基于儿童视力保护的电动自行车近光灯设计策略

李剑

（深圳和而泰智能控制股份有限公司，深圳 518057）

电动自行车是以车载蓄电池作为辅助能源，具有脚踏骑行能力，能实现电助动或电驱动功能的两轮自行车[1]。目前国家标准要求电动自行车车灯对相反方向的其他道路使用者不应造成炫目[2]，但其细则还未量化清晰，且国家标准主要基于成年男性人体尺寸制定，未全面考虑儿童人体尺寸。儿童眼球在6 岁前是快速发育期，受到强光刺激会比成年人容易更造成不良生物学效应。文章旨在通过调研和分析电动自行车近光灯与儿童人体尺寸的关系，为电动自行车近光灯的设计优化提供一些的理论依据和方法。

1 儿童视力保护的重要性

6 岁前是儿童眼球屈光系统和视网膜发育的关键期[3]，期间对光更敏感，更容易受到不良光刺激影响[4]。可见光很容易穿透眼球组织的晶状体和玻璃体到达视网膜，高强度可见光可能导致的不良生物学效应有光致角膜炎和视网膜热损伤[5]，尤其是蓝光的过量照射会导致视网膜的严重光化学损伤[6]。儿童在眼球发育期间瞳孔和屈光系统调节能力不足，削弱了儿童自我规避光伤害的能力，直接受到强光照射、闪烁等不良刺激会增加后期近视的风险[7]。2020年我国儿童青少年总体近视率为52.7%，达1.07 亿人。其中6 岁儿童为14.3%，小学生为35.6%[8]，视力保护是亟需重视的儿童健康主题。

2 电动自行车近光灯的光源及空间特性

2.1 近光灯的光源特性

近光灯用于照亮前方道路以供骑行者凭肉眼识别路况，基于光度学来选择的光源光谱能量会主要集中在波长380 到780 纳米的可见光频段，从能效考虑近光灯多采用LED 光源[9]。国家标准中规定电动自行车近光灯为白色[2]，而白光LED 基本是使用蓝光轰击荧光粉来激发出其他频段的色光，再与原来的蓝光混合来模拟白光[10]，因而其光谱含有大量对眼睛有害的蓝光成分。

2.2 近光灯的空间特性

国家标准中规定轻便摩托车近光灯的离地高度不小于500 mm，不大于1 200 mm[11]。电动自行车为保证动力系统足够的扭矩，多采用轻便摩托车的小轮径，可将500 mm 作为电动自行车近光灯的安装高度下限。可得出电动自行车近光灯应位于离地高度500 mm 到1 100 mm 之间，需注意这里最大离地高度取有效口径上边缘；最小离地高度取有效口径下边缘，如图1 所示。

图1 电动自行车的近光灯安装高度范围

电动自行车近光灯的照射范围和照度值是在灯前10 米处的垂直墙面上进行对光屏幕的测量得出[2]。根据国家标准的具体要求可以算出近光灯在对光屏幕的照射效果如图2（各角度间距较大，为了便于标记与对比理解，图片做了不均等缩放处理）。近光灯的基准轴线垂直于对光屏幕，它与对光屏幕的交点作为坐标原点，H-H 是通过0°的水平线，V-V 是通过0°的垂直线，带D 后缀的是在水平平面下方的角度，带L 后缀的是在垂直平面左方的角度，带R 后缀的是在垂直平面右方的角度。

图2 近光灯在对光屏幕上的照度效果及强光照射角度范围

由图2 可知，由3°D、5°D、4°L、4°R 四条直线所围成的区域是近光灯最大照度的范围，此区域与光源所构成的空间角是近光灯对人眼刺激最大的角度范围。

3 基于儿童视力保护的电动自行车近光灯设计分析

3.1 儿童眼高数据分析

结合在公共道路上出行的实际场景考虑，婴童一般由成年人抱、背或者坐婴儿出行；幼童普遍在12～15 个月才学会行走，所以可以把分析电动自行车近光灯影响的对象聚焦在2 岁及以上的儿童。

表1 详细列出了在2022 年，2 岁以上不同年龄组，不同百分位的中国儿童对应的身高数据[12]，但其中不包含眼高数据。

表1 6 岁及以下儿童年龄别的身高百分位数据-2022 年

表2 列出了在2010 年，4～6 岁作为一个整体人群的不同百分位的中国儿童对应的身高、眼高数据[13]，但其数据相对陈旧。

表2 4～6 岁儿童年龄别的身高、眼高百分位数据-2010 年

为了获得更有时效性的儿童眼高数据，可以结合两组数据中同一身高梯度的原始数据，利用2010年已知的眼高/身高比，换算出2022 年的眼高数据。

1）4 岁及以上年龄段的儿童，以2022 年P50 的身高，找到2010 年里最接近的身高，算出其眼高/身高比，并按此比值分别来换算出2022 年里4 岁及以上的眼高。按此规则的眼高/身高比为：4 岁男童取P25 的比值88.4%；5 岁男童取P50 的比值88.8%；6 岁男童取P75 的比值89.1% 。

2）3 岁年龄段的儿童，以2022 年P50 的身高，找到2010 年里最接近的身高，算出其眼高/身高比，换算出2022 年里3 岁年龄段的眼高。按此规则的眼高/身高比为：3 岁男童取P1 的比值88.0%。

3）2 岁年龄段的儿童，因身高过低在2010 年里找不到合适的身高参照。基于儿童阶段年龄越小头部占比越大的生长规律，则以2010 年里P1 的眼高/身高比，换算出2022 年里2 岁年龄段的眼高。按此规则的眼高/身高比为：2 岁男童取P1 的比值88.0%。

同样方法处理女童数据，可分别算出2～6 岁男童、女童的眼高数据如表3 所示。

表3 6 岁及以下儿童年龄别的眼高百分位数值

3.2 空间维度计算与分析

根据产品设计中应用人体尺寸百分位数的通则，近光灯应按照Ⅱ型产品尺寸来设计，可选用P10 作为尺寸下限值。由表3 得知，同年龄的女童比男童眼高值低，选用P10 的2 岁女童来测算。P10 的2岁女童眼高726 mm，电动自行车近光灯的安装上限1 100 mm，对应最大照度值的光照角度范围在3°D到5°D 之间，其空间关系如图3 所示。

图3 电动自行车的近光灯照射范围与儿童眼高的关系

1）当女童远离近光灯（A'以外），因女童眼高低于近光灯上限1 100 mm，则女童在远处也能看到明显灯光。但从国家标准中得知3°到0°D 的照度急速衰减为不高于2lx[2]，所以A'以外的光刺激相对较小。

2）当女童与电动自行车逐渐靠近（A'到A 之间），女童眼睛进入近光灯3°D 到5°D 之间的照射角，光刺激强度急速增大，A'到A 之间是需要避开的照射范围。按照三角函数算得眼睛与近光灯的水平距离OA'和OA 分别为：

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

OA'=A'B'* cot3°≈ 7.14 m

OA=AB * cot5°≈ 4.27 m

3）当女童与电动自行车继续靠近（A 以内），女童眼睛进入近光灯的5°D 角以下，尽管光强开始变小，但照度与距离的平方成反比[14]，且距离越近对边角[5]越大，对眼睛的刺激量也越大，所以A 以内也是需要避开的照射范围。

由上可得出：对P10 的2 岁女童，距电动自行车近光灯7.14m 以内眼睛就会受到较大的光刺激。而同年龄的2 岁男童，或者是年龄更大的儿童因眼高更高，其受到同等影响的距离小于7.14 m。由图3 可知，近光灯的安装下限越低，造成的影响越小。

3.3 时间维度计算与分析

光刺激对眼睛造成的伤害和照射时长正相关[5]，文章进一步分析儿童和电动自行车在道路交汇的时间关系。电动自行车属于非机动车，国标要求其在非机动车道内行驶的最高时速不得超过15 km/h[1]，而儿童的步行速度不超过5 km/h，P10 的2 岁女童眼睛受到近光灯影响的风险距离为7.14 m，则女童在会车期间受到近光灯照射危害时长tmin为：

2 岁低龄女童与一辆开启近光灯的电动自行车在非机动车道全程交汇，会受到约1.3 秒的强光照射，速度越慢照射时间越长。而同年龄的2 岁男童，或者是年龄更大的儿童因眼高更高，受到的照射时间则相对较短。

3.4 影响儿童群体范围的推算

电动自行车近光灯的最大允许安装高度为1 100 mm。从表3 可知，P90 的6 岁男童眼高1 100 mm，P90 的6 岁女童眼1 102 mm，均仅刚好高于近光灯的上限1 100 mm。这种情况下近光灯对P90 的6 岁男童、P90 的6 岁女童的眼睛均可构成直接照射。且可认为对几乎全部的2～5 岁的儿童眼睛造成直接照射。

结合2020 年第七次全国人口普查的数据，可以得出在2020 年0～4 岁每一岁为梯度的男童、女童的具体人数[15]。忽略极少数死亡及移民的人数，这几组人数数据可以代表2022 年2～6 岁每一岁为梯度的男童、女童人数，如表4。

表4 2020、2022 两个年份的儿童人数

按100%的2～5 岁的儿童及90%的6 岁的儿童这两个条件来统计表4 的人数可算得，97.7%的2～6岁儿童会受到影响，即对超过7 600 万的儿童眼睛都可造成直接照射。

4 电动自行车近光灯设计策略

4.1 制定近光灯安装高度上限

以P10 身高的2 岁女童为下限，已推导出了目前近光灯可影响到的儿童范围；反之将其定位为上限，则可得出可保护的儿童范围：P10 身高的2 岁女童眼高为726 mm，为尽量避免近光灯对对向步行儿童眼睛的强光直射刺激，那么近光灯的离地安装高度上限不应超过此数值；考虑到近光灯还有安装角度的公差，可将近光灯离地安装高度上限定为700 mm。结合表4 的数据来测算，能够覆盖保护到约99.3%以上的2～6 岁儿童，即此举可保护超过7 730 万儿童的视力。

4.2 制定近光灯光强上限

电动自行车的一个重要的演变来源是轻便摩托车的轻量化，其延承自摩托车的灯光规格指标不适合实际的使用场景。照明的目的是以适宜的光分布，实现通过视觉正确认知环境和对象[16]。电动自行车在非机动车道的速度上限是15 km/h，远慢于在机动车道上行驶的轻便摩托车，所以更低的近光灯光强即可满足行驶安全前提下的照射范围和反应时间的需要，同时能降低在相对狭窄且人车混行的非机动车道，近光灯直接照射儿童眼睛的危害。

4.3 制定近光灯辐射强度上限

电动自行车近光灯的有效照明在于可见光频段，不可见光频段的光辐射增加了对眼睛的额外伤害却不带来照明价值。行业可以基于《GB/T 20145-2006，灯和灯系统的光生物安全性》设定近光灯的总体辐射强度上限要求，来引导厂家选择光度学上能效更高的LED 光源，使得发光效率集中在可见光频段，减少不必要的生物学效应危害。

4.4 引入近光灯光强自动调节功能

实际儿童出行的道路场景多属于混合照明，处在路灯、建筑照明的环境下只需要补充低强度的车灯照明即可满足行车安全的总照度量，因此通过增加环境光传感器的手段可实现根据环境亮度自动调整近光灯的光强[17]；也可将近光灯光强与车速正相关地联动调节，在低速行车时调低近光灯光强，驾驶员也有足够的反应时间来保证行车安全。这两种近光灯光强自动调节手段都能在行驶安全前提下减少对儿童眼睛的直射刺激，还可带来环保节能的好处。

5 结论

电动自行车的广泛流行为群众的出行带来了极大便利，其照明灯光也为儿童视觉健康带来了新挑战。文章着眼电动自行车的近光灯展开研究分析，提出制定近光灯安装高度上限、灯光光强上限、辐射强度上限，引入光强自动调节功能等设计策略，为基于儿童视力保护的电动自行车近光灯设计提供一些理论依据和方向思路，同时也希望抛砖引玉，助推相应行业逐步完善标准细则，引导厂家更科学、更人性化地设计电动自行车照明方案。