軍用方艙照明系統(tǒng)設計及應用

張 信，王銳鋒，王 聰

(中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041)

軍用方艙是裝載軍事設備和人員并提供所需要的工作條件和環(huán)境防護的由夾芯板組裝成型的可移動廂體[1]。作為野外執(zhí)行任務時的工作間，工作人員經(jīng)常需要在艙內連續(xù)長時間工作，良好的照明質量不僅可以提高工作人員的辨識能力，而且還可以緩解視覺疲勞，并提高工作效率[2]。因此，方艙照明系統(tǒng)設計是軍用方艙人機工程設計中的一個非常重要的環(huán)節(jié)。

方艙照明系統(tǒng)設計應體現(xiàn)安全、高效、舒適的人機功效原則，為工作人員提供最佳的視覺環(huán)境的同時，避免對工作人員產(chǎn)生視覺疲勞影響，并減少不必要的能源損耗。查閱分析國內外相關標準、文獻綜述等各類資料，其主要聚焦于各種不同功能型方艙設計和應用介紹，文獻主要涉及方艙內飾、結構強度、艙體電磁屏蔽等設計，缺少對方艙照明系統(tǒng)設計流程和控制原理的介紹，更無艙內照明質量定量分析和研究[3-7]。本文以某軍用方艙為例，詳細介紹艙內照明系統(tǒng)設計流程，并對艙內照明質量展開定量分析研究。從艙內適宜照度值指標出發(fā)，開展一般照明設計。針對軍用方艙特殊性，提出應急照明和防空照明解決方案，滿足供電故障時艙內應急照明和夜間防空照明需求。

1 一般照明設計

方艙照明系統(tǒng)由燈具、電源、面板開關、控制電路等組成。照明設計內容包含燈具選擇、燈具布局、照度計算、控制電路設計等環(huán)節(jié)。

1.1 確定艙內照度值

照度是指物體被照亮的程度，采用單位面積所接受的光通量來表示，單位為勒克斯(lx)[8]。國家標準GB 50034—2013《建筑照明設計標準》規(guī)定了居住、商業(yè)、辦公、旅館、學校、醫(yī)院和工業(yè)等7類建筑常用房間或者場所最大允許的照度標準值。其中，普通辦公室工作面照度應不低于300 lx，當照明要求不高時，照度值可降級選擇。

國家軍用標準GJB 219B—2005《軍用通信車通用規(guī)范》規(guī)定了通信車艙內照度標準值，其中操作位的光照度應不低于100 lx，各種儀表板和控制盒上的光照度應不低于30 lx。

1.2 燈具選擇

艙內照明可選擇的光源有白熾燈、日光燈和LED燈等。由于LED燈的光效高、壽命長、體積小、發(fā)熱量小、環(huán)境適應能力強等優(yōu)勢，在車載方艙照明中被廣泛應用。

目前，國內優(yōu)質的方艙照明燈生產(chǎn)制造商有海洋王照明科技股份有限公司、北京熙捷科技有限公司和深圳三維自動化工程有限公司等。本文以海洋王NFC9139型方艙燈為例展開設計。該燈具采用免維護LED固態(tài)光源，光效高，能耗低。采用雙重導光技術，光線柔和均勻，低矮場所使用舒適度更高。燈具和驅動采用一體化超薄設計，體積小，重量輕，方便安裝，抗震性好。

1.3 燈具布局

燈具數(shù)量選擇時應統(tǒng)籌考慮，艙內燈具數(shù)量不足，工作面照度不夠，容易產(chǎn)生視覺疲勞；燈具數(shù)量過多，則會造成電源等不必要的損耗。

方艙前部為人員操作區(qū)，設有2組顯控臺和1組機柜，上架安裝各種設備；后部為會議區(qū)，設有1張會議桌和左右2條長椅，桌面上設有隱藏式電源網(wǎng)絡接口盒。操作區(qū)內照明應保證工作人員操作計算機、識別設備面板液晶屏等工作，照度值不低于100 lx。會議區(qū)內照度值可適當加強，照度值不低于300 lx，滿足工作人員書寫閱讀需要。

結合艙內空間尺寸和NFC9139型方艙燈性能參數(shù)，參考以往方艙照明設計經(jīng)驗，艙內共布置6盞照明燈(其中1盞燈采用藍白一體雙色燈)。照明燈的控制開關安裝于工作艙門入口附近的艙壁上，人員進艙和出艙時均可方便操作。艙內燈具布局方案如圖1所示。

1.4 工作面照度計算

方艙內部空間平整方正，艙壁為金屬鋁板，反射系數(shù)較高，燈具型號單一且布局對稱規(guī)整，因此，通常采用“利用系數(shù)法”計算工作面平均照度。

方艙長度為l，寬度為w，高度為h，根據(jù)高度將方艙進行室內空間劃分，分為3個部分(見圖2)，燈具安裝高度為hc，燈具計算高度為hr，工作面高度為hf。可以用室空間比RCR和室形指數(shù)RI等來描述方艙的空間狀況[9]。

(1)

(2)

(3)

(4)

進一步簡化計算，可將艙頂空間和地面空間分別假設為一個具有有效反射比的平面ρc和ρf，光線在該平面上與實際平面擁有同樣的反射效果，艙頂和地面在該平面的反射比稱為有效空間反射比。

(5)

式中，Ao是計算平面面積；As是空間內所有表面的總面積；ρ是計算平面的平均反射比。

當一個或多個面內各個部分的實際反射比互不相同時，平均反射比計算式如下：

(6)

式中，Ai是第i塊表面的面積；ρi是該表面的實際反射比。

計算平均照度基本公式為：

(7)

式中，E是工作面平均照度，單位為lx；Φ是光源光通量，單位為lm；N是光源數(shù)量；U是利用系數(shù)；A是工作面面積，單位為m2；K是維護系數(shù)。

利用系數(shù)法計算工作面平均照度步驟如下[10]：1)根據(jù)方艙尺寸計算室空間比RCR、艙頂空間比CCR、地面空間比FCR；2)計算艙頂空間的有效反射比；3)計算艙壁的平均反射比；4)計算地面空間的有效反射比；5)對照利用系數(shù)表查出對應利用系數(shù)U；6)根據(jù)方艙環(huán)境確定照度維護系數(shù)K；7)代入照度公式7計算出工作面平均照度。

本設計方案，查詢燈具參數(shù)可知：燈具光通量Φ=1 200 lm，燈具數(shù)量N=6。對照利用系數(shù)表查表得：利用系數(shù)U=0.6，艙內長度為3.4 m，寬度為2.4 m，高度為1.9 m，燈具吸頂安裝，工作面高度為0.75 m，燈具維護系數(shù)K=0.65。計算可得工作面平均照度為344 lx，滿足平均照度不小于300 lx的指標要求，無需進行調整燈具數(shù)量和布局位置后的再次計算。

2 應急照明設計

傳統(tǒng)方艙，艙內所有照明燈的供電均從車載綜合電源的后端引接，只有當綜合電源開啟后，打開照明燈開關才能開啟照明。當綜合電源或整車供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，整車照明燈將無法啟動照明，黑暗環(huán)境下艙內人員無法開展應急維修作業(yè)。

為解決供電故障下艙內照明，本文開展應急照明設計。選擇艙門處1盞照明燈定義為應急照明燈，繞過整車供電系統(tǒng)給其增加1路備用供電來源，由車載蓄電池直接供電。車載蓄電池一般由2塊DC 12 V鉛酸蓄電池串聯(lián)組成，為車載設備提供直流24 V后備應急電源輸出。

艙內所有照明燈均采用LED照明方式，工作電壓為DC 24 V。正常模式下，應急照明燈和其他常規(guī)照明燈一樣，都由綜合電源供電。當整車供電系統(tǒng)故障艙內照明燈無法開啟時，打開應急照明控制開關，應急照明燈可由蓄電池直接獨立供電，為整車提供滿足維持工作所需的最低限度的應急照明。

3 防空照明設計

夜間，在防空條件下，艙門需要開啟時，為避免艙內光線外溢導致被敵人直接視覺識別，艙門打開前應立即關閉艙內照明燈。此時，防空照明應啟動工作，為方艙內部人員提供用于指示輪廓、標識出口或通道所需的最低限度的照明。

艙內共設置有6盞照明燈，其中1盞燈采用藍白一體雙色燈，配置2種驅動接口，同時具備正常白光照明和藍光防空照明2種功能。常規(guī)照明模式下，防空照明燈發(fā)出白光，為艙內人員提供正常照明；開啟防空照明模式后，防空照明燈發(fā)出藍光，為方艙內部人員提供最低限度的藍色照明，避免方艙暴露。防空照明燈如圖3所示。

在艙門邊框鉸鏈處安裝機械行程開關，對應艙門上固定L型撐桿，安裝布局和開關內部觸點分布如圖4所示。艙門開啟時，撐桿脫離行程開關，觸點a和d連通，藍光驅動通路，防空照明燈發(fā)出藍光；艙門關閉時，撐桿壓緊行程開關，觸點b和c連通，白光驅動通路，防空照明燈發(fā)出白光。

夜間方艙開啟防空照明模式后，當艙門打開時，行程開關觸點b和c斷開，白光驅動斷路，艙內所有照明燈立即熄滅，避免夜間艙門開啟后光線外溢導致方艙暴露。此時，行程開關觸點a和d連通，藍光驅動通路，防空照明燈發(fā)出藍光，為方艙內部人員提供用于指示輪廓、標識出口或通道所需的最低限度的照明。當艙門關閉后，機械行程開關觸點b和c連通，防空照明燈發(fā)出白光，串聯(lián)在此線路的艙內所有照明燈開啟照明，為艙內工作人員提供正常工作照明。

艙內窗戶內側設計有遮光簾，在有防空需求的情況下，可拉下窗戶的遮光簾，再配合防空照明燈使用，以起到防空效果。

4 控制電路設計

艙內設計2個開關面板，面板上按鈕開關旁標識功能名稱，方便操作人員辨識。開關背面接線端子編號如圖5所示。

開關面板1為照明模式選擇開關，開關閉合時為正常照明(默認狀態(tài))，開關打開時艙內切換為應急照明，背部并聯(lián)2組觸點，采用單開雙控模式統(tǒng)一控制。開關面板2為照明燈總開關和防空燈啟用開關，采用雙開雙控模式分別控制，開關閉合時艙內所有照明燈和防空燈都關閉(默認狀態(tài))。

開關面板均設置在進門位置周邊，方便人員上、下車時觸碰操作，艙內照明狀態(tài)與開關和艙門的操作關系見表1。表1中，“■”表示點亮狀態(tài)，“□”表示熄滅狀態(tài)；防空燈為藍白一體雙色燈，配置2套驅動，可分別發(fā)出白光和藍光。

表1 開關操作與照明狀態(tài)關系對應表

方艙照明系統(tǒng)控制電路原理如圖6所示。

5 應用分析

根據(jù)上述照明控制電路圖開展方艙板片布線、燈具吸頂安裝、開關固定等工程實施工作，完成方艙生產(chǎn)。采用專業(yè)照度儀進艙測量照度值。照度儀是用來測量光線強弱等級的專用設備，操作簡單，打開探頭保護蓋，打開電源開關，屏幕直接顯示測量處的照度值。

在艙內工作平面上等距離500 mm劃分網(wǎng)格，選取30個照度值測量點，點位布置如圖7所示。關閉艙門，拉下窗戶遮光簾，打開照明燈。將照度儀分別放置在工作面測量點位處，記錄該測量點位的照度值。每個點位測量3次，取平均值作為該點位處的最終照度值。測量過程如圖8所示。

統(tǒng)計分析工作面30個點位的測量值，結果表明，艙內工作面的最大照度為395 lx，最小照度為268 lx，平均照度值為330 lx，滿足艙內照明不小于300 lx的指標要求。

6 結語

從艙內適宜照度值出發(fā)，詳細介紹軍用方艙照明設計流程，依次開展燈具選型、布局設計、工作面照度值計算。提出應急照明和防空照明解決方案，滿足供電故障時艙內照明和夜間防空照明需求。開展軍用方艙照明開關和控制電路詳細設計，為同類方艙照明設計提供借鑒參考。最后，通過照度儀實地測量某軍用方艙內工作面照度值，測量結果與計算值基本吻合，進一步驗證了本設計方案的準確性。