船舶機艙光環境仿真

朱 煜，楊 駿，王 杰，張紅偉，朱明華

（江南造船（集團）有限責任公司，上海 201913）

0 引 言

機艙照明系統設計是船舶設計中的一個非常重要的環節，由于機艙結構緊湊、設備數量多、管路等布置復雜，使得機艙的光照強度分布不均勻，光環境不理想。尤其是作戰類艦艇，受其整體尺寸的限制，其機艙面積較為狹小，光環境較為惡劣。因此，在船舶設計初期應對其照明系統進行合理設計，引入并行工程思想，將基于人機工程學的光環境仿真評估技術融入船舶設計中，以便對光環境進行快速評估并對設計存在的不足及時進行改進，從而達到動態設計優化的目的。船舶機艙的光環境評估主要針對其內部的照度分布，因此本文主要以機艙工作面的照度分布情況為研究對象。

傳統的照度估算方法是在燈具布置的基礎上參照國家標準和行業標準進行照度的人工計算。采用這種 方法僅能粗略地估算出部分典型艙室的平均照度水平，且很難考慮艙室內設備布置位置的特殊性，計算精細度不高。因此，傳統方法已越來越難以滿足日益提高的設計要求[1-2]。

隨著計算機技術的不斷發展與應用，各類照度計算軟件的出現使得基于人機工程的室內光環境快速仿真成為可能。擁有合適的光環境是船員保持正常的心理和生理狀態、提高工作效率的必要條件。就船舶機艙而言，其光環境的質量主要取決于人工照明情況。DIALUX軟件是目前全球照明行業使用最廣泛的照明設計軟件，飛利浦、雷士等世界知名的大型燈具廠商都提供與 DIALUX整合的燈具數據插件；此外，DIALUX具有燈具自定義功能，可為相關人員開展光環境模擬工作提供保障[3]。

本文基于某艦船機艙模型，采用DIALUX軟件為其布置照明系統，并對其光環境進行快速評估，得到工作面光照強度分布情況，同時提出優化方案。在此基礎上，計算局部照明和應急照明情況。計算結果表明，機艙工作面的平均照度、局部照明和應急照明均滿足規范的要求[4]。

1 照度計算原理

船舶照度計算的主要方法有利用系數法、比功率法和逐點法，其中：利用系數法適用于燈具均勻布置、墻和天花板反射系數較高的室內照明或室外照明，通常獲取的是艙室平均照度；比功率法不考慮艙室的內飾，比較適用于初步的照度估算[1]，而機艙內含有大量的設備和管路，空間布局復雜多變，不適于采用該方法；逐點法計算簡單、中間過程少、誤差小，對于室內和室外走道、機爐艙等反射條件極差的場所而言，采用該方法進行照度計算更為精確便利[4]。

圖1為光源與照度，其中：S為光源；P為所求照度點；M為過P點的水平面。

P點的照度為：

圖1 光源與照度

式(1)～式(3)中：l為光源與P點之間的距離，m；θ為光源至被照點的射線與光源垂直高度線之間的夾角，(°)；Iθ為θ角方向的發光強度，由燈具的配光曲線查得，cd；En為P點法線照度，lx；Eh為P點水平面照度，lx；EV為P點垂直面照度，lx。

一般只需計算水平面照度。若P點上不是由一盞燈照射的，而是由若干盞燈照射，則P點上的照度為各盞燈在該點上照度的總和，即

2 模型建立

該船的主機艙分為上下2層，中間有貫通區域，主要包含3臺主柴油發電機組、1臺停泊柴油發電機組、熱水鍋爐、各類管路和電氣設備。機艙的尺寸為19.0m×15.0m×8.8m。由于機艙部位的型線變化不大，因此以創建立方體室內空間之后直接插入擠壓柱體的方式創建其外表面。此后，導入設備三維模型，包括主機、鍋爐、管路和電氣設備等，并將其調至合適的位置處。在此基礎上，設置上下2個計算平面，距離地板0.8m。根據設備表面的實際情況設置反射系數。本文在保證一定計算精度的基礎上對設備模型進行適當簡化，以減少計算時間。

3 燈具布置方案分析和優化

機艙內的設備布置一般比較緊湊，照明以局部照明為主，燈具布置宜采用中等功率多點布置方案，從而保證有適當多的照射點，使主要機械設備的各側面都能被照到，不易產生背暗面和照明死角[5]。根據文獻[4]提供的船舶典型艙室照度參考值，機艙設備操縱區域的平均照度不小于100lx，通道的平均照度不小于30lx；機艙整體平均照度采用美國照明工程學會的數據，不小于200lx。

首先基于初始照明系統布置方案進行照度計算，得出計算平面的照度分布情況，根據計算結果并結合實際三維模型分析燈光布置的合理性，再優化布置方案，在此基礎上進行關鍵區域局部照明計算。

3.1 方案1

初始照明系統布置見圖2，機艙的上層和下層共布置37盞燈，燈具使用PHILIPS TPS682 2×TL5-39W HFP C8-VH（2×39W，光通量為6200lm，功率為84W）熒光吊頂燈。機艙上層燈具的安裝高度為7.8m（距上層甲板2.0m），機艙下層燈具的安裝高度為4.9m（距下層甲板2.2m）。

圖2 初始照明系統布置

針對該方案進行照度計算，得到機艙上層和下層計算平面的照度分布分別見圖3和圖4。根據圖3和圖4及軟件自動生成的報表可得到以下結論：

1) 機艙上層和下層計算平面的平均照度大于200lx，滿足規范推薦的計算表面平均照度要求；

2) 機艙上層甲板挖空區域設置的光源過多，光照利用率不高，同時挖空區域下方布置有柴油機組等設備，其操作面板多為豎直平面，考慮到操作和檢修因素，需對該區域的燈具布置進行完善；

3) 燈具4位于變壓器頂部，其光線會被變壓器遮擋；

4) 機艙上層機修間各燈具的位置比較接近，兩端照度不理想，不利于機修維護工作的開展；

5) 機艙上層燈具18距離樓梯較遠，樓梯通行區域燈具較少，只有燈具16、燈具17和燈具18等3盞，該區域的照度小于30lx，不利于人員上下樓梯；

6) 機艙下層燈具的排列方向多為豎直方向，在走廊區域與人員行進的方向垂直，沒有采用錯落布置方式，會對船員造成眩光影響。

圖3 機艙上層計算平面照度分布

圖4 機艙下層計算平面照度分布

3.2 方案2

針對方案1存在的問題，提出一種優化方案：在優化過程中對燈具進行重新編號，熒光吊頂燈的總量保持不變，對其位置進行相應調整，同時增加3盞鎢光投射燈。具體修改方案如下：

1) 調整機艙上層甲板熒光吊頂燈的位置，并在挖空區域周邊加裝 3個 PHILIPS QVF415 1×HAL-TDS500W WB（1×500W，光通量為9900lm）鎢光投射燈，安裝高度為5.8m，與上層甲板的高度相同，見圖5中的燈具I、燈具II和燈具III；

2) 調整變壓器兩側的燈具布置，見圖5中的燈具5和燈具6；

3) 調整機修間燈具的布置，使燈具的長軸與艙室的短邊平行，從而保證機修間光照分布更加均勻，見圖5中的燈具11和燈具15；

4) 在機艙上層樓梯處，使燈具更加靠近樓梯，并在通行區域多加1盞燈具，從而縮短燈具之間的距離，提高照明效果，見圖5中的燈具16、燈具17、燈具18和燈具19；

5) 將機艙下層部分燈具的布置方式改為水平布置，并微調大部分燈具的位置，見圖5中的燈具23、燈具24、燈具25、燈具27、燈具34、燈具35和燈具36。

圖5 燈具分布優化

對優化方案進行計算，得到機艙上層和下層計算平面照度分布分別見圖6和圖7。由圖6和圖7可知，計算平面平均照度滿足規范推薦值的要求，同時整個機艙的照明分布更加合理，艙室照度不均的問題得到很好的改善，燈光的利用率得到提高，整體上來說機艙的光環境良好，更有利于船員開展相關工作。

圖6 改進后機艙上層計算平面照度分布

圖7 改進后機艙下層計算平面照度分布

3.3 局部工作面照度計算

依據方案 2的照明系統優化結果，選取一些關鍵位置進行照度分析，檢驗該照明方案是否滿足局部照明的相關要求。

圖8 主機操作板照度分布

3.3.1 主機操作板

選取主機操作板，將操作板面設定為計算表面，其照度分布見圖8。由圖8可知，主機操作板平均照度為206lx，最小照度為194lx，滿足主機操作面平均照度大于100lx的要求。

3.3.2 通道區域

選取機艙上層和下層甲板為計算表面，其照度分布分別見圖9和圖10，其中陰影區域為通道，可見機艙通道區域光照強度均明顯大于30lx，滿足設計要求。

圖9 機艙上層甲板照度分布

圖10 機艙下層甲板照度分布

4 應急照明照度計算

在方案2的基礎上加入應急照明燈光場景（見圖11），機艙上層和下層各加5盞燈具，使用PHILIPS TPS682 2×TL5-39W HFP C8-VH（2×39W，光通量為6200lm，功率為84W）。參考建筑行業相關規范[6]，用于疏散照明的地面平均水平照度應大于1lx。

圖11 機艙應急照明分布

設置安全通道，寬度為0.8m。機艙上層和下層應急照明照度分布分別見圖12和圖13。機艙上層安全通道的平均照度為125lx，機艙下層安全通道的平均照度為123lx，撤離路線上絕大部分區域的照度都大于1lx，可滿足應急照明的需求。

圖12 機艙上層應急照明照度分布

圖13 機艙下層應急照明照度分布

5 結 語

本文基于人機工程學光環境仿真技術，以某船舶主機艙為研究對象，在DIALUX環境中建立了主機艙光環境計算模型，并進行了光環境模擬計算。根據初步照明方案分析了機艙在正常照明情況下的照度分布情況，在此基礎上優化燈具布置方案，使照度分布更加合理。同時，計算了局部照明和應急照明安全通道的光照強度，確保照度符合要求。計算結果表明，采用DIALUX軟件輔助照明系統設計可為前期設計人員提供更為科學的燈具設計和優化布置依據，減少后期現場燈具布置更改，提高船舶設計建造效率。