船舶人因照明系統設計

劉 淵 夏 駿 傅曉紅 周祎隆

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

0 引 言

2013年8月20日《2006年海事勞工公約》執行生效，公約規定每名海員均有權獲得體面的船上工作和生活條件。由于船舶航行時間長，船上環境嚴苛，船員的生活工作環境急需改善。船舶照明系統覆蓋全船，對船員的生理以及心理都有著重要的影響，是改善船員生活工作環境的重要切入點。

近年來，船舶照明設計得到越來越多的關注。王國權列述了不同艙室所需要的照度水平，提供了船舶艙室照度設計參考值。蘇士斌等引入DIALux照度計算工具，有助于優化照明布置、提高照度計算精度。李震等提出了一種基于區域面積權重分配的艦船艙室照明設計方法，以艙室內區域平均照度標準為基礎，計算得到艙室整體照明光通量，不同功能區域面積對應不同權重因子，將室內總需光通量按權重分配，該方法有助于室內照明局部優化。王靜綺等提出了一種照明設計仿真系統并初步投入使用，能有效增加照明設計效率。文獻[7-9]指出LED照明在船舶照明系統中具有節能、穩定和環保等優勢，促進了LED照明在船舶照明系統中的推廣應用。

然而，當前雖有不少文獻可以指導設計滿足普通需求的船舶照明系統，卻鮮有文獻對不同艙室的照明需求進行分析并提出滿足船上人員工作生活時身心需求的人性化船舶照明設計。

1 理論基礎

人類視網膜上第3種感光細胞——神經結細胞，可以根據進入人眼的可見光產生生物性反應，控制人體的生理節律、體溫、心率以及皮質醇和褪黑激素的分泌等，對人體的身心狀態產生影響，這種效應簡稱光生物效應。皮質醇是應激激素，可以提高血糖濃度，給人體提供能量，控制人的警覺性；褪黑激素可以控制人的睡眠。研究顯示，1 000 lx以內，照度越高，光照促進人體皮質醇的分泌、抑制褪黑激素產生的能力越強，越能提高人的警覺性與注意力。基于現有的光生物效應研究理論，可以針對不同船舶艙室的工作生活保障指標設計照明方案，調節人體的生理狀態，提升環境舒適度。

照明的主要屬性包括照度、色溫和顯色指數。照度是指每單位面積所接受到的光通量，用于描述光照面的明暗；色溫用于描述光色冷暖；顯色指數是待測光源還原物體本來顏色的能力。傳統船舶室內照明燈具以白熾燈及熒光燈為主，照明效果及控制方法單一。近年來，LED照明燈具在船舶照明系統中逐步得到推廣使用。表1對比了LED照明燈具與熒光燈特性。

表1 LED與熒光燈特性對比分析表

由表1可知，LED照明燈具相對于熒光燈而言，有多方面的優勢：LED照明燈具的光譜幾乎全部集中在可見光區域，照明效率高達80%～90%，單體LED功率通常為0.5～1 W，光效為70～130 lm/W，能以較低的能耗提供同樣的照度水平；LED光源有暖白、白色和藍白等多種可選色溫，可以根據要求設定所需要的色溫；LED燈的響應時間為納秒級，可以通過控制電路靈活地控制光源參數，實現數字化控制。

基于LED的上述特性以及光生物效應，船舶照明設計可以通過控制LED燈具的照度、色溫以及顯色指數等參數來實現不同艙室的不同照明需求。

2 人性化照明設計方法

現階段主要船型有集裝箱船、油船、散貨船、LNG船、客滾船、軍艦、科考船及豪華游輪等，本文所提出的設計方法對所有類型的船舶均適用，尤其適用于科考船和豪華游輪等對船上環境要求較高的船型。

船舶照明系統包含正常照明、應急照明以及臨時應急照明系統。正常照明系統為船舶照明的主要部分，由主發電機經主配電板供電；應急照明在正常工況下由主發電機經應急配電板供電，在應急工況下由應急發電機經應急配電板供電；臨時應急照明由直流24 V電源供電。正常工況下，正常照明與應急照明同時提供照明功能，臨時照明不工作。本文所提出的船舶室內照明設計方法基于正常工況，因此只考慮正常照明與應急照明同時工作的情況，并且下文設計時只討論整體照明效果，不分正常以及應急兩個系統討論。

船舶內部少有自然光照明。出于水密性的要求，主船體只能設置采光面積有限且數量較少的舷窗，即使是白天，艙內依然偏暗，需要燈光照明。上層建筑采光窗同樣較小，導致采光量少，而沒有面向外部空間壁面的中部艙室，自然光照更是無法獲得。因此，船舶照明設計主要考慮燈具本身的光照，本文將忽略自然光照的影響展開研究。

本文所提出的照明設計方法旨在滿足船上人員在不同艙室的工作和生活的需要，幫助船上人員更好地工作和休息，設計步驟包括燈點數量選擇、照明燈點布置、DIALux軟件驗證、色溫選擇、顯色指數設定以及控制方式選擇。

2.1 燈點數量選擇

基于現有的研究成果，對于船上人員警覺度專注度要求越高的艙室，選用越高的照度；例如會議室、閱覽室等艙室需要人員能夠保持較高的專注度，則需設計較高的照度。當存在部分艙室在不同時間需要不同的照度時，可以選用調光開光，或者選擇增加燈點，選擇分時點亮，在不同時間設定不同的照度值。例如住艙，睡前要求照度較低，有助于睡眠，早晨要求較高照度，有利于喚醒艙室人員。

常用照度設計計算方法有利用系數法、比功率法和逐點法，此處選用比功率法，根據所需照度值確定所需燈具總功率，從而得到燈點數。比功率計算方法如式（1）所示：

式中：為所需燈具總功率，W；W為單位面積所需功率（比功率值），W/m；為艙室面積，m。

對于LED燈，當所需照度為×100 lx時，選用W≥×4 W/m，為正整數，從而可以求得總功率，繼而算得所需的最少燈點數。

2.2 照明燈點布置

由于船舶艙室種類多樣且形狀多不規則，本文結合船艙工作、生活條件的照明保障指標以及艙室形狀對燈具進行分類布置。視野內的亮度對比過強而讓人產生的不舒適感（或者使觀看對象的可見度降低）即為眩光，會嚴重影響視覺感受，引起視覺不適、眼疲勞、頭痛和偏頭痛等癥狀。控制眩光需要合理的照度水平和適當的亮度分布，黃海靜提出控制室內最大照度與最小照度對比值不超過5∶1，能有效控制眩光。為盡可能保證照明的均勻與美觀，本文選用“局部照明布置”以及“均勻照明布置”兩種布置方式，以實現合理的照度水平以及適當的亮度分布。

根據艙室特點，本文將船舶艙室分為三類：有人員集中區的艙室為一類艙室；無人員集中區以及不規則形狀的非機器設備間為二類艙室；機器設備間為三類艙室。一類艙室有內裝板，燈具不易受損，采用蓬頂燈嵌入式安裝，并采用蓬頂燈局部布置結合均勻布置方式；二類艙室同樣有內裝板，但無人員集中區或者形狀不規則，選用蓬頂燈均勻布置；三類艙室無內裝板，且有大量機器設備，燈具易受損，為考慮安全性，選用艙頂燈均勻布置。詳細艙室布置方案參見表2。

表2 艙室照明燈點布置選擇

2.3 DIALux軟件驗證

通過DIALux軟件對設計艙室進行建模，驗證照度是否符合要求，若不符合則增加或減少燈點，直到離所需照度要求最接近；同時查看艙室內最大照度與最小照度對比值不超過5∶1，若存在最大照度與最小照度對比值超過5∶1的情況，則調整燈點位置直至滿足要求。

2.4 色溫選擇

色溫是影響人體正性情緒和認知能力的主效應。黃海靜研究表明：相對于低色溫光源下，在中高色溫光源下，人體瞳孔變化小，注意力集中。因此，可以根據艙室功能對人員注意力集中性的需求選擇光源色溫。LED光源常用色溫為3 000～6 500 K，對于注意力集中要求高的艙室，可以選擇5 000～6 500 K的色溫，對注意力集中性要求一般的艙室，可以選擇4 000～5 000 K的色溫，需要放松環境的艙室，可以選擇3 000～4 000 K的色溫。

2.5 顯色指數設定

對于一般艙室，顯色指數一般要求＞80；對于實驗室等對真實色彩還原能力要求較高的場所，顯色指數設定為90。目前，LED燈具顯色指數通常在80～90，可以滿足船上不同艙室的顯色指數需求。

2.6 控制方式選擇

在布置好燈點后，根據艙室內設備使用情況選擇燈具控制方式，進行系統圖設計。對于需要局部照明處所的照明回路，進行單獨控制。例如會議室投影處燈光需要單獨控制，在投影時，可以將投影區域燈點關閉，色溫根據低照度要求時選擇。

下頁圖1為本設計方法的流程圖。

圖1 設計流程圖

3 設計實例

本文以某科考船為例，說明本設計的可行性。首先根據艙室工作生活保障指標選擇全船照度，結果如表3所示。

表3 艙室照度選擇

3.1 一類艙室案例

選取該船會議室為例說明。該會議室照度要求＞200 lx，面積為31.26 m，該艙室局部照明燈具類型選擇200 W面板蓬頂燈，負責人員集中區（會議桌）照明。為使照明均勻，在過道增加8 W筒燈，則至少需要（31.26×8-200）/8≈6盞筒燈。

燈點數確定后，此處根據艙室形狀，選用14盞筒燈。將燈點按要求布置在艙室內。在DIALux中，對艙室進行建模計算，會議室3D模型如圖2所示，等照度線如下頁圖3所示。平均照度值為350 lx，工作面照度值大于300 lx，滿足設計要求。

圖2 會議室3D模型

圖3 會議室點照度圖

會議室對人員注意力集中性要求高，色溫選擇5 000 K，顯色指數要求＞90；由于只有一扇門，控制方式只需選擇單聯開關。

3.2 二類艙室案例

選取該船某一高級船員套間為例說明。該套間休息室所需照度為100 lx，面積為15.75 m；臥室照度睡前要求為50 lx，早起照度要求為100 lx，面積為6.44 m。該艙室燈具類型選擇8 W筒燈，則休息室需要15.75×4/8≈8盞筒燈，臥室睡前需要6.44×2/8≈2盞筒燈，早起時需要4盞。

燈點數確定后，將燈點均勻分布于艙室內。在DIALux中，對艙室進行建模計算，此處臥室按睡前要求設計，艙室3D模型如下頁圖4所示，等照度線如圖5所示。休息室平均照度值為102 lx，臥室平均照度值為68 lx。照度值滿足設計要求。

圖4 高級船員套間3D模型

圖5 高級船員套間點照度圖

此套間色溫選擇3 500 K，顯色指數要求＞80，控制采用各單間雙聯雙控開關控制，設兩處開關，方便操作。至此，完成該艙室照明設計。

4 結 語

本文以改善船上人員工作及生活條件為出發點，基于已有的光生物效應理論，提出了一種人因船舶照明設計方法，對艙室照度、燈具布置、色溫以及顯色指數進行設定，探討了照明控制方式，并給出了詳細的設計步驟；而后，以實船項目為例，選取兩個典型的房間，介紹了該設計方法的實際應用。本文所提出的照明設計方法，為船舶照明設計提出了新的設計思路，能顯著改善船上人員的工作及生活環境。