LED燈具在船舶照明及智能照明系統中的優勢應用

陳 浩

（上海歐得利船舶工程有限公司，上海 200023）

關鍵字：LED；照明應用；智能照明系統

0 引言

隨著人們對于綠色環保、可持續發展理念的日益認同，以及技術的成熟和成本的下降，LED越來越成為照明領域的主流趨勢。2011年，國家發展改革委聯合商務部、海關總署等五部委發布的《中國逐步淘汰白熾燈路線圖》，2013年，工業和信息化部、科學技術部、環境保護部聯合公告的《中國逐步降低熒光燈含汞量路線圖》，都宣告了傳統照明方式的即將落幕。

同時，智能船舶成為了國際海事界的新熱點。2018年，工業和信息化部、交通運輸部、國防科工委聯合印發了《智能船舶發展行動計劃（2019—2021年）》的通知，為我國船舶工業高質量發展，支撐我國智能航運建設明確了目標、指明了方向[1]。

本文探討了LED在船舶典型艙室中的應用，以及將 LED優勢與智能船舶照明系統相結合一些應用前景。

1 LED燈具概述

LED為發光二極管（Light Emitting Diode，LED）的英語首字母縮寫。作為一種半導體材料，LED的核心是由P型與N型半導體組成的晶片，兩者之間的過渡層為PN結，具有單向導電性。當給LED施加正向電壓后，N區中的自由電子往P區移動，與P區內的空穴在 PN結附近相結合，電子和空穴消失的同時產生光子，從而發光，如圖1所示。

自1962年美國通用電氣公司首次將紅色LED商品化開始，經過近60年的發展革新，LED技術日趨成熟，用戶接受認可度日益提高，已經具備替代傳統照明的能力。

LED燈具的優勢：作為一種固態發光體，LED體積小、抗振性強、耐腐蝕性強、壽命長、發光效率高、安全性高、色溫豐富、亮度可控制、不含汞及其他有毒物質，是一種綠色環保的光源產品。傳統船用照明燈具多以白熾燈、熒光燈、高強度氣體放電燈（鈉燈、水銀燈、金屬鹵化燈）為主，在發光效率、壽命、色溫、顯色指數等方面各有不足。某品牌LED燈具與幾款傳統燈具的對比見表1。

圖1 典型LED結構

表1 LED燈具與傳統燈具對比

從表1可以看出，LED蓬頂燈的發光效率是熒光燈的1.6倍，是白熾燈的2.1倍，優勢十分明顯。

又由于LED照明光源屬于低壓微電子產品，融合了計算機技術、嵌入控制技術、網絡通信技術等，為船舶照明設備智能化控制的實現提供了豐富的可能性。

2 LED燈具在典型船舶艙室中的應用

2.1 色溫選擇與船員健康

遠洋船舶航線時間較長、壓力大，工作區域噪聲大、濕熱度高，船體振動和搖晃使船員長期處于顛簸和振蕩之中，加之長期在一種單調燈光下工作引起的視覺疲勞，這些都嚴重影響了船員的身心健康，導致船員情緒低落、易怒、冷漠、固執，容易引發酗酒等不良行為和增加罹患抑郁癥等疾病的風險。為了維護船員的健康，除了需要進行人為心理疏導干預之外，盡量為船員提供舒適的生活和工作環境也是可行方法之一。而照明燈具色溫的選擇運用對改善照明環境的作用不可忽視。

色溫是表示光源光色的尺度，是指光波在不同能量下人眼所能感受到的顏色變化，單位為K。

LED的色溫范圍較廣，2 000 K～9 000 K，如圖2所示。

圖2 色溫漸變圖

選擇合適的色溫能夠為船員營造更為舒適的照明環境，可以有效減少船員抑郁焦慮、易怒等負面心理。

1）工作機艙場所照明。工作時間，船員多數集中在駕駛室、集控室和機艙內，這些場所環境噪聲大，船員工作壓力大，選擇色溫在4 000 K～5 000 K之間的LED能夠給人一種明亮清爽感，有助于集中注意力，緩解疲勞感，提高工作效率。

2）休息娛樂場所照明。

（1）船員臥室。臥室是船員的私人休息區域，一般面積小、布置簡單，選用色溫在2 000 K～3 000 K之間的LED能夠營造出一種溫馨的氛圍，對于船員放松心情、消除壓力很有幫助。同時，也可在船員睡眠期間使用帶藍光LED的燈具，藍光LED能夠調節生物鐘，促進人體內褪黑素的分泌，提高睡眠質量。

（2）餐廳娛樂室。這里是屬于船員用餐、休憩的公共場所，照明環境應以安靜的暖色調為佳。LED色溫既不宜過高也不宜太低，3 000 K～3 500 K的色溫下，食物看上去更可口美味，可以激發船員食欲。

3）醫療保健場所照明。在海上航行時，船員經常處于高濕熱環境，也容易接觸油漆油氣，因此患上腳氣、濕疹、痤瘡類皮膚疾病的幾率較高。醫務室中若備一盞波長在415 mm左右的藍紫色LED燈，其能消滅殺死真菌，有助于縮短治療濕疹等皮膚病所需的時間。另外，波長在630 mm～800 mm之間的紅色LED燈有助于傷口的加速愈合，這對處在潮濕工作環境又難免會受傷的船員是極有用的。

2.2 節能與維護

LED作為一種半導體原件，光源本身發熱少，是屬于冷光源的一種，其中80%的電能可以轉化為可見光，對于船舶節能減排、節約經濟成本十分有用。

以某19 700 DWT成品油及二類化學品油船項目為例，LED燈具與傳統燈具節能情況對比如表2所示。

通過表2可知，原船若使用同一設備商的LED照明燈具替換傳統照明燈具，能節省功率約30.7 kW左右。

表2 LED燈具與傳統燈具節能對比

如果除去投光燈后，再算上臺燈、床頭燈、壁燈等的換裝，則能夠節省下的功率大約在21 kW左右，全船每年（以320 d計算）可節能約161 280 kW·h。以柴油發電機組單位耗油200 g/kW·h來計算，當前船用180 cST重油每噸4 730元人民幣，每千瓦燃油價格為0.95元，每年可節省15 3216元。

作為一種被封裝在透明環氧樹脂里的固態發光體，LED不易碎。把晶體固化到支架上的銀膠或白膠也不會受熱效應影響而熔斷揮發，故而整個燈體比較牢固，抗沖擊性和抗振性都很強。LED理論壽命可達100 000 h以上，光衰在20%以內。現在，燈具廠商們標稱的LED使用壽命也多在50 000 h以上，是熒光燈、白熾燈等傳統照明燈具的5倍以上。采用LED之后，在船舶約25年的運營使用周期之內，燈具整體更換率將大大減少，燈具維護成本的降低也變相地減少了船員的工作量。

3 LED燈具與智能照明系統

相比傳統燈具，LED燈具作為一種低壓微電子產品的特性在應用于智能化照明系統時才更能現出其價值。

智能照明是指利用計算機技術、無線通信數據傳輸、擴頻電力載波通信技術等技術組成的分布式遙測、遙控系統，進而實現照明設備的智能化控制。智能照明系統具有燈光亮度的強弱調節、燈光定時啟動、熄滅控制、場景設置等功能，主要由硬件系統、軟件系統及通信系統3大部分組成[2]。

硬件主要由2大部分組成（圖3）：1）PC總控制站及顯示單元；2）就地控制單元，包括電源單元、輸入單元（光照度傳感器、紅熱外人體傳感器（Passive Infra-Red，PIR）、語音采集/感應模塊等）、輸出單元（開關模塊、調光模塊、調色模塊、場景定時模塊等）、LED燈體、就地開關（控制面板）等，這些配件的組合能帶來更為豐富的照明應用方案和更加高效節能、健康環保的照明體驗。

智能照明系統控制終端通過網關將分布在各處的照明分控電箱（就地控制單元）連接起來，由控制終端的軟件系統將各就地控制單元采集傳輸來的各類信息按預先設計的程序經過匯總處理后輸出到顯示單元，再通過圖形化操作界面展示在管理人員面前，便于實時監控操作，若監測到燈具損壞，可第一時間通知船員進行維護更換。

控制終端的軟件系統也可以裝在手機、平板電腦等移動設備上，便于管理人員在非駕控室位置通過船內無線網絡對照明系統進行管理。

一般船用PIR傳感器可覆蓋半徑約6 m、高約3 m的空間，可手動調節傳感器感應程度、通電時間[3]，適合布置在上層建筑內走道、梯道、公廁等公共處所。感測人員的進出控制燈具的開關。LED可以工作在高速狀態下，不會因為頻繁的啟動或關斷便如同傳統燈具一樣容易發黑、損壞。

光照度傳感器可以布置在駕駛室等帶有較大窗戶的艙室，其可將監測的照度數據發送給控制單元，而控制單元就可依據室內的實際情況對室內 LED燈具的開、關狀態以及亮度進行調節，隨時補充照明。

在船員居住、休閑娛樂艙室中完全可依據LED燈具的性能特點將多種照明方案綜合使用。可以通過 LED采用智能調光技術可以使照明效果隨音樂的變化而變化，營造特殊的照明效果[4]；可以根據作息時間及人體每天的激素分泌周期，實現從冷色光到暖色光的周期變化（前提是安裝了可變色的LED燈具）。

將來，隨著人工智能技術和語音圖像識別技術的發展，LED智能照明系統或許能夠實現完全語音操控、手勢操控。

圖3 智能照明系統拓撲圖

4 結論

LED燈具以其優越于傳統照明燈具的特性，即將成為船舶照明領域的下一代主流產品。由于目前LED燈具的價格略高于傳統燈具，其在船舶領域的應用還不夠廣泛。不過隨著LED技術的進步和越來越多燈具廠商的加入，其成本會進一步降低。結合船舶智能化與照明系統智能化的發展所趨，未來的船舶照明市場必定屬于LED。