DALI調光技術在郵輪項目中的應用

陶志超，宮 繼，藍天

應用研究

DALI調光技術在郵輪項目中的應用

陶志超，宮 繼，藍天

（中船郵輪科技發展有限公司 研究開發部，上海 200137）

為了使郵輪照明系統不斷適應市場發展的需求，本文分析了常規的船用燈光控制技術在當前郵輪項目中存在的局限性，提出了一種DALI調光技術在郵輪公共區域的應用方案，通過對其技術原理和工程應用的研究和分析, 論證了該方案在郵輪項目中的技術優勢及工程適用性，為郵輪照明技術的發展提供了一種新的可行性解決方案。

DALI調光 網絡擴展 郵輪

0 引言

隨著LED燈具在船舶市場的普遍應用以及調光技術的日趨成熟，可調光LED照明系統在郵輪項目中的需求也在逐步擴大。為滿足乘客在公區娛樂場所的感官體驗，一些大型郵輪在所有公區和娛樂場所全部采用可調光LED照明，但是當前大部分郵輪項目中采用的調光技術仍是常規的切相調光（TRAIC dimmer ）和0～10 V調光。而它們的主要缺點也很明顯：切相調光的大量應用會導致LED照明供電線路諧波含量偏高，在影響電網電能質量的同時還會對空間產生電磁輻射干擾；0～10 V調光信號則極易受到相鄰電力線路干擾，若大量0～10 V信號電纜獨立敷設又會極大增加現場施工成本。此外，這兩種調光技術都無法實現LED光源的色溫和色彩變化，這些因素直接導致公區調光照明無法適應郵輪市場的進一步發展，因此本文將研究一種數字調光技術的應用來解決上述各類問題，為郵輪公區調光照明提供一種新的解決方案，具體的研究內容如下：

1）分析常規調光照明在郵輪項目中的局限性；

2）引入DALI調光技術并描述其技術原理；

3）分析DALI調光在郵輪項目中的應用優勢；

4）分析DALI調光在郵輪項目上實施的適用性。

1 船舶常規調光照明的局限性分析

考慮經濟成本和技術成熟度，目前船舶調光照明通常采用的技術一般有兩種，分別為切相調光和0～10 V調光，但它們各自存在一些局限性，下面將詳細分析。

1.1 切相調光技術的局限性

切相調光設備由于其不需要額外的調光信號電纜，僅僅通過供電電纜中電力正弦波前沿或后沿的切相信號即可在供電的同時傳輸調光信號，且切相調光設備的成本較低，因此在一些舊船改造項目和經濟型貨船項目中還有所應用。圖1是切相調光的基本原理圖，AC220 V電源經過切相調光模塊（TRIAC Dimmer）后，電壓波形將按不同的相位調控角度形成不同的切相波形，這個經切相后的非完整正弦電力波形經過電力電纜傳導至LED燈具的驅動電路，驅動電路完成相角檢測后解析出調光比例信號，最后完成LED調光。

圖1 切相調光原理圖

而在這個調光過程中，LED照明回路因切相調光的斬波過程而形成不規則的尖峰電流，該電流經傅里葉變換后可以分解出多次諧波[1]。在大型郵輪項目中，若公區數以千計的調光照明支路同時工作，大量的諧波在電網疊加將明顯影響船舶電網的電能質量，而且這些照明饋電線路在傳輸這些諧波的過程中會輻射一定強度的信號干擾源，對公區的無線網絡通訊將極為不利。

1.2 （0～10 V）調光技術的局限性

與切相調光技術不同，0～10 V調光技術是采用獨立的控制信號對LED驅動設備進行調光控制，避免了供電線路切相調制帶來的諧波影響，但是0～10 V電壓型模擬信號極易受到強電傳輸線路的影響，尤其在郵輪復雜的布線環境中，照明供電和調光信號不僅需要彼此獨立的電纜傳輸，還需要區分電纜敷設路徑，具體原因如圖2所示。

按照船舶電纜傳統敷設工藝，照明相關線路將會和其他強電線路一起敷設在同一個電纜托架中，而一些大型電子設備和電機類負載的供電線路在啟動或工作過程中會產生畸變或突變電流。這類電流產生的電磁感應在距離較長的主干線路中沿途疊加后會形成明顯的磁通突變量，而磁通的突變會讓處于其電磁干擾范圍內的信號傳輸導線在此期間形成顯著的共模感生電動勢。該感生電動勢沿途疊加于0～10 V電壓型調光控制信后，會導致電壓信號瞬時變化，甚至高于上限10 V或低于下限0 V，這將導致調光照明線路會短時失靈，照明區域會出現突亮、突暗或閃爍，較大地影響乘客體驗。

圖2 照明調光信號干擾成因示意圖

因此采用0～10 V調光技術時需要額外的電纜和敷設路徑用于0～10 V電壓信號的傳輸，而這對于調光照明線路總長動輒數萬米的大型郵輪項目將是龐大的成本和工時消耗，不適合廣泛使用。

傳統的切相調光技術和0～10 V調光技術除了上述的局限性外，還因它們本質屬于模擬信號調光技術而具有共同的功能缺陷，即無法通過數字網絡實現集成化遠程控制且無法通過程序控制實現LED光源的色溫和色彩變化，只能使用就地調光裝置設定LED照明的出光亮度。這于郵輪高端化和集成化的發展趨勢是相悖的，因此一種更為適用的調光技術亟待引入。

2 DALI調光技術的引入及其原理說明

本文引入的DALI調光技術是一種典型的數字調光技術，它的全稱是Digital Addressable Lighting Interface，它是一種全球統一開放的照明控制協議，其最大特點是采用曼徹斯特通信編碼方式和柔性漸變的程序調光邏輯。結合CIE標準色坐標混光算法，標準的DALI調光設備可以實現LED光源色溫、亮度以及色彩的準確控制和柔性變化；結合數字尋址技術和網絡通信技術，DALI調光技術可以對LED照明設備進行大范圍地分組/分場景個性化調光。

2.1 DALI調光的技術原理

如下圖3所示， DALI調光技術的基本原理是DALI類型的LED調光驅動接收DALI總線上傳輸的數字調光指令，該驅動內部的邏輯控制模塊MCU按程序預設的光學色坐標（如圖4所示）混光邏輯將色彩或色溫的調光指令轉化為控制三原色（紅、綠、藍）出光比例（x, y, z）的具體PWM信號，利用不同占空比的PWM信號控制燈具內部不同LED光源模組（X，Y，Z）的工作電流。由于工作電流決定LED出光亮度，因此LED燈具將在DALI驅動的邏輯算法控制下實現精確混光，最終完成數字指令調光的目的[2]。

圖3 DALI調光基本原理框圖

圖4 （紅、綠、藍）光學三原色的CIE色坐標

2.2 DALI調光的通信原理

DALI調光技術的通信本質是數字式可尋址總線通信，其基本架構如圖5所示，一條DALI總線可容納64個LED調光驅動和就地調光控制器，DALI總線通過主控單元（Master）的網口與上位機PC相連，可程序預設16個燈組和16個照明場景[3]。此外多個DALI主控單元可通過網絡路由器組網，強大的網絡擴展功能可以實現一個上位機PC對多個照明區域集中調光設置和管理，十分適用于郵輪繁雜的公區照明調光管理。

圖5 DALI調光系統基本架構示意圖

DALI調光總線通信采用的是曼徹斯特編碼方式，如圖6所示，其信號抗干擾能力大幅提高，在靠近220 V供電線路時調光控制信號的傳輸幾乎不受影響，十分適合船舶復雜的電纜敷設環境。

圖6 DALI總線曼徹斯特通信編碼示意圖

3 DALI調光在郵輪項目中的應用優勢

3.1 DALI調光在郵輪項目中的功能優勢

由于大型郵輪內部功能區域種類繁多，各個區域的環境照明都需要獨立不同的調光設置，若沿用傳統的就地控制管理模式則十分繁瑣。而作為數字調光的典型代表，DALI調光具有良好的尋址控制和網絡擴展能力，讓網絡集成化調光控制成為可能。如果郵輪照明調光采用網絡集成化控制的新模式，則會大幅增強系統功能、提高工作效率并降低運營成本。下文將詳細介紹這種調光技術在郵輪項目中的應用方案及其功能優勢。

3.1.1 DALI調光網絡單元的組成及其功能優勢

基于數字通信技術的DALI調光設備，除最末端的DALI調光驅動（LED driver）外還包含很多標準成熟的DALI通信轉換模塊或網絡擴展模塊，這些DALI調光設備的綜合應用可以使多個組別的調光線路進行網絡集成化控制。在本次方案中，就地調光機柜作為DALI調光網絡的基礎單元，如圖7所示（僅顯示控制網絡），其內部配置了主控網絡模塊和路由器設備，主控網絡模塊將末端DALI總線通信轉化為網絡TCP/IP通信后與上游路由器的LAN口進行網絡交互通信，然后路由器設備的WAN口與上位機PC連接或者與其他配置相同的就地調光機柜進行網絡連接，如此，DALI調光系統具備了良好的網絡擴展能力。

圖7 DALI調光網絡基礎單元架構圖

不同于只能就地調節亮度的切相調光技術和0～10 V調光技術，這種具有網絡擴展特性的DALI調光網絡基礎單元可以通過上位機PC實現遠程調光控制和程序設定，結合網絡通信IP尋址控制技術，在上位機客戶端軟件中，可以為調光機柜（網絡基礎單元）所覆蓋區域的每一條DALI調光線路設置各種不同色溫、色彩和亮度的照明場景以及它們的自動觸發時序，調光功能全面且易于操作，對于調光照明效果的更新升級提供了一個優質的平臺。

3.1.2 DALI調光全船網絡化方案及其功能優勢

在大型郵輪項目中，數量眾多的公區分布在全船不同的甲板和主豎區（MVZ1～n），每一個公區具有不同的娛樂功能，為了分類調光管理，不同的公區將設置獨立的就地調光機柜來實現該區域調光照明不同風格的設定。如上文所述，作為調光網絡基礎單元的就地調光柜可以通過DALI主控網絡模塊（master）執行各個照明末端支路的DALI總線調光，而就地調光機柜的網絡接口配置使其具有優秀的網絡擴展能力。本次方案為了實現整船調光線路的遠程集中管理，采用就地調光機柜網絡互聯的方式形成一個完整的調光控制網絡。如圖8所示，就地調光機柜（dimmer rack）內多個主控網絡模塊（Master）作為最末端網絡用戶與上游網絡路由器（Router）呈星型連接，而每個就地調光柜的路由器之間則采用級聯擴展技術可以形成網絡鏈式連接[4]，各個公區的就地調光機柜相互鏈接后再與客戶端調光電腦相連，整船調光網絡最后呈現出混合型網絡拓撲結構。

圖8 DALI調光網絡的混合型網絡拓撲結構圖

以上這種基于DALI調光技術的全船網絡控制方案，從功能使用方面分析，其具有如下顯著優點：

1） 全船調光照明能實現集中管控

由于每個就地調光機柜都包含一個路由器設備，在客戶端電腦的人機交互界面中可通過路由器的IP地址識別每一個調光機柜，因此每個就地調光機柜可以按照它所對應公區的照明需求，通過網絡終端上位機預設各種調光程序。如圖9所示，在客戶端調光電腦的人機界面中，根據不同區域的靜態照明配光需求，集中設定各類色溫、亮度及色彩不同的照明場景，然后進一步根據照明場景變化的動態需求，按照時序自動觸發的邏輯預設調光程序，所有的照明場景編輯完成并確認后，調光指令將通過調光主干網絡實時傳輸至對應的就地調光機柜。全船調光設定工作只需要一個管理人員在客戶端遠程調光電腦上集中編輯完成，相對于傳統的就地管理模式，極大提高了工作效率。

圖9 DALI調光網絡客戶端軟件調光設定示意圖

2）在故障工況下能及時做出響應

當就地調光柜出現軟件控制功能故障時，通過主網絡通信的尋址技術就能及時反饋故障點位置，方便技術人員及時排查故障，節省人工日常巡查維護的人力成本。而當調光機柜出現設備故障或者失電狀況時，由UPS供電的路由器（router）通過網絡TCP/IP通信來識別機柜內部網絡末端設備的不正常狀態，同時轉發客戶端電腦的處理指令。如圖10所示，當公區2對應的就地調光機柜2內部的主控模塊master B或master C故障/失電時，其狀態信號由機柜路由器經調光主網絡反饋給客戶端調光電腦，再由調光電腦將邏輯處理后的指令經主網絡傳送至相關聯的就地調光機柜1（公區1），并由它內部的主控模塊master A接收和轉化指令，之后輸出DALI調光信號將公區之間交叉互補設計的調光照明支路從藝術調光工作狀態即刻跳轉至100%的額定亮度，保障丟失部分照明的公區2能夠維持基礎的視覺照明。這種基于網絡集成控制技術的DALI調光照明系統將能夠實現就地調光柜之間的彼此關聯與互補，提高了系統的可靠性和安全性。

基于上面的分析可以看出，DALI調光技術的網絡化集成控制方案不僅能夠明顯提高整船調光系統的管理和維護效率，減少郵輪運營過程中的人力成本，而且還能提高調光系統的可靠性與安全性。此外，這種具有網絡擴展特性的集成化控制方案，還為郵輪照明的功能更新與技術升級提供了良好的平臺。

圖10 調光設備故障狀態下交叉互補的網絡控制示意圖

3.2 DALI調光對郵輪照明效果改善的優勢

郵輪是游客休閑度假的選擇，郵輪內部的光環境對乘客的感官最為直接，而目前郵輪上的調光照明主要還是以0～10 V或切相調光技術為基礎的亮度調節，配光相對單調且控制不夠靈活，提供給游客視覺光學方面的舒適感受及新奇體驗都極為有限。

而DALI調光系統的功能如上文所述，可以按照不同公區的光環境需求連續精確地調節LED光源的色溫或色彩，如圖11所示，休閑娛樂場所的DALI調光照明可以根據特殊時段或特殊需求對基礎照明（白光光源）進行色溫冷暖變化調節或者對氛圍照明（彩色光源）進行色彩的連續調節，不同光色按照DALI的調光邏輯呈現出柔和舒適的變化效果，視覺體驗十分友好.

圖11 DALI調光技術的光學效果展示圖

這種色溫和色彩變化特點能夠讓公區的光環境變得豐富多彩，使乘客在郵輪航行旅途中感受不同的光學視覺效果，避免產生單調疲倦的感受。因此基于這種數字調光技術營造的舒適多變的光學環境可以促進乘客新奇愉悅的感受，增強乘客的娛樂體驗，對提升郵輪的經濟效益具有很重要的意義。

4 DALI調光系統在郵輪工程實施中的適用性分析

4.1 DALI調光系統網絡集成化架構在郵輪工程中的適用性

由于本文引入的DALI調光系統其主干網絡采用的是總線鏈式結構，如上圖8所示，任意兩個調光機柜之間采取“手拉手”的網絡鏈接方式，集體以一種接力的方式將調光主干網絡遍布全船，因此對于分布在各個公區的就地調光機柜而言，它們之間總能找出一條最佳的主干網絡貫穿全船。

由于每個主豎區都需要配置調光機柜為各自的公區服務，主干網絡跨豎區時只需考慮調光機柜在相鄰主豎區之間的網絡鏈接。由于郵輪單個主豎區沿縱向長度一般不超過60米，任意兩個調光機柜在相鄰主豎區之間鏈接時所需網絡電纜一般不會超過100米，工程實施時能夠避免單根網絡電纜過長而影響信號傳輸的隱患。此外，這種簡潔的鏈式網絡架構可以最大限度減少電纜在主豎區A60分隔之間的穿越次數，減少電纜和穿艙件的使用數量，在降低施工成本的同時還能最大限度保障主豎區防火隔離的完整性。

4.2 DALI調光系統末端支路在郵輪工程中的適用性

本文引入的調光系統其末端支路是DALI總線通信，由于DALI數字信號的傳輸采用曼徹斯特編碼方式，其抗干擾能力較強，經照明行業大量實踐驗證，DALI信號線路和照明220 V供電線路可以共用同一根電纜而不受影響[5]。因此，在實際工程項目中通常采用5芯電纜用于DALI調光系統的末端支路，如圖12所示。

圖12 DALI調光系統末端支路電纜示意圖

按照調光與供電線路共用同一根電纜的方式，整船大量的DALI調光照明末端支路可以按照傳統非調光照明電纜的敷設工藝，無需額外的信號電纜也無需獨立的電纜路徑和電纜托架來保障控制信號不受干擾，十分有利于船舶現場施工。在燈點數量以萬為單位的郵輪項目中，該方案可極大節省物料和人工成本。

綜上所述，DALI調光系統不論是它的全船網絡架構還是末端照明支路，在工程實施方面都具有很強的適用性，適合在郵輪項目中進一步應用和推廣。

5 結論

針對傳統切相調光技術和0～10 V調光技術在功能特性和電氣特性方面存在的各種不足，本文引入了一種DALI調光技術。相較于傳統的調光技術和控制方式，DALI調光技術具有更好的調光性能，具有完善的網絡擴展和集成控制功能，同時還具有良好的工程實施適用性。DALI調光技術的全船網絡化應用不僅可以改善郵輪調光照明的光學效果，提高調光系統的管理和維護效率，而且還能夠為郵輪調光系統的功能更新與技術升級提供網絡化平臺，這些都為郵輪照明技術的發展起到了積極推動作用。由此可以得出，DALI調光技術對于郵輪項目是一項十分適用的技術，具有廣泛的應用和推廣價值。

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Application of DALI dimming technology in cruise project

Tao Zhichao, Gong Ji, Lan Tian

(R&D Department, CSSC Cruise Technology Development Co., Ltd., Shanghai 200137, China)

U674

A

1003-4862（2023）09-0051-06

2023-03-13

陶志超（1985-），男，高級工程師，研究方向：船舶電氣系統設計。E-mail：tao7960@126.com