船舶照明系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

張源深，黃 歡

（1. 海裝沈陽局駐大連地區(qū)第一軍事代表室，遼寧大連 116001；2. 上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

船舶具有航行時間長，內部空間受限，周圍環(huán)境單調等特點。船員長期處于這樣狹小、封閉的環(huán)境中，會對生理和心理造成一定的影響。傳統(tǒng)固定照度、固定色溫的照明模式已經(jīng)不再適用現(xiàn)代船舶的需求。隨著照明系統(tǒng)的發(fā)展，各使用方對船舶照明系統(tǒng)不斷提出新的要求：從光環(huán)境的概念，到遠程智能控制、操縱照明一體化，再到健康與智能照明的概念，可見使用方對船舶照明系統(tǒng)的需求更趨于智能化、系統(tǒng)化，更加關注照明對人體生理和心理健康的影響。這些需求由上而下推動了照明系統(tǒng)的總體設計，形成需求和技術進步的良性循環(huán)。

1 光源的發(fā)展趨勢

光源的發(fā)展經(jīng)歷了自然光、人工光，到全光譜LED光的過程，如圖1所示。在人造光源出現(xiàn)之前，太陽光是唯一光源。先祖?zhèn)內粘龆魅章涠ⅲ柟獠粌H是地球的照明和能量來源，而且對人類的生物學、心理、人體產(chǎn)生影響。

傳統(tǒng)的船舶照明光源主要有白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈和高壓汞燈。總體來說傳統(tǒng)光源有以下幾個缺點：光源壽命短，有些燈罩內含有毒素，玻璃罩殼易碎；有些會輻射紫外線、紅外線及靜電，有些光源溫度還比較高，對船員的身心健康會造成一定的影響；而且傳統(tǒng)光源色溫不調節(jié)，容易引起視覺疲勞。雖然熒光燈能夠避免紫外線和紅外線對人體的影響，但由于熒光粉的余輝作用和人眼有滯留特性，其閃爍特性也能傷害著船員的眼睛和視覺神經(jīng)。

圖1 光源的發(fā)展

新型光源LED 的出現(xiàn)，加速了照明產(chǎn)品的發(fā)展。 因其更加節(jié)能、可靠性高、壽命長、抗震能力強等優(yōu)點，已經(jīng)普遍取代傳統(tǒng)光源[1]。又因其光電特性，為燈具的調光調色創(chuàng)造了可能，對人們個性化的需求創(chuàng)造條件。

對于船舶類特殊應用場景，除考慮到照明產(chǎn)品的可靠性、安全性外，還應滿足船員的心理和生理需求。普通LED 光譜如圖2 所示，其中藍光波段范圍相對較大。過量的藍光以及照明燈具的不當使用會造成視覺損傷。藍色光線會抑制褪黑素的分泌，可能會導致失眠[2]。全光譜LED 光源光譜圖如圖3所示。它不但降低了藍光光譜的能量而且能補全缺少的短波紫光、青光、短波綠光、長波紅光光譜。這增強了光譜的連續(xù)性、完整性，使得色域更廣泛，與太陽光光譜更加接近。對于在船舶工作環(huán)境的人員來說，很少獲得太陽光的照射，而全光譜的意義就在于模擬太陽光譜，提供舒適的照明環(huán)境，體現(xiàn)了“人本照明”的新理念。

圖2 普通LED 光源光譜圖

圖3 全光譜LED 光源光譜圖

2 燈具的發(fā)展趨勢

照明燈具從獨立于艙室內裝產(chǎn)品，逐步趨于艙室一體化設計。過去只注重產(chǎn)品功用，而現(xiàn)在更關注美觀性、和周圍環(huán)境的融合性以及與人員的聯(lián)動性。

起初燈具直接安裝于艙室頂部，形成高亮度發(fā)光面，如圖4 所示。船舶內部空間緊湊，導致艙室高度普遍偏低，使光線容易照射入船員的視線中。為了追求照射面的高亮度，燈具的功率普遍偏大，加劇了眩光感。為了消除人眼的不舒適性，達到見光不見燈的效果，已經(jīng)有一些艙室采用內嵌式側發(fā)光燈具，如圖5 所示，可以給船員提供更舒適的照明環(huán)境。作為船舶照明，不僅僅局限于提供生理的舒適性，也體現(xiàn)在心理的安慰上。比如圖6 所示的智能天窗-室內陽光模擬系統(tǒng)。此類產(chǎn)品能夠模擬陽光通過天窗照入室內的照明場景，擁有逼真的藍天白云和明亮陽光，并能模擬日升日落的光色變化。這有助于調節(jié)人體生物鐘，強調人與自然的聯(lián)系。同時可以提升工作效率，緩解工作中帶來的壓力及疲勞感。此類燈具的開發(fā)將為船舶照明帶來新的亮點。

3 控制方式的發(fā)展趨勢

圖4 頂裝燈具

圖5 內嵌式側發(fā)光燈具

圖6 室內陽光模擬系統(tǒng)

圖7 人體的溫度、皮質醇、褪黑素變化節(jié)律圖

LED 照明光源的普遍應用使智能照明發(fā)展迅速。它以信息技術應用為主線，并與其他資源要素優(yōu)化配置共同發(fā)生作用，實現(xiàn)最優(yōu)化的照明效果。智能照明能夠自主捕獲需求、進行邏輯判斷、輸出照明效果，實現(xiàn)節(jié)能、舒適等要求。另外，智能照 明對光源的仿自然光能力也比較突出，通過不同光色的配比，實現(xiàn)較高的顯色指數(shù)和太陽光譜擬合度。通過時鐘的自動指令，模擬早中晚的晨昏變化。通過燈具位置信息，可模擬當?shù)鼐暥鹊娜照諒姸取Ｍㄟ^場景的手動指令，模擬晴天、多云、陰雨等多種自然氣候。

隨著人們對生物鐘系統(tǒng)的深入認識，發(fā)現(xiàn)人類經(jīng)過長時間的進化，體溫、皮質醇、褪黑素會隨時鐘有規(guī)律地改變，稱為生物節(jié)律，如圖7 所示。國際照明委員會在文獻[3]這一報告中提出，人們正逐漸把關注重點從可見性照明轉移至具有更廣泛意義的照明品質上，包括人體需求、結構整合和經(jīng)濟約束（包括耗能），如圖8 所示。其中，人體需求包括保持良好健康狀態(tài)的照明系統(tǒng)，以及可見性、任務效能、人際溝通和美學欣賞方面的照明系統(tǒng)。此報告詳細介紹了關于照明對于人類生理、情緒和行為所產(chǎn)生影響。此報告的研究引導了照明市場的發(fā)展方向。

仿真照明系統(tǒng)的意義在于調節(jié)人體內的生物鐘系統(tǒng)，影響人體的生理節(jié)律，緩解因長期得不到日光的照射而產(chǎn)生的不舒適感。通過對照表1，在不同時間段設置對應的色溫、照度和顯色指數(shù)，可以實現(xiàn)仿真照明。智能照明系統(tǒng)除仿自然光外，還可 以制定自定義模式、預設場景模式等，滿足不同艙室及場景需求。

圖8 照明品質[3]

表1 仿真照明參數(shù)表

人們不僅關注到照明對健康的影響，更關注到燈具作為一個廣泛存在的載體，可以被賦予更豐富的作用。將多個獨立的燈具個體組成一個集中控制的網(wǎng)絡，并通過個性化的定制，選擇不同的智能模塊集成，可以實現(xiàn)監(jiān)測、報警、通信等功能。當LED燈具為滿足高性能調光要求而配置總線邏輯控制模塊后，燈具就可實現(xiàn)軟件程序調光功能。監(jiān)測類的信號借助LED 照明燈具為平臺，通過總線反饋數(shù)據(jù)，進行燈具智能調光調色；當船舶各區(qū)安裝環(huán)境參數(shù)傳感器時，船舶各區(qū)的溫度、濕度、氣壓視頻音頻等信號搜集就可顯示至照明主控板，整體將形成船舶大環(huán)境綜合顯控系統(tǒng)，便于集中化監(jiān)控管理；當利用總線式照明系統(tǒng)接入火警探元件，一旦發(fā)生火情，主控面板便可產(chǎn)生聲光報警提示；照明系統(tǒng)不僅可以集成各種傳感裝置，可見光還可實現(xiàn)無線通信，即利用電信號控制發(fā)光二極管（LED）發(fā)出的肉眼看不到的高速閃爍信號來傳輸信息；可見光定位技術可以極好地輔助指揮人員實時獲取各人員位置信息。當處于作戰(zhàn)狀態(tài)時，指揮官可以不受嘈雜和惡劣的環(huán)境的影響，宏觀清晰地調配人員，提高指揮效率，增強戰(zhàn)斗力。照明系統(tǒng)的網(wǎng)絡化具備更智能的人機互聯(lián)特性，符合當今船舶的發(fā)展趨勢。

此外，安全性、可靠性、低成本始終是船舶用照明系統(tǒng)重要的評價指標。

4 結論

本文通過對光源、燈具和控制方式的發(fā)展趨勢的分析，總結出船舶照明系統(tǒng)正向著人性化、智能化、網(wǎng)絡化的方向發(fā)展。其中，照明與人體健康、人機交互越來越受到人們的專注。當燈具與其他智能模塊集成后，可以實現(xiàn)照明系統(tǒng)的網(wǎng)絡化，使其具備監(jiān)測、報警和通信的功能，符合船舶照明系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。本文可以為船舶的照明設計提供參考。