船舶照明優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

王靜綺，楊　程

（中國船舶研究設(shè)計(jì)中心，武漢430064）

船舶照明優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

王靜綺，楊程

（中國船舶研究設(shè)計(jì)中心，武漢430064）

對當(dāng)前船舶照明設(shè)計(jì)流程和先進(jìn)照度計(jì)算方法的研究，采用實(shí)景照明仿真技術(shù)，進(jìn)行真實(shí)環(huán)境仿真建模，同時借鑒三維設(shè)計(jì)中的成熟經(jīng)驗(yàn)，建立了全新的照明設(shè)計(jì)流程以及照明設(shè)計(jì)方法。本系統(tǒng)提高了船舶照明設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性與自動化程度，提供了比較好數(shù)據(jù)信息管理方法。

船舶照明系統(tǒng)照度計(jì)算仿真信息化

0　引言

船舶照明是保證航行安全和提高船員生活舒適度的基本保證。船舶照明系統(tǒng)光設(shè)計(jì)已經(jīng)成為人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)的重要組成部分，科學(xué)合理的光環(huán)境設(shè)計(jì)可以對船員視覺、心理等方面起到積極的指導(dǎo)作用［1］。從上世紀(jì)60、70年代開始，歐、美等發(fā)達(dá)國家對照明光色的人機(jī)工程進(jìn)行了深入研究，取得了大量成果，并廣泛應(yīng)用于各類領(lǐng)域。

隨著船用技術(shù)的快速發(fā)展，我國船舶設(shè)備及其制造工藝日新月異，各種新光源越來越多應(yīng)用于船舶照明系統(tǒng)，船舶航行的操控和生活條件也顯著改善［2］；我國傳統(tǒng)的船舶照明設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足船員的生活、工作的高質(zhì)量需求。尤其是一些對于光環(huán)境要求高的工作艙更是缺少必要的設(shè)計(jì)手段和設(shè)計(jì)方法。

本文旨在通過對傳統(tǒng)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行梳理、研究，在借鑒三維設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及當(dāng)前最先進(jìn)的照度計(jì)算理論和照度計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，改進(jìn)原有的設(shè)計(jì)方法，提出一種基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的艙室照明設(shè)計(jì)方法，該方法能夠解決之前不能實(shí)現(xiàn)的燈點(diǎn)優(yōu)化和照度不均勻等問題。同時結(jié)合當(dāng)前三維設(shè)計(jì)的主流，實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程自動化，從而提高設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。

1　照明設(shè)計(jì)的主觀因素

在進(jìn)行照明設(shè)計(jì)之前，應(yīng)該明確所有的設(shè)計(jì)都是為人而設(shè)的。因此，需要明確照明系統(tǒng)中人的因素，即人眼以及人眼對各種不同照度級和照度型式反應(yīng)有關(guān)的原理論述，以便于了解在船舶上進(jìn)行照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)所采用的不同型式照明裝置的目的和意圖。

在照明設(shè)計(jì)中，需要考慮的影響人眼視力的主要因素有：

1） 生理因素（如眼睛的生理構(gòu)造和老化）；

2） 心理因素（如緊張、分心）；

3） 客觀因素（如物體的尺寸大小、明亮度、對比度）等。

在上述因素中，由于其客觀因素是滿足一個既定區(qū)域內(nèi)照度要求的可測有形因素，因此應(yīng)密切關(guān)注這些客觀因素，同時將其作為照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的主要因素。影響人眼主觀視覺的主要客觀因素有：能見度、明亮度、對比度。

根據(jù)以上分析，在進(jìn)行照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，必須堅(jiān)持以人為本的設(shè)計(jì)原則，充分考慮船員的主觀因素，使得人員最方便和最不易引起視覺疲勞，力求提供最大可能的舒適度。否則，任何設(shè)計(jì)都是毫無意義。

2　典型照度計(jì)算方法

目前，照度計(jì)算主要有利用系數(shù)法、概算圖表法、逐點(diǎn)法、用平面相對等照度曲線逐點(diǎn)計(jì)算照度法、綜合表格法等。其中利用系數(shù)法［3］在我國最為廣泛應(yīng)用。

所謂的利用系數(shù)法，就是通過考慮墻壁、頂棚、地面之間光通的多次反射影響，計(jì)算落到工作面上的光通量來確定工作面上的平均照度的方法，因此，也被稱為光通法或流明法。一般在均勻布置燈具的場所，可采用此法計(jì)算工作面上的平均照度。

2.1利用系數(shù)法

目前，在我國應(yīng)用最為廣泛的就是北美IES的帶域空間法。帶域空間法采用在Jones的球帶系數(shù)和有效反射率中引入O'Brien的廣通傳遞函數(shù)得出的，由于其計(jì)算簡便，故被廣泛使用。

球帶系數(shù)法，是在一定布燈情況下，通過計(jì)算每10°帶光通直接落到工作面上的比例來計(jì)算燈具發(fā)出的光通量中落到工作面上的那一部分光通量。其中，光通量分布以立體角ω的四次式表示，從而由光通分布導(dǎo)出光強(qiáng)分布，進(jìn)一步從幾何關(guān)系求出直射光通。

應(yīng)用利用系數(shù)法計(jì)算工作面的平均照度的步驟如下：

1） 根據(jù)燈具是否均勻布置，判斷可否利用此方法；

2） 根據(jù)房間尺寸計(jì)算室空間比；

3） 根據(jù)墻壁、地板及頂棚有效反射率查利用系數(shù)表，得利用系數(shù)U；

4）確定照度維護(hù)系數(shù)K；

5）計(jì)算光源的總光通量F。

根據(jù)公式（1）計(jì)算工作面平均照度。

式中：F－燈具內(nèi)光源的總光通量（lm）；

Eav－工作面上平均照度（lx）；

S－工作面面積（m2）；

N－光源數(shù)量（個）；

U－燈具利用系數(shù)；

K－照度維護(hù)系數(shù)。

2.2燈具模型

在利用系數(shù)法計(jì)算過程中，燈具在空間的光強(qiáng)分布是整個計(jì)算的核心數(shù)據(jù)，燈具空間光強(qiáng)分布測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接影響最終計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，燈具的配光曲線即是詳細(xì)記載燈具空間光強(qiáng)分布的標(biāo)準(zhǔn)化文件。因此，建立燈具的配光曲線模型成為整個照度計(jì)算中的核心。

在傳統(tǒng)船舶照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，燈具的生產(chǎn)廠家僅僅只在燈具的樣本中給出燈具在幾個不同距離的光斑直徑、中心照度等方面的數(shù)值，而以往也常常習(xí)慣并認(rèn)同這種表達(dá)方法。雖然這種表達(dá)方法比較簡單、直觀，但應(yīng)該說，這種表達(dá)方法比較粗糙、不夠準(zhǔn)確，是一種初級的表達(dá)方法。

目前，我國燈具業(yè)已陸續(xù)引進(jìn)配光曲線儀測量燈具特性，為在照明設(shè)計(jì)中采用精確可靠的數(shù)據(jù)資料提供了前提條件。本文采用北美照明工程協(xié)會（IESNA）所訂定的IES標(biāo)準(zhǔn)檔案格式建立燈具模型庫，并將其應(yīng)用于照明照度計(jì)算。

3　傳統(tǒng)艙室照明設(shè)計(jì)方法

傳統(tǒng)的船舶照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法一般使用利用比功率法，初步估算艙室配備的燈點(diǎn)數(shù)，再使用利用系數(shù)法進(jìn)行重點(diǎn)艙室照度的核算。然后，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件在上述計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行工程圖紙的繪制，如圖1所示。

由于照明設(shè)備在每個區(qū)域的數(shù)量和型號各不相同，燈具數(shù)量類型繁多，以致在照明布置設(shè)計(jì)過程中難以統(tǒng)計(jì)。常規(guī)做法是先核查系統(tǒng)圖與布置圖是否一致，然后再逐一進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)，工作量較大、較繁瑣的部分［4］，準(zhǔn)確度低且效率低下。設(shè)計(jì)手段的落后，使得難于考慮維持所要識別的視覺對象要求的合適照度的均勻性，基本以滿足工作點(diǎn)的照度要求為準(zhǔn)，燈具的優(yōu)化布置也較少涉及，這就導(dǎo)致一些艙室中燈具數(shù)量滿足照度要求，但是局部位置卻嚴(yán)重不符合要求，以致照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度低且效率低下。

4　優(yōu)化艙室照明設(shè)計(jì)方法

經(jīng)過研究分析，本文將照明計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)分為兩個子系統(tǒng)即：照明照度計(jì)算及分析子系統(tǒng)、照明系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)，通過兩個子系統(tǒng)將整個電氣設(shè)計(jì)的過程進(jìn)行融合，去除以往照明設(shè)計(jì)中的重復(fù)過程，將以往煩瑣的照明設(shè)計(jì)簡化，同時以照明圖紙為根本，對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行有效的管理。系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框架如圖2所示。

圖2照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框架圖

4.1照明照度計(jì)算及分析子系統(tǒng)

本部分主要包括以下幾個方面：船舶照度計(jì)算方法研究及優(yōu)化選擇；船舶艙室照度設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)據(jù)和船舶照明系統(tǒng)系列圖紙電氣參數(shù)的提取；照明系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)信息庫的建立和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)；船艙室分類及原理線路圖模塊化設(shè)計(jì)等工作。

4.2照明系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)

主要實(shí)現(xiàn)了整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理，是整個設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心，其完整性和合理性將直接影響系統(tǒng)的可應(yīng)用與否。其主要分成兩個部分，一部分為用于二維原理圖設(shè)計(jì)的ACCESS數(shù)據(jù)庫，以及用于三維照明設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫；其中通過本子系統(tǒng)的管理，使兩部分?jǐn)?shù)據(jù)庫建立關(guān)聯(lián)，使之保持同步，使設(shè)計(jì)信息保持一致。

4.3照明系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)庫

在整個照明設(shè)計(jì)流程中，照明系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)貫穿設(shè)計(jì)全過程，成為整個系統(tǒng)的靈魂，其重要性不言而喻。目前，系統(tǒng)引用基于ACCESS數(shù)據(jù)庫的二維原理圖設(shè)計(jì)軟件，以及基于Oracle數(shù)據(jù)庫的三維設(shè)計(jì)軟件。那么如何通過照度計(jì)算得出的設(shè)計(jì)結(jié)果，作為二維照明系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)的理論依據(jù)，直接指導(dǎo)圖紙的繪制工作，這就需要提供相關(guān)數(shù)據(jù)信息接口。

圖3數(shù)據(jù)關(guān)系圖

本軟件的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)包括：遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫，目前采用ORACLE數(shù)據(jù)庫；本地?cái)?shù)據(jù)庫，目前采用ACCESS數(shù)據(jù)庫。

由于照度計(jì)算分析參數(shù)和計(jì)算結(jié)果最后需要應(yīng)用于照明系統(tǒng)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，因此，其數(shù)據(jù)也需寫入當(dāng)前二維設(shè)計(jì)使用的ACCESS數(shù)據(jù)庫，因此這部分?jǐn)?shù)據(jù)只是ACCESS數(shù)據(jù)庫的一部分，并且根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需要，分散設(shè)置在不同的數(shù)據(jù)庫表格中，以下僅列出照度計(jì)算模塊包含的部分參數(shù)數(shù)據(jù)：

1） 按用途分，照明數(shù)據(jù)分為以下幾個部分

a） 照明設(shè)計(jì)參數(shù)庫；

b） 照度計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)；

c） 船舶照明系統(tǒng)系列圖紙電氣參數(shù)數(shù)據(jù)。

2） 照明設(shè)計(jì)參數(shù)

a） 有注明艙室用途及其內(nèi)部設(shè)備布置和艙室高度的艙室平面圖（室型指數(shù)）；

b） 艙室表面反射系數(shù)；艙室表面包括：艙頂板，墻壁，和甲板；

c） 對一般均勻照明所定的艙室照度標(biāo)準(zhǔn)；

d） 對各種類型艙室所選用的照明燈具的型式；

e） 照明燈具的光源特性（功率、光通量及燈泡數(shù)量、配光曲線及其效率）；

f） 選取的儲備系數(shù)；

g） 選取的照度的不均勻系數(shù)；

h） 艙室照度標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該符合造船部門現(xiàn)行的人工照明標(biāo)準(zhǔn)。

3） 船舶照明系統(tǒng)系列圖紙電氣參數(shù)數(shù)據(jù)

a） 艙室名稱；

b） 燈具數(shù)量；

c） 燈具類型；

d） 燈具功率；

e） 燈具模型庫等。

5　典型艙室照明設(shè)計(jì)

本文這里選用先進(jìn)照度計(jì)算軟件Dialux［5-6］作為設(shè)計(jì)平臺進(jìn)行二次開發(fā)和應(yīng)用。Dialux是當(dāng)前國內(nèi)得到廣泛推廣的一款德國照明設(shè)計(jì)軟件，目前其已得到了國內(nèi)43家燈具制造商支持，其強(qiáng)大的燈具配光曲線數(shù)據(jù)庫、便利的DWG/DXF的接口以及可視化的網(wǎng)格及報(bào)表功能使得照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加準(zhǔn)確、快速。下面就以某船艙為例，在Dialux環(huán)境中進(jìn)行照明系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。首先設(shè)定艙室用途及其內(nèi)部設(shè)備布置和艙室高度的艙室平面圖（室型指數(shù)）如表1所示：

表1室形指數(shù)

工作平面定為距離地面0.8 m（此數(shù)據(jù)可以根據(jù)需要改動）；艙室額定照度：150 lx；燈具安裝地點(diǎn)：天花板；燈具參數(shù)：3×20 W熒光蓬頂燈共18盞；光通量：2500 lm；燈具安裝方式：嵌入式。

5.1照度計(jì)算

在Dialux中根據(jù)實(shí)際艙室參數(shù)，通過空間建模、選擇燈具配光曲線、燈具布置，最后通過照度計(jì)算得到了0.8工作面各點(diǎn)的照度數(shù)值分布圖。圖4，圖5為該典型艙室0.8工作面上的灰階等照度圖與點(diǎn)照度分布圖。

圖4灰階等照度圖（照度）

圖5點(diǎn)照度分布圖

5.2計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測量值的比較

下表為根據(jù)軟件實(shí)景建模，取工作面為計(jì)算面所計(jì)算出的照度數(shù)據(jù)值如表2所示。

根據(jù)典型艙室參數(shù)，建立真實(shí)典型艙室及相同燈具布置，選取0.8工作面實(shí)際測量8個位置照度數(shù)據(jù)如下：146；159；188；219；178；150；120；35，平均值為150lx。

表2軟件計(jì)算結(jié)果網(wǎng)格：（128×128點(diǎn)）

由以上數(shù)據(jù)可以看出，在相同的燈具數(shù)量情況下，軟件布置的平均照度稍高于現(xiàn)場實(shí)際布置的平均照度。考慮到實(shí)測數(shù)據(jù)所取空間點(diǎn)數(shù)有限所產(chǎn)生的誤差以及燈具的實(shí)際光通量等參數(shù)與理論值的誤差，可以得出照度軟件計(jì)算結(jié)果完全可作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

6結(jié)語

目前，本照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法已初步應(yīng)用于照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過多次測試驗(yàn)證，證明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法高效、準(zhǔn)確，滿足正常設(shè)計(jì)需要。隨著未來分析仿真與數(shù)字檢測在設(shè)計(jì)工作中的進(jìn)一步介入，必然需要圖紙能體現(xiàn)更多的設(shè)備信息，并且具備完整的信息數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，從而減輕設(shè)計(jì)的工作量，提高設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。

［1]楊彪.民機(jī)駕駛艙光環(huán)境設(shè)計(jì)及視覺工效學(xué)研究［D］.上海:復(fù)旦大學(xué)，2011:4-5.

［2]王立波，陶志超.船舶照明節(jié)能控制技術(shù)研究［J］.船舶電氣與通信，2013，24（3）:69-72.

［3]李炳華，董青.體育照明設(shè)計(jì)手冊［M］.北京:中國電力出版社，2009:200-416.

［4]李榆青，陳曉雄，李子奇.船舶照明系統(tǒng)圖和布置圖計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)［J］.船舶，1996（5）:45-48.

［5］DIALUX一個 燈光照 明設(shè)計(jì) 軟 件［EB/OL］http://wapbaike.daidu.com.

［6]http://www.dial.de.

Optimization of Shipboard Lighting System

Wang Jingqi，Yang Cheng
（China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China）

In this paper，the design flow of shipboard lighting system and advanced luminance calculating method are studied.Adopting the technique of emulating lighting scene，and using mature experience of three-dimensional design for reference，true condition model are set up，and a new lighting design flow and lighting design method are established.All of this improves prominently veracity and automatic degree of lighting design and offer better method of managing data information.

ship；lighting system；luminance calculating；emulating；informationization

TM923

A

1003-4862（2016）07-0066-04

2016-1-26

王靜綺（1980-），女，工程師，專業(yè)方向：船舶電氣。