建立基于机坪运行环境的组合机位泛光照明仿真模型，提出基于机坪运行功能的分区照明评价指标，开展精细化的照度仿真与参数分析，结果可为机场照明节能设计与策略优化提供数据支撑。1泛光照明要求与建模1.1泛光照明设计要求停机位等级是决定泛光照明范围的首要因素，机位宽度和相邻安全净距要求3如表 1 所示。为预留地面服务设备（GSE，ground service equipment）作业空间，实际外轮廓线为多边形样式，图 1 对比了不同机场停机位规格差异。由图 1 可以看出，相同等级下美国费城国际机场C 类停机位平面尺寸最小，仅为 40m伊40m（宽度伊长度），两侧轮廓线紧贴机翼边线；美国亚特兰大国际机场停机位宽度为 38 m、长度为 50 m，轮廓线内泛光照明面积较前者增大约 282 m2；相比而言，国内某枢纽机场停机位划分范围较保守，机坪空间利用率低，也间接增加了泛光照明节能设计难度。对于组合机位情况，每基高杆灯需为相邻停机位提供补充照明，照明范围受平面布局、服务车道和地面运行等多种因素约束，共同构成机坪复杂照明环境。常规组合机位有前列式和转角式两种集结型式4，如图 2 所示。其中，ASQ1 和 ASQ2 为前列式停机位，ASZ1为转角式停机位，SCL为中心间距，兹CL为中心线夹角，RCL为曲率半径。前列式组合机位多见于航站楼直线段或远机位，相邻停机位中心线相互平行，中心间距 SCL由停机位宽度和安全净距决定，相邻停机位间围合形成 GSE 作业区域；转角式组合机位多见于指廊端、卫星厅或指廊与航站楼主体过渡段，相邻停机位中心线近似汇聚至一点，GSE 区域由中心线夹角 兹CL及曲率半径 RCL共同确定。1.2机坪环境精细化建模为改善照度仿真精度，采用 3DS Max 软件建立航空器、廊桥及航站楼等机坪附属设施三维精细化模型，还原实际泛光照明环境。其中，A320 机身由 5 万个多边形组成，表面基础色设定为白色，根据涂层特性确定光反射指数（RI，refle-ctance index）取值范围为 29%70%。研究表明2，即使表 1停机位尺寸与安全净距Tab.1Dimensions and safety distance of aircraft stand停机位等级基本宽度/m安全净距/mC2436（不含）4.5D3652（不含）7.5E5265（不含）7.5F6580（不含）7.5图 1C 类停机位轮廓线比较Fig.1Comparison of outlines of C-class aircraft stand0102030405060-30美国亚特兰大国际机场美国费城国际机场国内某枢纽机场40-40-10-201030200横向宽度/m图 2组合机位集结型式Fig.2Assembly formation of combined aircraft stands滑行道一侧滑行道一侧航站楼一侧SCL兹CLRCLGSEGSEB1 点位ASQ1ASQ2ASZ1A320 轮廓（半幅）52-第 4圆 卷 第 圆 期在双侧照明条件下，机身下方阴影区域照度均值仍较无飞机时低 5 lx 以上，因此考虑机身遮蔽对泛光照明影响极为必要。廊桥伸入泛光照明范围内部，依据 旅客登机桥（MH/T 60282016）5标准建立三维模型，截面尺寸为 1.5m伊2.5m（宽 伊高），伸展后总长度达 15m。航站楼建模仅保留基本立面特征，总体高度 18 m，重点还原玻璃幕墙对光线反射特性，其光反射指数 RIglass取值范围为 8%10%，装饰铝板光反射指数 RIaluminum取值范围为 29%78%，包含机坪设施的泛光照明分析模型如图 3 所示。当有航班服务时，民用机场泛光照明技术要求（MH/T 61082014）6规定水平照度 Eh和垂直照度 Ev不应低于 20 lx（三、四类机场）或 30 lx（一、二类机场），照明均匀度 U 应大于 0.25。当无航班服务时，最小水平照度要求可降低至 10 lx，与国际民用航空组织（ICAO，International Civil Aviation Organization）颁布的国际民用航空公约 附件 14 规定一致。采用正方形网格划分照明区域，如图 4 所示，通过中心点提取各分区照度特征值，依据文献6建议网格边长取 3 m，此时图 4 中照度取样点总数为 234 个。需指出上述指标仅可满足机坪整体照度评价需要，通过前述机坪环境建模，使得分区考察机坪局部照度差异成为可能。本文共提出 4 种分区水平照度评价指标 Ei（单位：lx），其中 i 为各分区首字母缩写，依次为牵引作业区（AT，aircraft towing）、燃油加注区（FF，fuelfilling）、行李装卸区（LL，luggage loading）和机尾低照度区（TL，tale lighting），各分区指标考察范围已在图 4中标出。考虑到局部过亮（over lighting）对目视效果的负面影响，定义过亮网格数指标 NOA，当网格内水平照度高出规定值 2 倍以上时计入。2机坪照明环境模拟2.1基本参数分析采用 400 W 规格 LED 灯作为基本照明单元，该灯设计通光量为 45 990 lm，光束角为 25毅，单灯配光曲线与灯盘排列方式如图 5 所示；机坪运行环境维护系数取 0.7，表征环境污染及灯光衰减对照度影响7。采用图 5 中常规六边形灯盘样式，灯盘安装高度为 25 m。中间两盏 LED 灯投射方向与机身平行，故指向角 兹O=0 毅；两侧两盏 LED 灯指向角分别取-60 毅与+60 毅；参照工程经验，俯仰角（与垂直面夹角）兹T均为 65 毅。图 4机坪泛光照明评价图示Fig.4Illustration of apron floodlight evaluation测点Eh评价范围EAT3 m 伊 3 mEFF3 m 伊 3 mEv评价范围2.7 m伊33 mELL6 m 伊 10 mETL6 m 伊 3 m评价网络 3 m 伊 3 m0毅15毅60毅-15毅灯盘服务车道灯机坪照明灯（以 4 盏为例）-60毅0毅15毅15毅45毅45毅60毅75毅60毅75毅90毅90毅105毅105毅4006008001 00030毅（a）配光曲线（b）灯盘排列30毅图 5配光曲线与灯盘排列方式Fig.5Light curves and lamp panel arrangement李岳，郑美春，蔡靖，等：机坪泛光照明环境仿真与组合机位照明分析图 3机坪环境精细化建模Fig.3Detailed modeling of apron environment登机廊桥A320 飞机航站楼ASQ1ASQ2ASQ353-2024 年 4 月中 国 民 航 大 学 学 报图 6前列式组合机位 20 lx 照度等值线分布Fig.6Distribution of 20 lx illuminance contour lines for the front combined aircraft stands20 lx 照度等值线46 mEv评价范围（左右两侧）A320 轮廓线高杆灯GSEGSEGSEASQ3ASQ4ASQ2（C 类）ASQ1（C 类）高杆灯高杆灯兹T=65 毅图 7ASQ3 停机位 20 lx 照度等值线结果Fig.7Results of 20 lx illuminance contour lines for ASQ3 aircraft stand（a）C1 点位（与 A1 对称）（b）D1 点位（俯仰角 65 毅）（c）D1 点位（俯仰角 40 毅）兹T=40 毅兹T=65 毅兹T=65 毅ASQ3ASQ3ASQ3A1A1B1D1C1B1D1C1A1B1D1C1GSE 区域20 lx 照度等值线GSE 区域20 lx 照度等值线GSE 区域20 lx 照度等值线表 2前列式组合机位照度评价指标结果Tab.2Result of illuminance evaluation indicators of front combinedaircraft stands评价指标ASQ3ASQ2ASQ1Eh/lx27.4033.5017.80Ev/lx17.6021.00（1.2/24.0）U00.0400.5400.30EAT/lx23.4036.4019.40EFF/lx36.7041.8032.20ELL/lx20.2032.3016.80ETL/lx19.5020.9014.00NOA/个26.0047.000.0按以下流程8开展照度模拟计算：步骤 1导入机坪平面图，确定坐标原点及机位照度计算面范围；步骤 2导入当前停机位代表机型、廊桥结构及航站楼的模型，还原机坪实际泛光照明环境；步骤 3导入 LED 灯配光曲线及性能参数，逐一定义单个灯具初始照明参数并提交分析计算；步骤 4根据仿真结果并重复步骤 3，调节LED 灯数量及指向，直至满足全部照度指标要求，获得合理的照明组合方案。2.2组合机位照度分析以前列式集结型式为例，图 6 给出 4 组停机位泛光照明模拟结果，停机位自左向右依次编号 ASQ1ASQ4。依据控制变量法设计分析条件，仅在 ASQ3 及ASQ4 摆放 A320 模型，停机位规格及其他照明参数与前文一致，高杆灯底座位于图 2 中 B1 点位。ASQ1 至ASQ3 停机位整体与局部照度评价结果如表 2 所示。由图 6 及表 2 可以看出：左右两侧高杆灯同时为ASQ2停机位提供泛光照明，整体处于 20 lx 照度等值线包络范围内且 U 高于 0.25，可满足三、四类机场照度条件；分区指标中，ETL由于照射距离较远故照度值最小9-11，过亮网格 NOA=47 个且分布在机翼前方。ASQ1停机位仅受到单侧高杆灯照明，故整体 Eh和分区EAT、ELL及 ETL均出现低于 20 lx 情况，左右两侧 Ev评价范围内照度差异显著（括号中数据），表明两侧组合照明的必要性。ASQ3 停机位整体照度较 ASQ2 工况 Eh和Ev均有下降，机身下方阴影区域导致此时 U 仅为 0.04，难以表征照明分布均匀程度，EAT和 ELL降幅突出表明其对机身遮蔽较为敏感，NOA数量较 ASQ2 减少 45%，机身对光线的折射和反射作用缓和了局部照度过亮情况12。2.3机坪遮蔽影响分析为改进 ASQ3 停机位泛光照明仿真效果，图 7 对比了高杆灯底座安装于 GSE 区域内不同点位时 20 lx照度等值线分布结果。其中，A1、C1 和 D1 点位高杆灯54-第 4圆 卷 第 圆 期靠近 GSE 区域 3 个角点，B1 点位靠近服务车道一侧边缘中点，在实际运行中均有应用。由图 7 可以看出：C1 点位位于“三角形”GSE 区域右端，此时 20 lx 以下低照度区域偏向机身左侧，机尾照度较 B1 点位结果（如图 6）无明显改善；A1 点位高杆灯自 GSE 区域左端照射，等值线云图与图 7（a）反对称分布，不再赘述；D1 点位位于 GSE 区域靠近飞机一端，直线照射距离最短，ETL可充分满足最低 20 lx 要求；将 D1 点位灯光俯仰角 兹T由 65毅降至 40毅后，图 7（b）中停机位前部低照度情况得以消除。值得注意的是，D1 点位与航空器边缘直线距离较 C1 点位缩短约 10m，在改善机坪照度均匀性的同时，增大了与航空器碰撞剐蹭风险，对机坪运行管理要求更高，在国外机场中有部分应用案例。进一步考察廊桥遮蔽和航站楼反光等影响，图 8给出了照度分布云图，评价指标量化结果如表 3 所示。由图 8 及表 3 可以看出：廊桥伸入停机位与飞机接驳，在机身一侧形成 20 lx 以下低照度区域，对整体照度指标影响有限；EAT评价范围与廊桥阴影存在交叠因而有明显降低，其他指标无明显变化。航站楼至停机坪距离较远，通过玻璃幕墙反射少量光线至机坪，图 8 中云图分布基本一致，但航站楼模型 20 lx 等值线范围略有增大。从节约建模成本出发，后续分析仅考察飞机及廊桥遮蔽影响。3组合机位照明分析与前列式相比，转角式组合机位受航站楼布局影响较大，泛光照明关联更为复杂。在调研国内外 30 余座机场平面及卫星图后，就某机场指廊端泛光照明机坪进行简化，开展照度特征案例分析。图 9 中 3 组 C 类停机位以转角式排列，其中 兹CL=45 毅，RCL=80 m 均为机场设计典型值，后续结论在此参数组合条件下获得。4 基高杆灯分布于 3 个停机位两侧，以增大泛光照明覆盖范围；采用圆形灯盘样式共 6 组 LED 灯按等间距排列，指向角 兹O取值范围-75毅 +75毅，其他照明参数与2.1 节一致。3.1照度指标特征分析转角式组合机位照度评价结果如表 4 所示，从表4 可以看出：由于 兹CL=45 毅使得每基高杆灯照明范围增加，6 组 LED 灯按等间距排列可满足最低 20 lx 的水平照度 Eh要求，机身两侧垂直照度 Ev差异较大，仅一侧高于 20 lx，机身遮蔽影响导致 U 结果均小于0.25；NOA数量较前列式组合机位显著减少，对改善场务人员视觉效果较为有利；左侧 ASZ4 机位除 EFF外，其余指标与限值相差在 23 lx 以内，基本满足运行条件需要；中间 ASZ5 机位 EAT照度值最低，与前列式组合机位情况类似，兹O过大加剧该区域照度不足情况；右侧ASZ6机位照度结果与左侧较为接近，由于廊桥相对位置关系不同引起 LED 照射点差异13，部分分区指标数值略有提高。图 9转角式组合机位照度云图Fig.9Illuminance contour of corner combined aircraft stands滑行道一侧滑行道一侧高杆灯 1高杆灯 2高杆灯 3高杆灯 4廊桥航站楼一侧20 lx 照度等值线ASZ5（C 类）图 8廊桥与航站楼遮蔽照度云图Fig.8Illuminance contour considering the shadow of corridorbridge and terminal building表 3带廊桥及航站楼后照度评价指标结果Tab.3Result of illuminance evaluation indicators with corridorbridge and terminal building 20 lx 20 lx 20 lx（逸20 lx）带廊桥及航站楼ASQ3带廊桥评价指标带廊桥带廊桥和航站楼Eh/lx27.0027.10Ev/lx17.0017.10U00.0400.04EAT/lx16.1014.20EFF/lx35.8036.33ELL/lx20.5020.80ETL/lx19.5018.80NOA/个29.0028.00李岳，郑美春，蔡靖，等：机坪泛光照明环境仿真与组合机位照明分析55-2024 年 4 月中 国 民 航 大 学 学 报（a）ASZ47060504030201040测量点编号01015253552030测量点 No.40测量点 No.5ASZ4 左侧ASZ4 右侧（b）ASZ57060504030201040测量点编号01015253552030测量点 No.40测量点 No.5（c）ASZ67060504030201040测量点编号01015253552030测量点 No.40测量点 No.5ASZ6 左侧ASZ6 右侧（d）俯仰角 25毅605550454040测量点编号01015253552030图 11客舱 GR 分布Fig.11Distribution of GR in cabinASZ5 左侧ASZ5 右侧ASZ4 左ASZ4 右ASZ5 左ASZ5 右ASZ6 左ASZ6 右表 4转角式组合机位照度评价指标结果Tab.4Result of illuminance evaluation indicators of cornercombined aircraft stands评价指标ASZ4ASZ5ASZ6Eh/lx22.5022.4023.60Ev/lx10.4/27.818.6/20.523.5/12.4U00.0400.080.06EAT/lx19.4010.3019.50EFF/lx27.9027.4034.40ELL/lx19.0031.0023.30ETL/lx17.6019.1018.30NOA/个09.0005.0014.00图 10驾驶舱 GR 结果（ASZ5）Fig.10GR results in the cockpit（ASZ5）ASZ5驾驶舱120 毅150 毅180 毅210 毅240 毅270 毅300 毅330 毅0 毅30 毅90 毅60 毅120 毅150 毅180 毅210 毅240 毅270 毅300 毅330 毅0 毅30 毅90 毅60 毅52103.2眩光指标特征分析民用机场泛光照明技术要求（MH/T61082014）6中规定机坪不舒适眩光指数（GR，glare rating）不应超过 50，GR 计算公式如下GR=27+24lgLviLve0.9蓸蔀（1）式中：Lvi为灯具发出直射眼睛光亮度；Lve为环境引起直射眼睛光亮度（cd/m2）；二者计算公式如下Lvi=10ni=1移+Eeyei兹i2（2）Lve=0.035Lav（3）式中：Eeye i（单位：lx）为第 i 个光源所产生视线垂直面照度；兹i为观察者视线与第 i 个光源入射光夹角；n 为光源数量；Lav为水平照射场地平均亮度，可由照度仿真Eh结果换算得到14-16。转角式组合机位为了满足大范围照明需要，通常LED 灯照射点分布更为分散，较常规前列式组合机位更易于出现眩光超限情况。对此，在泛光照明模型机身两侧分别定义两组 GR 观察面，观察面至地面 4.3m，与机身舷窗对应，每组观察面内设 40 个测量点，对眩光情况进行统计分析。以 ASZ5 为例，图 10 给出了部分驾驶舱分析结果，通过射线长度及指向表征 GR 超限幅度及分布。当前照明组合条件下驾驶舱右侧眩光问题突出（GR跃50），与之相比左侧 GR 10。ASZ4 及 ASZ6 驾驶舱无显著眩光情况出现，限于文章篇幅不再展开。图 11 给出了 3 组停机位客舱 GR 分析结果。从图11 可以看出：ASZ4 和 ASZ5 眩光情况集中出现在客舱右侧机头至机尾，左侧超限测量点仅出现在机头、中间和机尾部分区域。与之对应，ASZ6 机位客舱左侧全部测量点眩光超限，GR最大值达64。经反复试算，将LED 灯投射俯仰角 兹T降低至 25毅后，图 11（d）中 3 组停机位客舱 GR 超限情况明显改善，最大 GR 值不足 53。56-第 4圆 卷 第 圆 期李岳，郑美春，蔡靖，等：机坪泛光照明环境仿真与组合机位照明分析中国民航大学学报 投稿须知本刊投稿采用网上投稿，不接受电子邮件等其他方式投稿，投稿网址 https:/ 中国民航大学学报 并惠赐佳作。4结语基于 DIALux evo 平台建立模拟机坪泛光照明环境的组合机位照度仿真模型，针对机坪运行功能提出分区照明评价指标，对前列式和转角式组合机位开展照度仿真分析。结果表明：C 类停机位需通过双侧高杆灯照明满足基本照度条件，飞机和廊桥的照明遮蔽影响不容忽视；转角式组合机位照明范围较大，需控制灯具垂直俯仰角投射方向，眩光指标超限对驾驶舱安全性和客舱舒适度有不利影响。由于泛光照明影响因素众多，寻求最优组合照明方案需经过大量仿真分析，计算成本高昂，对设计者经验依赖程度较高。当前人工智能技术不断发展，使得大数据分析及智能优化成为可能，后续研究有必要结合神经网络算法来完善高杆灯照明参数优化和预测过程。参考文献：1DAVIS R G,WILKERSON A援 Philadelphia International Airport apronlighting:LED system performance in a trial installationR援 Richland:Pacific Northwest National Lab,2015.2BARTSEV A援 Apron lighting design including aircraft shadowsJ援 Light&Engineering,2002,10(2):47-52.3中国民用航空局援 民用机场飞行区技术标准:MH 50012021S.北京:中国民航出版社有限公司,2021.4陆摇摇.航站楼放射构型对机场运行效率影响分析D.广汉:中国民用航空飞行学院,2022.5中国民用航空局.旅客登机桥：MH/T60282016S.北京:中国民航出版社,2016.6中国民用航空局援 民用机场机坪泛光照明技术要求:MH/T 61082014S援 北京:中国民航出版社,2014援7DE OLIVEIRA GRANDO F,GHISI E援 Assessment of public lightingsystems considering mesopic visionJ援 Journal of Cleaner Production,2021,279:123369援8覃剑戈援 基于 Dialux EVO 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