浅析足球场人工照明新要求

李炳华，王炳铮，潘 鑫，李 鹏，岳云涛

(1.悉地国际设计顾问有限公司，北京 100013；2.北京建筑大学，北京 100044)

引言

国际足球联合会(Fédération Internationale de Football Association，FIFA)关于足球场人工照明标准发生重大变化，这种变化是全面的、革命性的，对体育场建设将产生巨大影响。2020年11月住房和城乡建设部联合体育总局根据2015年国务院办公厅发布的《中国足球改革发展总体方案》推进实施《中国足球中长期发展规划(2016—2050年)》，提出把发展足球运动纳入经济社会发展规划，制定了包括“积极申办国际足联男足世界杯”等在内的远期目标，其中方案第六条指出要加强足球场地建设管理，市、县(区)要拥有专业比赛场、训练场[1]。

本文根据国际足联新标准的变化，引入关注指数概念，主要介绍该标准的照明、电源、灯光布置等需重点关注的最新技术要求。意在引起行业的重视，以适应当前和预期的国际足联比赛要求。关注指数是对国际足联新标准某些变化的关注程度，是一项主观评价指标，最高为五星，最低为一星，需特别重视。

1 照明等级

关注指数：★★★★☆

2020最新版FIFA足球场标准将场地照明分级改为按FIFA举行的赛事进行分级。FIFA针对不同类型的赛事，对各级别场地的照明标准、供电标准的要求都有所不同，照明等级及供电标准的规定如表1所示[2]。

表1 照明等级及供电标准

从表1可以看出，2020最新版FIFA足球场人工照明标准推荐的照明水平分为A、B、C、D四个等级。相比于2011年、2007年、2002年的分级标准，新的赛事分级着重对有电视转播需求的赛事进行更细致的分类和分级。对于不需要电视转播的足球场，不要求达到四个较高级别的照明要求，但照明条件仍应满足运动员、工作人员、观众的相关需求。

2 照明标准

关注指数：★★★★★

2020最新版FIFA足球场标准关于场地照明的标准值汇总如表2所示[2]。

由表2可以看出，与2002版、2007版、2011版FIFA标准相比，2020最新版FIFA足球场照明标准值变化很大，传统的指标已经改变，又增加新要求：

1)明确了四个方向(0°、90°、180°、270°)考核摄像机方向上的垂直照度及其均匀度，尽管旧版标准也采用四方向的垂直照度，但新标准不仅对四方向的垂直照度平均值有要求，同时还规定其垂直照度的最小值；

2)水平照度及垂直照度需要同时满足最小值和平均值两项指标的要求；

表2 FIFA场地照明标准值

3)增加场地照明灯光连续性模式(MCM)要求：A级场地不允许中断照明，B级场地3 min内水平照度需大于1 000 lx、15 min内水平照度需大于2 000 lx，C级场地3 min内水平照度需大于1 000 lx、15 min内水平照度需大于1 250 lx，D级场地无照明连续性要求；

4)增加频闪比指标：频闪比指标需要同时满足最大值和平均值的要求；

5)增加最小相邻均匀度比率(MAUR)指标；

6)修改色温标准值：FIFA2007、2011版标准比FIFA2002版标准的色温指标不升反降，对于顶级赛事如举行具有电视转播的国际比赛，色温要求大于4 000 K，而2002版标准要求5 500 K以上[3,4]。FIFA2020新版标准根据场地级别的不同，逐级定义了更为精确的色温区间范围；

7)针对LED和HID提出不同的维护系数值。

从以上七个指标的变化可以看出，2020最新版FIFA足球场人工照明标准所考量的指标更为全面。欧美发达国家足球类比赛标准较为完善，因此新版标准影响力很大，影响面很广，认真研究和分析新技术的变化，有益于我国足球场地建设，对我国足球场地建设有指导性意义。

3 电源要求

关注指数：★★★★★

3.1 电源类型

供电电源对场地照明的重要性不言而喻。每当国际足联举办赛事时，都会对主办方场馆电源提出要求，并对电源类型和要求进行更全面的定义。2020最新版FIFA足球场人工照明标准关于场地电源的术语如表3所示[2]。

从表3可以看出，A+级电源为系统级冗余，A级电源为电源冗余，B级为公共电网正常供电。其中各等级电源均有详细要求，具体说明如表4所示。

表3 FIFA关于电源的术语

表4 电源总体要求

可以通过以上几个表看出，FIFA致力于进一步细化场馆的电源级别及相应要求。由于本文重点介绍2020最新版FIFA足球场人工照明标准与前几版的技术变化，因此与国内体育场馆电源标准的差别不再赘述，感兴趣的读者可以对比《体育建筑电气设计规范》(JGJ354—2014)和《民用建筑电气设计标准》(GB 51348—2019)研究。2020最新版FIFA足球场人工照明标准对各等级电源详细的要求见3.2节。

3.2 电源标准

每届比赛的电力系统配置和拓扑形式都有很大的不同，这很大程度上取决于主办方电力基础设施的配置和条件。这点比较好理解，发达国家、我国在电力系统可靠性方面比较高，而国际足联所属成员还有相当一些国家是贫困国，电力基础设施比较差，例如非洲。因此，东道主需要国际足联技术服务团队的支持，获得国际足联比赛的电力需求标准，按照国际足联场地照明电源标准设计可靠且有弹性的电源，并向国际足联提交测试报告，确保比赛和电视广播能够不间断得继续进行。国际足联场地照明电源标准如表5、表6及表7所示。

表5 国际足联场地照明电源标准

表6 国际足联场地照明电源标准

续表6

表7 国际足联场地照明电源标准

4 灯具布置

关注指数：★★★★★

4.1 禁止布灯区域

足球场场地照明设计一直存在一个误区。一些区域禁止布置体育照明灯具，主要是底线两侧15°角(有电视转播)或10°角(没有电视转播)范围和球门后60°仰角以下范围[4,5]。从2002年国际足联(FIFA)标准，到2007年FIFA标准，再到2011年FIFA标准，经过多次改版，对禁止布灯的区域要求越来越严格，如图1～图3所示，我国标准也采用了FIFA的标准要求，并一直延续至今[6]。

图1 FIFA2002标准要求的禁止布灯区域Fig.1 The area of prohibited lighting required by the FIFA 2002 standard

图2 FIFA2007标准要求的禁止布灯区域Fig.2 The area of prohibited lighting required by the FIFA 2007 standard

图3 FIFA2011标准要求的禁止布灯区域Fig.3 The area of prohibited lighting required by the FIFA 2011 standard

国际足联对于禁止布灯区域的要求是避免体育照明灯光对运动员，尤其对守门员产生干扰，影响比赛正常发挥。出发点是正确的，但是措施是值得商榷的。

4.2 布灯新方式

禁止布灯不如禁止灯光干扰运动员。要知道，干扰运动员正常比赛的是灯光，不是灯具安装位置。因此，布灯区域和灯光的投射角相比后者更加重要。

对于田径和足球综合体育场，上述禁止布灯区域是可以布灯的，工程实践中常用的做法是在足球比赛模式下，将该区域灯关闭，仅在田径比赛时使用。因此没有光线投射到场地内，也不会影响运动员正常比赛。对于足球专用体育场，这个区域同样可以安装体育照明灯具，但需注意灯具瞄准角应该避免投射到能影响运动员比赛的区域，避免球门线周围的过度眩光。

对于禁止布灯区域布灯主要有以下两种情况：

1)角球区域禁止布灯区域，如图4所示。首先应确保在禁区内的球员不受不舒适眩光的影响，即如果灯具的焦点能让球员站在禁区内，不受阻碍地看向角球区，那么灯具的直线排列就能保持可接受的不舒适眩光水平。因此球门线15°范围内如果布置灯具，要避免将灯光投射到禁区及周围区域。

图4 FIFA2020标准要求的禁止布灯区域Fig.4 The area of prohibited lighting required by the FIFA 2020 standard

上图是2020最新版FIFA足球场人工照明标准的新变化，尽管该标准尚未颁布实施，但经过2018年亚足联AFC、2019年欧足联UEFA标准的研究和应用，FIFA新标准的实施近在咫尺。图中原来不能布灯的区域照样可以安装灯具，但灯具投射点需在禁区外，而禁区内的照明由其他区域安装的灯具投射。

2)球门后面区域灯具投射角不能投射到禁区和场地内，可以投射到底线外面的场地上，这样对运动员不会产生干扰，如图5所示。

图5 FIFA2020底线布灯区域Fig.5 Bottom Line Lighting Area required by the FIFA 2020 standard

图中，粉色区域为禁区外底线仰角小于60°范围内不允许布灯；

黄色区域在禁区外底线大于60°范围可以布灯；

绿色灯具允许在禁区外底线大于45°范围内安装。

工程中可以将底线后面的体育照明灯具向东西两侧移位，如图5所示绿色灯具部分，这样有利于达到更好的效果。

4.3 应用情况

国际足联在2014年巴西世界杯足球赛时就容许上述禁止布灯区域内布置体育照明灯具，在经过各大洲足联的研究、应用实践基础上，FIFA新标准的推出也就水到渠成了。2018年俄罗斯世界杯足球赛莫斯科卢日尼基体育场就采用周圈式灯具布置，如图6所示。

图6 2018年俄罗斯世界杯足球赛周圈式布置灯具Fig.6 Lighting fixtures arranged in a circle for the 2018 FIFA World Cup Russia

不难看出，2020最新版FIFA足球场人工照明标准支持足球场场地照明采用周圈式布置方式，前提是要设计合适的投射角，这的确颠覆了传统。因此，足球专用体育场传统严禁布置灯具的区域实质是误区，不如严禁灯光投射或穿越影响运动员正常比赛的区域。

5 频闪要求

关注指数：★★★★

2020最新版FIFA足球场人工照明标准对频闪要求较高、也较严格。因为在转播过程中，照明系统的频闪将导致电视图像在慢动作回放时闪烁，大大影响转播的效果，损害电视观众的体验，对于体育商业化较发达的国家或运动项目，这样闪烁会造成较大的经济损失。电视转播进入到超高清的4K/8K时代，慢动作、超慢动作回放更显得重要，频闪是现代体育赛事转播绕不开、不可忽视的关键问题。因此场地照明设计及实施应尽可能消除灯光的频闪。产生频闪的情况将根据频闪的调制、交变电压频率和摄像机的帧速率而变化。

5.1 术语

频闪比：指在一个完整周期内给定平面上亮度的调制量。它表示整个周期内最大亮度值和最小亮度值之间的关系，以百分比表示。频闪比准确的名称应该称为频闪因子，英文为Flicker factor，但是大家已经习惯频闪比的称谓，也就沿用至今。

频闪：光的亮度随时间快速而反复的变化。

调制：在周期振荡期间光变化的度量。

5.2 频闪比的计算

频闪比可以用式(1)进行计算：

(1)

或者

(2)

式中：Emax——一个完整周期内的最大照度值(lx)；Emin——一个完整周期内的最小照度值(lx)；Eave——一个完整周期内的平均照度值(lx)。

5.3 频闪比的参考值

频闪比的参考值如表8所示，由表中可知，LED照明系统具有较好地控制频闪能力，明显优于传统的气体放电灯。

表8 不同照明系统的频闪比

5.4 频闪的消除

小于5%的频闪比通常不会对每秒300帧的慢动作回放造成问题。虽然每秒帧数会因所使用的技术而异，但对于体育电视行业中使用的大多数技术而言，频闪比小于5%的照度系统会降低可感知的闪烁。对于频闪的消除有以下两种方式：

1)可以通过在照明系统中安装电子镇流器或方波镇流器来消除频闪；

2)可以通过计算机处理来消除每秒帧数很高时观察到的闪烁。然而，这种方法也有一定的局限性。

5.5 三相交流电源供电的频闪比

使用标准频率镇流器(即工频镇流器)和典型正弦波亮度调制特性的照明系统会产生大范围的频闪，这是由于测试点的变化引起的不同角度不同灯具光通量的重叠。不过可以通过细致的规划，为所有区域和场地平面设计灯具焦点，以接收来自不同角度灯具的重叠光通量。这可能会产生实质性的改善，并可能满足国际足联B和C体育场标准。

尽管上述方法可能会产生实质性的改进，但如果没有减少亮度调制的额外解决方案，将无法满足FIFA标准A级体育场的要求。电子或方波镇流器与标准频率正弦波镇流器的混合可能产生低于5%的频闪比，一般来说这种系统在大型场地中应用效果较好，因为其中有更多的灯具可用于提供来自不同角度的重叠光通量。

5.6 关于频闪比的测量

涉及来自不同角度的重叠光通量的场地照度系统应使用更多的频闪比测试点，以确保所有区域的频闪比一致。建议使用12个测试点，如图7所示。

图7 频闪比测试点示意图Fig.7 Schematic diagram offlicker factor test points

还要说明，用于降低频闪比的措施不应影响任何平面上照度的均匀性。

图7所示的6个频闪比测试位置中的每一个位置，应在90°平面、270°平面、距地面高度1 m处读取垂直频闪比读数。国际足联各级别的最大允许频闪比如表9所示，12点的平均值为算数平均值，即用这12个值之和除以12得到的，最大频闪比是12个点中的最高测量值。

表9 FIFA各级别体育场最大允许频闪比

6 结语

对国际足联FIFA2020年提出的足球场照明标准与2002版、2007版、2011版标准进行对比分析，可以发现新标准在技术层面上发生不小的变化，值得我们关注，应引起专家、学者高度重视。照明设计师可以通过本文较为全面地了解国际足联对足球场设计的通用标准及部分特殊要求，为运动员提供良好的比赛环境，保证良好的转播效果和电视机前的观众体验。