基于區域面積權重分配的艦船艙室照明設計

李 震，王明月，白繼嵩

(1.哈爾濱工程大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學水下智能機器人技術國防科技重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)

引言

艦船作為海上的移動建筑對船員日常生活工作帶來潛在的影響，艙室照明設計對于船員生理與心理的影響更是密切相關[1]。為在艙室照明設計中構建更加適于人的照明環境，國內外許多學者做了大量研究，制定了艦船照明設計標準用于指導不同區域的工作面照度[2-3]。

傳統的艙室照明設計中對艙室工作面平均照度做出了明確的規范要求，但同一艙室內不同功能區域往往存在不同的照明需求，不同功能分區的平均照度理應存在一定差異。目前，針對艙室照明設計尚沒有指導性的計算方法。

本文在某樣板艙段會議室照明設計過程中，考慮到會議室在空間劃分中存在用途差異，用單一工作面照度計算方法不能合理解決照明中的照度計算的問題，結合目前艙室照明設計中常用的流明法和比功率法，以室內不同區域面積作為分配權重，按照室內照明需要的總光通量與不同功能權重區域進行分配的方式進行重新分配，計算結果符合照明設計的初衷。

1 區域面積權重分配法照明設計

1.1 區域面積權重分配法原理

目前用于艙室工作面平均照度的方法主要有流明法[4]和簡易估算法[5]，兩種方法都從整體室內空間照明設計需求為出發點，但對室內區域照明計算沒有有效的解決方法。區域面積權重分配法在確定的艙室空間照明設計布局前提下，通過不同照明功能分區的工作面平均照度需求，以不同照明功能分區的面積比作為權重可求得室內工作面整體平均照度，繼而應用流明法求取整個室內空間的需求光通量，再依據不同照明區域面積權重對不同照明區域進行光通量分配，從而得到不同照明區域光通量的需求，為進一步確定不同照明區域燈具選型做出依據。

1.2 某艦樣板艙照明設計理論分析

本文研究的方法是在確定了某艦樣板艙的燈具數量、布置形式與室形尺度的基礎上進行照明設計，為了保證室內最低平均照度滿足標準中的要求的同時進行照明設計，本文在初步計算過程中選用流明法進行照度計算。

已知會議室長9750mm，寬為9150mm，高度為2300mm，天花板為白色，墻壁為淺米黃色，照明設計中確定了邊安裝射燈為17盞、座位區域安裝方形蓬頂燈8盞、中心區域安裝10盞筒燈5盞格柵燈管，燈具安裝高度2180mm，照明電壓為220V。根據流明法進行計算時應用式(1)，如下：

其中：F為單個燈具的最低光通量；E為要求達到的最低平均照度；S為艙室面積；K為照度補償系數；η為利用系數；N為利用系數。

依據《艦船通用規范-038居住性》一章對水面艦船會議室工作面最低照度為E=225lx的要求進行會議室所需光通量計算[6](見表1)，根據式(1)可以計算出艙室面積、查出照度補償系數、燈光利用系數，但是對于室內光通量的計算需要考慮室內燈具的數量。因為會議室采用筒燈、方形燈、格柵燈不同種類的照明燈具，即使按照室內燈具總數的基礎上算出的光通量也無法計算出不同種類燈具應該發出的光通量大小，這帶來的直接問題就是不能確定燈具的發光功率從而不能確定設備選型，這在工程應用中會產生實際問題。

表1 水面艦艇各類艙室或區域的一般照度要求Table 1 General illumination requirements on various types of surface ships’ cabins or areas

由于樣板艙會議室具有會議中心區、主會議坐席區、列席會議區三個功能劃分區域。針對這樣的功能分區在照明設計中也進行了相應的考慮。會議中心區在會議桌正上方，布置有10盞筒燈，5盞格柵燈管，按照《辦公室照明設計指導原則》對于會議桌的平均照度要達到500lx；列席會議區域由于在墻壁附近，布置有17盞筒燈，其工作面平均照度按照《艦船通用規范》中規定的225lx進行設計；主會議坐席區位于會議中心區和列席會議區之間，處于過渡區域，設計有方形篷頂燈8盞，考慮到空間照度的梯度變化，在照明設計過程中將其工作面平均照度設計為表2中要求的300lx。

表2 水面艦艇各類艙室或區域的清晰照度要求Table 2 Clear illumination requirements on various types of surface ships’ cabins or areas

本樣板艙在照明設計中采用工作面平均照度從中心區域到邊棚區域遞減的設計方式，因而對燈具信息的計算需要重新考慮。因為三個區域內燈具雖然采用不同，但是相同區域內的燈具是完全一樣的，即只需要知道該區域內需要的光通量就能夠知道需要燈具的發光功率。

考慮到本艙室空間中存在三個照明分區，要想根據流明法計算空間整體光通量，需要知道空間內工作面要求達到的最低平均照度。在問題的求解過程中我們應用權重求平均值的方法，將三個照明區域的面積作為權重分配系數，從而獲得最低平均照度。其室內照明區域分布圖如圖1所示。

S1:列席會議區；S2主會議坐席區；S3會議中心區

S1區域平均照度為225lx，面積為29.7m2；S2區域平均照度為300lx，面積為45.2m2；S3區域平均照度為500lx，面積為14.3m2。應用式(2)可以求得室內最低平均照度，如下：

(2)

其中：E為要求達到的最低平均照度；Si為不同照明功能區面積；Ei為不同照明區最低平均照度。

1.3 艙室內照明系統的全局光通量計算

由式(2)計算出室內工作面最低平均照度后按照流明法公式可以計算出艙室照明系統需要的全局光通量如下：

(3)

其中：Ф為室內全局光通量；E為要求達到的最低平均照度；S為艙室面積；K為照度補償系數；η為利用系數。

由室內信息可以獲得S=89.2m2；由式(2)知E=307.1lx；查表可得K=1.3，η=0.43，經過計算室內照明系統需要的全局光通量Ф=82817lm。

1.4 單個燈具所需光通量及燈具型號的確定

由式(3)確定室內需要的全局光通量后，三個不同照明區域需要的光通量可以按照各自占有的照明面積進行分配，應用式(4)得到每一區域所需光通量：

(4)

其中：Фi為不同照明區域光通量；Ф為室內全局光通量；Si為不同照明功能區面積。

由式(4)可以計算出Ф1=27 574lm；Ф2=419 66lm；Ф3=13 277lm。S1區域中有17盞筒燈，每盞燈應提供的光通量為1622lm；S2區域中有8盞方形篷頂燈，每盞燈應提供的光通量為5246lm；S3區域中有10盞筒燈、5盞熒光燈管，按照最優匹配原則，選用筒燈光通量為600lm、熒光燈管的光通量為1543lm較為合理。在確定單個燈具光通量后，結合燈具市場信息，確定S1區域17盞筒燈選用YH30RN 30W 1650lm的環形熒光燈；S2區域中有8盞方形燈選用 YH40RN 40W 5400lm的環形熒光燈；S3區域10盞筒燈選用YH20RR 20W 800lm的環形熒光燈、5熒光燈管燈選用 YZ30RR 30W 1580lm的直管形熒光燈。

1.5 某艦樣板艙室內照度分布數值分析

在DIALux中輸入房間的尺寸信息，對頂棚、壁面和地板按照會議室設計方案色彩進行匹配設定，工作面為780mm，燈具位置按照CAD設計圖嚴格匹配，將1.3節中得到的燈具信息結果進行輸入，計算得到艙室照度分布的等照度曲線圖與照度數值分布圖如圖2、圖3所示。

圖3 照度數值分布圖Fig.3 Illuminance value distribution

通過DIALux對艙室整體照度與局部采樣點照度的計算后，可以得到艙室內照度信息匯總表，如表3所示。

表3 艙室內照度信息匯總表(單位：lx)Table 3 Summary table of cabin illumination information(Unit:lx)

由表3計算結果可以看出：平均照度達到標準中要求的初始照度設計要求，設計誤差在±10%之內認為是允許誤差；最小照度是在墻邊產生，對整個室內照明沒有影響；最小照度/平均照度為0.5，符合照度均勻度的設計要求，即室內不會產生明顯的暗區讓人產生不適[7]。

1.6 某艦樣板艙室內照度分布實驗分析

(1)某艦樣板艙的基本幾何尺度與燈具布置信息如圖4所示。

圖4 某樣板艙的幾何尺度與燈具布置信息Fig.4 Template cabin’s space geometry and lighting layout information

(2)某艦樣板艙照度測試結果

應用上文計算方法得到的照明燈具選用結果，本文利用便攜式照度計對某艦樣板艙工作平面進行平均照度測試，按照圖4中坐標方式進行定位，對艙室中典型的9個位置進行工作面平均照度進行測量。測量過程中將安裝燈具全部開啟，艙室沒有窗戶，沒有外部照明，得到的結果如表4所示。

照度計測量結果與圖3的計算結果對比可以看出，照度計測量結果略高于計算結果，這是由于艙室內燈具是新安裝的，其發光效能還沒進行衰減，屬于合理范圍。對稱位置的照度測量值相當，因為燈具布置在照明設計過程中選擇了對稱設計的方式，其結果也屬合理。從照度計的測量結果證明了本文選擇的方法具對于室內不同照明區域的光通量分配具有有效性。

表4 照度計對樣板艙工作面平均照度測量匯總表 Table 4 Summary table of cabin’s working face average illuminance which is measured by illuminometer

2 結論

本文通過對船舶艙室照明問題的研究，得到適于艙室工作面平均照度滿足艦船照明設計相關標準前提下的照明設計方法。該方法應用區域面積作為權重分配室內光通量從而得到不同照明功能區域照明信息的同時，能夠根據不同照度要求區域的燈光布置繼而確定燈具的功率及選型信息。本方法通過成熟的照明計算軟件驗證后證明計算方法合理有效，并應用本方法在某船樣板艙的建造過程中進行照明燈光設計，通過應用照度計對設計后的室內布光進行測量，得到結果滿足設計初衷，再次證明該方法的有效性。

[1] 王近中，唐志文，梁振福，等. 艦艇艙室環境因素對人體影響的研究(二)—艦船裝備的人體測量及作業域布局[C].第三屆全國人-機-環境系統工程學術會議，1997：183-186.

[2] ABS.Guide for crew habitability on offshore installations.New York：American Bureau of Shipping，2002：1-122.

[3] DEF STAN 00-25 PART-6.Human factors for designers of equipment，part-6，Vision and lighting.UK Defense Standardization，1997：1-88.

[4] CB/T3485-93.船舶艙室照度計算與測量方法[S].中國船舶工業總局，1994：1-20.

[5] GB/T13379-92.視覺工效學原則-室內工作系統照明[S].國家技術監督局，1992：1-10.

[6] GJB4000-2000.艦船通用規范[S].總裝備部軍兵種部海軍局，2000：1-300.

[7] 周太明，宋賢杰等.高效照明系統設計指南[M].上海：復旦大學出版社，2004：220-260.