基于兒童視力保護(hù)的電動(dòng)自行車近光燈設(shè)計(jì)策略

李劍

（深圳和而泰智能控制股份有限公司，深圳 518057）

電動(dòng)自行車是以車載蓄電池作為輔助能源，具有腳踏騎行能力，能實(shí)現(xiàn)電助動(dòng)或電驅(qū)動(dòng)功能的兩輪自行車[1]。目前國家標(biāo)準(zhǔn)要求電動(dòng)自行車車燈對(duì)相反方向的其他道路使用者不應(yīng)造成炫目[2]，但其細(xì)則還未量化清晰，且國家標(biāo)準(zhǔn)主要基于成年男性人體尺寸制定，未全面考慮兒童人體尺寸。兒童眼球在6 歲前是快速發(fā)育期，受到強(qiáng)光刺激會(huì)比成年人容易更造成不良生物學(xué)效應(yīng)。文章旨在通過調(diào)研和分析電動(dòng)自行車近光燈與兒童人體尺寸的關(guān)系，為電動(dòng)自行車近光燈的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供一些的理論依據(jù)和方法。

1 兒童視力保護(hù)的重要性

6 歲前是兒童眼球屈光系統(tǒng)和視網(wǎng)膜發(fā)育的關(guān)鍵期[3]，期間對(duì)光更敏感，更容易受到不良光刺激影響[4]?？梢姽夂苋菀状┩秆矍蚪M織的晶狀體和玻璃體到達(dá)視網(wǎng)膜，高強(qiáng)度可見光可能導(dǎo)致的不良生物學(xué)效應(yīng)有光致角膜炎和視網(wǎng)膜熱損傷[5]，尤其是藍(lán)光的過量照射會(huì)導(dǎo)致視網(wǎng)膜的嚴(yán)重光化學(xué)損傷[6]。兒童在眼球發(fā)育期間瞳孔和屈光系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不足，削弱了兒童自我規(guī)避光傷害的能力，直接受到強(qiáng)光照射、閃爍等不良刺激會(huì)增加后期近視的風(fēng)險(xiǎn)[7]。2020年我國兒童青少年總體近視率為52.7%，達(dá)1.07 億人。其中6 歲兒童為14.3%，小學(xué)生為35.6%[8]，視力保護(hù)是亟需重視的兒童健康主題。

2 電動(dòng)自行車近光燈的光源及空間特性

2.1 近光燈的光源特性

近光燈用于照亮前方道路以供騎行者憑肉眼識(shí)別路況，基于光度學(xué)來選擇的光源光譜能量會(huì)主要集中在波長380 到780 納米的可見光頻段，從能效考慮近光燈多采用LED 光源[9]。國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定電動(dòng)自行車近光燈為白色[2]，而白光LED 基本是使用藍(lán)光轟擊熒光粉來激發(fā)出其他頻段的色光，再與原來的藍(lán)光混合來模擬白光[10]，因而其光譜含有大量對(duì)眼睛有害的藍(lán)光成分。

2.2 近光燈的空間特性

國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定輕便摩托車近光燈的離地高度不小于500 mm，不大于1 200 mm[11]。電動(dòng)自行車為保證動(dòng)力系統(tǒng)足夠的扭矩，多采用輕便摩托車的小輪徑，可將500 mm 作為電動(dòng)自行車近光燈的安裝高度下限?？傻贸鲭妱?dòng)自行車近光燈應(yīng)位于離地高度500 mm 到1 100 mm 之間，需注意這里最大離地高度取有效口徑上邊緣；最小離地高度取有效口徑下邊緣，如圖1 所示。

圖1 電動(dòng)自行車的近光燈安裝高度范圍

電動(dòng)自行車近光燈的照射范圍和照度值是在燈前10 米處的垂直墻面上進(jìn)行對(duì)光屏幕的測(cè)量得出[2]。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的具體要求可以算出近光燈在對(duì)光屏幕的照射效果如圖2（各角度間距較大，為了便于標(biāo)記與對(duì)比理解，圖片做了不均等縮放處理）。近光燈的基準(zhǔn)軸線垂直于對(duì)光屏幕，它與對(duì)光屏幕的交點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，H-H 是通過0°的水平線，V-V 是通過0°的垂直線，帶D 后綴的是在水平平面下方的角度，帶L 后綴的是在垂直平面左方的角度，帶R 后綴的是在垂直平面右方的角度。

圖2 近光燈在對(duì)光屏幕上的照度效果及強(qiáng)光照射角度范圍

由圖2 可知，由3°D、5°D、4°L、4°R 四條直線所圍成的區(qū)域是近光燈最大照度的范圍，此區(qū)域與光源所構(gòu)成的空間角是近光燈對(duì)人眼刺激最大的角度范圍。

3 基于兒童視力保護(hù)的電動(dòng)自行車近光燈設(shè)計(jì)分析

3.1 兒童眼高數(shù)據(jù)分析

結(jié)合在公共道路上出行的實(shí)際場(chǎng)景考慮，嬰童一般由成年人抱、背或者坐嬰兒出行；幼童普遍在12～15 個(gè)月才學(xué)會(huì)行走，所以可以把分析電動(dòng)自行車近光燈影響的對(duì)象聚焦在2 歲及以上的兒童。

表1 詳細(xì)列出了在2022 年，2 歲以上不同年齡組，不同百分位的中國兒童對(duì)應(yīng)的身高數(shù)據(jù)[12]，但其中不包含眼高數(shù)據(jù)。

表1 6 歲及以下兒童年齡別的身高百分位數(shù)據(jù)-2022 年

表2 列出了在2010 年，4～6 歲作為一個(gè)整體人群的不同百分位的中國兒童對(duì)應(yīng)的身高、眼高數(shù)據(jù)[13]，但其數(shù)據(jù)相對(duì)陳舊。

表2 4～6 歲兒童年齡別的身高、眼高百分位數(shù)據(jù)-2010 年

為了獲得更有時(shí)效性的兒童眼高數(shù)據(jù)，可以結(jié)合兩組數(shù)據(jù)中同一身高梯度的原始數(shù)據(jù)，利用2010年已知的眼高/身高比，換算出2022 年的眼高數(shù)據(jù)。

1）4 歲及以上年齡段的兒童，以2022 年P(guān)50 的身高，找到2010 年里最接近的身高，算出其眼高/身高比，并按此比值分別來換算出2022 年里4 歲及以上的眼高。按此規(guī)則的眼高/身高比為：4 歲男童取P25 的比值88.4%；5 歲男童取P50 的比值88.8%；6 歲男童取P75 的比值89.1% 。

2）3 歲年齡段的兒童，以2022 年P(guān)50 的身高，找到2010 年里最接近的身高，算出其眼高/身高比，換算出2022 年里3 歲年齡段的眼高。按此規(guī)則的眼高/身高比為：3 歲男童取P1 的比值88.0%。

3）2 歲年齡段的兒童，因身高過低在2010 年里找不到合適的身高參照?；趦和A段年齡越小頭部占比越大的生長規(guī)律，則以2010 年里P1 的眼高/身高比，換算出2022 年里2 歲年齡段的眼高。按此規(guī)則的眼高/身高比為：2 歲男童取P1 的比值88.0%。

同樣方法處理女童數(shù)據(jù)，可分別算出2～6 歲男童、女童的眼高數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 6 歲及以下兒童年齡別的眼高百分位數(shù)值

3.2 空間維度計(jì)算與分析

根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用人體尺寸百分位數(shù)的通則，近光燈應(yīng)按照Ⅱ型產(chǎn)品尺寸來設(shè)計(jì)，可選用P10 作為尺寸下限值。由表3 得知，同年齡的女童比男童眼高值低，選用P10 的2 歲女童來測(cè)算。P10 的2歲女童眼高726 mm，電動(dòng)自行車近光燈的安裝上限1 100 mm，對(duì)應(yīng)最大照度值的光照角度范圍在3°D到5°D 之間，其空間關(guān)系如圖3 所示。

圖3 電動(dòng)自行車的近光燈照射范圍與兒童眼高的關(guān)系

1）當(dāng)女童遠(yuǎn)離近光燈（A'以外），因女童眼高低于近光燈上限1 100 mm，則女童在遠(yuǎn)處也能看到明顯燈光。但從國家標(biāo)準(zhǔn)中得知3°到0°D 的照度急速衰減為不高于2lx[2]，所以A'以外的光刺激相對(duì)較小。

2）當(dāng)女童與電動(dòng)自行車逐漸靠近（A'到A 之間），女童眼睛進(jìn)入近光燈3°D 到5°D 之間的照射角，光刺激強(qiáng)度急速增大，A'到A 之間是需要避開的照射范圍。按照三角函數(shù)算得眼睛與近光燈的水平距離OA'和OA 分別為：

A'B'=AB=1 100-726=374 mm

OA'=A'B'* cot3°≈ 7.14 m

OA=AB * cot5°≈ 4.27 m

3）當(dāng)女童與電動(dòng)自行車?yán)^續(xù)靠近（A 以內(nèi)），女童眼睛進(jìn)入近光燈的5°D 角以下，盡管光強(qiáng)開始變小，但照度與距離的平方成反比[14]，且距離越近對(duì)邊角[5]越大，對(duì)眼睛的刺激量也越大，所以A 以內(nèi)也是需要避開的照射范圍。

由上可得出：對(duì)P10 的2 歲女童，距電動(dòng)自行車近光燈7.14m 以內(nèi)眼睛就會(huì)受到較大的光刺激。而同年齡的2 歲男童，或者是年齡更大的兒童因眼高更高，其受到同等影響的距離小于7.14 m。由圖3 可知，近光燈的安裝下限越低，造成的影響越小。

3.3 時(shí)間維度計(jì)算與分析

光刺激對(duì)眼睛造成的傷害和照射時(shí)長正相關(guān)[5]，文章進(jìn)一步分析兒童和電動(dòng)自行車在道路交匯的時(shí)間關(guān)系。電動(dòng)自行車屬于非機(jī)動(dòng)車，國標(biāo)要求其在非機(jī)動(dòng)車道內(nèi)行駛的最高時(shí)速不得超過15 km/h[1]，而兒童的步行速度不超過5 km/h，P10 的2 歲女童眼睛受到近光燈影響的風(fēng)險(xiǎn)距離為7.14 m，則女童在會(huì)車期間受到近光燈照射危害時(shí)長tmin為：

2 歲低齡女童與一輛開啟近光燈的電動(dòng)自行車在非機(jī)動(dòng)車道全程交匯，會(huì)受到約1.3 秒的強(qiáng)光照射，速度越慢照射時(shí)間越長。而同年齡的2 歲男童，或者是年齡更大的兒童因眼高更高，受到的照射時(shí)間則相對(duì)較短。

3.4 影響兒童群體范圍的推算

電動(dòng)自行車近光燈的最大允許安裝高度為1 100 mm。從表3 可知，P90 的6 歲男童眼高1 100 mm，P90 的6 歲女童眼1 102 mm，均僅剛好高于近光燈的上限1 100 mm。這種情況下近光燈對(duì)P90 的6 歲男童、P90 的6 歲女童的眼睛均可構(gòu)成直接照射。且可認(rèn)為對(duì)幾乎全部的2～5 歲的兒童眼睛造成直接照射。

結(jié)合2020 年第七次全國人口普查的數(shù)據(jù)，可以得出在2020 年0～4 歲每一歲為梯度的男童、女童的具體人數(shù)[15]。忽略極少數(shù)死亡及移民的人數(shù)，這幾組人數(shù)數(shù)據(jù)可以代表2022 年2～6 歲每一歲為梯度的男童、女童人數(shù)，如表4。

表4 2020、2022 兩個(gè)年份的兒童人數(shù)

按100%的2～5 歲的兒童及90%的6 歲的兒童這兩個(gè)條件來統(tǒng)計(jì)表4 的人數(shù)可算得，97.7%的2～6歲兒童會(huì)受到影響，即對(duì)超過7 600 萬的兒童眼睛都可造成直接照射。

4 電動(dòng)自行車近光燈設(shè)計(jì)策略

4.1 制定近光燈安裝高度上限

以P10 身高的2 歲女童為下限，已推導(dǎo)出了目前近光燈可影響到的兒童范圍；反之將其定位為上限，則可得出可保護(hù)的兒童范圍：P10 身高的2 歲女童眼高為726 mm，為盡量避免近光燈對(duì)對(duì)向步行兒童眼睛的強(qiáng)光直射刺激，那么近光燈的離地安裝高度上限不應(yīng)超過此數(shù)值；考慮到近光燈還有安裝角度的公差，可將近光燈離地安裝高度上限定為700 mm。結(jié)合表4 的數(shù)據(jù)來測(cè)算，能夠覆蓋保護(hù)到約99.3%以上的2～6 歲兒童，即此舉可保護(hù)超過7 730 萬兒童的視力。

4.2 制定近光燈光強(qiáng)上限

電動(dòng)自行車的一個(gè)重要的演變來源是輕便摩托車的輕量化，其延承自摩托車的燈光規(guī)格指標(biāo)不適合實(shí)際的使用場(chǎng)景。照明的目的是以適宜的光分布，實(shí)現(xiàn)通過視覺正確認(rèn)知環(huán)境和對(duì)象[16]。電動(dòng)自行車在非機(jī)動(dòng)車道的速度上限是15 km/h，遠(yuǎn)慢于在機(jī)動(dòng)車道上行駛的輕便摩托車，所以更低的近光燈光強(qiáng)即可滿足行駛安全前提下的照射范圍和反應(yīng)時(shí)間的需要，同時(shí)能降低在相對(duì)狹窄且人車混行的非機(jī)動(dòng)車道，近光燈直接照射兒童眼睛的危害。

4.3 制定近光燈輻射強(qiáng)度上限

電動(dòng)自行車近光燈的有效照明在于可見光頻段，不可見光頻段的光輻射增加了對(duì)眼睛的額外傷害卻不帶來照明價(jià)值。行業(yè)可以基于《GB/T 20145-2006，燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性》設(shè)定近光燈的總體輻射強(qiáng)度上限要求，來引導(dǎo)廠家選擇光度學(xué)上能效更高的LED 光源，使得發(fā)光效率集中在可見光頻段，減少不必要的生物學(xué)效應(yīng)危害。

4.4 引入近光燈光強(qiáng)自動(dòng)調(diào)節(jié)功能

實(shí)際兒童出行的道路場(chǎng)景多屬于混合照明，處在路燈、建筑照明的環(huán)境下只需要補(bǔ)充低強(qiáng)度的車燈照明即可滿足行車安全的總照度量，因此通過增加環(huán)境光傳感器的手段可實(shí)現(xiàn)根據(jù)環(huán)境亮度自動(dòng)調(diào)整近光燈的光強(qiáng)[17]；也可將近光燈光強(qiáng)與車速正相關(guān)地聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)，在低速行車時(shí)調(diào)低近光燈光強(qiáng)，駕駛員也有足夠的反應(yīng)時(shí)間來保證行車安全。這兩種近光燈光強(qiáng)自動(dòng)調(diào)節(jié)手段都能在行駛安全前提下減少對(duì)兒童眼睛的直射刺激，還可帶來環(huán)保節(jié)能的好處。

5 結(jié)論

電動(dòng)自行車的廣泛流行為群眾的出行帶來了極大便利，其照明燈光也為兒童視覺健康帶來了新挑戰(zhàn)。文章著眼電動(dòng)自行車的近光燈展開研究分析，提出制定近光燈安裝高度上限、燈光光強(qiáng)上限、輻射強(qiáng)度上限，引入光強(qiáng)自動(dòng)調(diào)節(jié)功能等設(shè)計(jì)策略，為基于兒童視力保護(hù)的電動(dòng)自行車近光燈設(shè)計(jì)提供一些理論依據(jù)和方向思路，同時(shí)也希望拋磚引玉，助推相應(yīng)行業(yè)逐步完善標(biāo)準(zhǔn)細(xì)則，引導(dǎo)廠家更科學(xué)、更人性化地設(shè)計(jì)電動(dòng)自行車照明方案。