基于兒童視力保護的電動自行車近光燈設計策略

李劍

（深圳和而泰智能控制股份有限公司，深圳 518057）

電動自行車是以車載蓄電池作為輔助能源，具有腳踏騎行能力，能實現電助動或電驅動功能的兩輪自行車[1]。目前國家標準要求電動自行車車燈對相反方向的其他道路使用者不應造成炫目[2]，但其細則還未量化清晰，且國家標準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 歲前是快速發育期，受到強光刺激會比成年人容易更造成不良生物學效應。文章旨在通過調研和分析電動自行車近光燈與兒童人體尺寸的關系，為電動自行車近光燈的設計優化提供一些的理論依據和方法。

1 兒童視力保護的重要性

6 歲前是兒童眼球屈光系統和視網膜發育的關鍵期[3]，期間對光更敏感，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視網膜，高強度可見光可能導致的不良生物學效應有光致角膜炎和視網膜熱損傷[5]，尤其是藍光的過量照射會導致視網膜的嚴重光化學損傷[6]。兒童在眼球發育期間瞳孔和屈光系統調節能力不足，削弱了兒童自我規避光傷害的能力，直接受到強光照射、閃爍等不良刺激會增加后期近視的風險[7]。2020年我國兒童青少年總體近視率為52.7%，達1.07 億人。其中6 歲兒童為14.3%，小學生為35.6%[8]，視力保護是亟需重視的兒童健康主題。

2 電動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別路況，基于光度學來選擇的光源光譜能量會主要集中在波長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]。國家標準中規定電動自行車近光燈為白色[2]，而白光LED 基本是使用藍光轟擊熒光粉來激發出其他頻段的色光，再與原來的藍光混合來模擬白光[10]，因而其光譜含有大量對眼睛有害的藍光成分。

2.2 近光燈的空間特性

國家標準中規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]。電動自行車為保證動力系統足夠的扭矩，多采用輕便摩托車的小輪徑，可將500 mm 作為電動自行車近光燈的安裝高度下限?？傻贸鲭妱幼孕熊嚱鉄魬挥陔x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 電動自行車的近光燈安裝高度范圍

電動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行對光屏幕的測量得出[2]。根據國家標準的具體要求可以算出近光燈在對光屏幕的照射效果如圖2（各角度間距較大，為了便于標記與對比理解，圖片做了不均等縮放處理）。近光燈的基準軸線垂直于對光屏幕，它與對光屏幕的交點作為坐標原點，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 近光燈在對光屏幕上的照度效果及強光照射角度范圍

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

3 基于兒童視力保護的電動自行車近光燈設計分析

3.1 兒童眼高數據分析

結合在公共道路上出行的實際場景考慮，嬰童一般由成年人抱、背或者坐嬰兒出行；幼童普遍在12～15 個月才學會行走，所以可以把分析電動自行車近光燈影響的對象聚焦在2 歲及以上的兒童。

表1 詳細列出了在2022 年，2 歲以上不同年齡組，不同百分位的中國兒童對應的身高數據[12]，但其中不包含眼高數據。

表1 6 歲及以下兒童年齡別的身高百分位數據-2022 年

表2 列出了在2010 年，4～6 歲作為一個整體人群的不同百分位的中國兒童對應的身高、眼高數據[13]，但其數據相對陳舊。

表2 4～6 歲兒童年齡別的身高、眼高百分位數據-2010 年

為了獲得更有時效性的兒童眼高數據，可以結合兩組數據中同一身高梯度的原始數據，利用2010年已知的眼高/身高比，換算出2022 年的眼高數據。

1）4 歲及以上年齡段的兒童，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，并按此比值分別來換算出2022 年里4 歲及以上的眼高。按此規則的眼高/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P50 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據，可分別算出2～6 歲男童、女童的眼高數據如表3 所示。

表3 6 歲及以下兒童年齡別的眼高百分位數值

3.2 空間維度計算與分析

根據產品設計中應用人體尺寸百分位數的通則，近光燈應按照Ⅱ型產品尺寸來設計，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 歲女童來測算。P10 的2歲女童眼高726 mm，電動自行車近光燈的安裝上限1 100 mm，對應最大照度值的光照角度范圍在3°D到5°D 之間，其空間關系如圖3 所示。

圖3 電動自行車的近光燈照射范圍與兒童眼高的關系

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

2）當女童與電動自行車逐漸靠近（A'到A 之間），女童眼睛進入近光燈3°D 到5°D 之間的照射角，光刺激強度急速增大，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）當女童與電動自行車繼續靠近（A 以內），女童眼睛進入近光燈的5°D 角以下，盡管光強開始變小，但照度與距離的平方成反比[14]，且距離越近對邊角[5]越大，對眼睛的刺激量也越大，所以A 以內也是需要避開的照射范圍。

由上可得出：對P10 的2 歲女童，距電動自行車近光燈7.14m 以內眼睛就會受到較大的光刺激。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 時間維度計算與分析

光刺激對眼睛造成的傷害和照射時長正相關[5]，文章進一步分析兒童和電動自行車在道路交匯的時間關系。電動自行車屬于非機動車，國標要求其在非機動車道內行駛的最高時速不得超過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險距離為7.14 m，則女童在會車期間受到近光燈照射危害時長tmin為：

2 歲低齡女童與一輛開啟近光燈的電動自行車在非機動車道全程交匯，會受到約1.3 秒的強光照射，速度越慢照射時間越長。而同年齡的2 歲男童，或者是年齡更大的兒童因眼高更高，受到的照射時間則相對較短。

3.4 影響兒童群體范圍的推算

電動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P90 的6 歲男童、P90 的6 歲女童的眼睛均可構成直接照射。且可認為對幾乎全部的2～5 歲的兒童眼睛造成直接照射。

結合2020 年第七次全國人口普查的數據，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[15]。忽略極少數死亡及移民的人數，這幾組人數數據可以代表2022 年2～6 歲每一歲為梯度的男童、女童人數，如表4。

表4 2020、2022 兩個年份的兒童人數

按100%的2～5 歲的兒童及90%的6 歲的兒童這兩個條件來統計表4 的人數可算得，97.7%的2～6歲兒童會受到影響，即對超過7 600 萬的兒童眼睛都可造成直接照射。

4 電動自行車近光燈設計策略

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對向步行兒童眼睛的強光直射刺激，那么近光燈的離地安裝高度上限不應超過此數值；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。結合表4 的數據來測算，能夠覆蓋保護到約99.3%以上的2～6 歲兒童，即此舉可保護超過7 730 萬兒童的視力。

4.2 制定近光燈光強上限

電動自行車的一個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格指標不適合實際的使用場景。照明的目的是以適宜的光分布，實現通過視覺正確認知環境和對象[16]。電動自行車在非機動車道的速度上限是15 km/h，遠慢于在機動車道上行駛的輕便摩托車，所以更低的近光燈光強即可滿足行駛安全前提下的照射范圍和反應時間的需要，同時能降低在相對狹窄且人車混行的非機動車道，近光燈直接照射兒童眼睛的危害。

4.3 制定近光燈輻射強度上限

電動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眼睛的額外傷害卻不帶來照明價值。行業可以基于《GB/T 20145-2006，燈和燈系統的光生物安全性》設定近光燈的總體輻射強度上限要求，來引導廠家選擇光度學上能效更高的LED 光源，使得發光效率集中在可見光頻段，減少不必要的生物學效應危害。

4.4 引入近光燈光強自動調節功能

實際兒童出行的道路場景多屬于混合照明，處在路燈、建筑照明的環境下只需要補充低強度的車燈照明即可滿足行車安全的總照度量，因此通過增加環境光傳感器的手段可實現根據環境亮度自動調整近光燈的光強[17]；也可將近光燈光強與車速正相關地聯動調節，在低速行車時調低近光燈光強，駕駛員也有足夠的反應時間來保證行車安全。這兩種近光燈光強自動調節手段都能在行駛安全前提下減少對兒童眼睛的直射刺激，還可帶來環保節能的好處。

5 結論

電動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。文章著眼電動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、燈光光強上限、輻射強度上限，引入光強自動調節功能等設計策略，為基于兒童視力保護的電動自行車近光燈設計提供一些理論依據和方向思路，同時也希望拋磚引玉，助推相應行業逐步完善標準細則，引導廠家更科學、更人性化地設計電動自行車照明方案。