智能照明系統在海工裝備上的應用與展望

李明昕

（大連中遠海運重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

在全球各國共同提倡實現低碳減排，節能環保目標的驅動下，對海洋工程裝備實施降低能耗逐漸成為行業的普遍要求。照明系統是海洋工程裝備上必不可少的重要系統，因海洋工程裝備項目作業的安全性要求嚴格，相關法規、船級社和主管部門對照明系統的使用范圍和照明強度也更為嚴格，照明系統能耗更大。采用智能照明系統，能夠根據不同的環境條件和作業工況對相關作業處所的照明系統的功率輸出進行控制和調節，從而到達降低照明系統消耗功率，提高能效的目的。

本文對智能照明系統的工作原理、設計和應用情況進行介紹，并以某大型海工裝備項目的照明系統為例進行能耗對比分析。

1 智能照明系統的組成及工作原理

智能照明系統包括智能照明控制系統，數字可尋址照明系統（Digital Addressable Lighting Interface，DALI）總線系統和智能型燈具。智能照明控制系統根據需求可配置本地信號采集及控制處理單元、故障預警及維護子系統、燈具亮度及色溫自動調節子系統、遠程終端控制站等[1]。DALI 總線系統用來實現智能照明控制系統與智能型燈具之間供電和通信，智能照明控制系統通過DALI 總線實現對智能型燈具的可尋址控制。智能型燈具通常為發光二極管（Light Emitting Diode，LED）模塊光源類型燈具，燈具內含控制模塊與智能照明控制系統連接，具有調節色溫和亮度的特性。

智能照明控制系統具備智能操控，拓展型強的特點。如圖1 所示。通過網絡通信技術，將智能燈具、傳感器、本地處理單元、終端處理器、遠程操作站等設備集成在一起。傳感器用來監測對應區域照度值、有人/無人狀態等相關參數，將監測數據傳送至本地處理單元，本地處理單元再以通信方式將相關數據傳送至終端處理器和遠程操作站等。

圖1 智能照明控制系統集成

本地處理單元用來實現對傳感器和燈具的數據采集，指令控制，自動控制和故障報警，處理單元可根據設計需求進行分層級拓展擴容[1]。各層級處理單元通過網絡系統連接至遠程操作終端，遠程操作終端可直觀查看系統運行狀態，在控制界面進行遠程操作等。

DALI 總線系統將本地處理單元與智能照明燈具之間進行連接。DALI 總線可以實現對智能型燈具鎮流器的供電及雙向信號通訊功能，單個回路最多可以連接128 個智能型照明燈具的鎮流器，控制數量完全能夠滿足海工裝備上照明系統的需求。DALI 總線系統可以實現對每個鎮流器能夠在DALI 系統中的尋址，系統能夠實現在終端操作系統中能夠顯示每個智能型燈具的位置，工作狀態，運行參數等全部信息。

2 智能照明系統的典型設計應用

2.1 智能照明系統在艙室和公共區域的應用

典型智能照明房間布置見圖2。與傳統照明布置方案相比較，智能照明系統在房間內部安裝傳感器和本地控處理單元。傳感器選型為被動式紅外輻射（Passive Infrared Detector，PIR）傳感器，該傳感器通過檢查人體產生熱量產生反饋信號來識別房間有人/無人的狀態。傳感器可安裝在房間頂部或墻面，在2.5 m 高度安裝時覆蓋面積能夠達到20 m×6 m。典型智能照明系統示意圖見圖3。當被動紅外（Passive Infra Red，PIR）傳感器識別到房間處于無人狀態并將狀態信息發送至本地處理單元后，處理單元可以通過在預先設定的程序，自動發出指令關閉對應房間或艙室的照明。反之，當此傳感器檢測到此房間由無人狀態變為有人狀態時，其能夠自動打開對應房間或艙室的照明。本地處理單元經網絡通信將數據實時傳輸到遠程終端進行實時狀態監控，本地處理單元設置遠程操作模式可在遠程終端對房間照明系統進行遙控操作。生活樓中部分房間需要通過陽光等外部光源補充房間照明，這些房間可選用照度/動作多功能傳感器。通過傳感器對房間照度的實時監測和信號反饋，本地處理單元可對應調整本區域照明燈具的輸出功率。

圖2 典型智能照明房間布置

圖3 典型智能照明系統示意圖

2.2 智能照明系統在露天區域的應用

在海洋工程項目的室外區域要滿足不間斷作業的需求，其甲板及安裝在甲板的各類模塊區域要時刻保持充足的照明條件。傳統照明系統設計要滿足室外照明燈具保持連續工作狀態的要求。智能照明系統配備一個或多個室外照度傳感器，照度探測傳感器防護等級能夠達到IP56，溫度范圍能夠達到-35～70℃，照度測量范圍為1～10 000 Lux。傳感器緊湊、靈敏、便于安裝，可在海工裝備惡劣的工作環境中保持可靠運行。該傳感器可將對應區域的照度值實時發送至主控制器，主控制器根據光照情況對應調節燈具的開閉狀態或亮度。智能照明系統能在陽光充足的時候關閉照明燈具，節省能耗；也能在光照不足的時候自動調節照明輸出，以保證生產作業所需的照明條件。

2.3 對直升機機甲板燈具的控制

海洋工程項目大多安裝直升機平臺，根據相關標準的要求，海工裝備上的直升機平臺需要安裝平臺邊界指示燈、探照燈、警告燈等各類燈具[2]，這部分燈具需要從不間斷電源（Uninterruptible PowerSupply，UPS）進行供電。在設計時要滿足直升機平臺燈具保持連續運行工作狀態的要求，智能照明系統集成設計方案可通過照度傳感器和處理器實現對直升機平臺燈具的自動開關控制，延長直升機平臺燈具的使用壽命。

2.4 對航行燈與信號燈系統、障礙燈系統的監控

根據各船級社規范要求，海洋工程項目中航行燈與信號燈系統、障礙燈系統均為獨立系統，獨立系統中有專用的控制板對燈具進行控制和狀態顯示[3]。將控制板與智能照明系統間進行通信連接，可在智能照明的操作站實現對航行燈與信號燈系統、障礙燈系統運行狀態的實時監控，提高系統的可靠性。

3 智能照明系統的性能優勢

3.1 智能化控制

智能照明系統通過本地處理器完成數據采集處理，通過網絡系統進行信號傳輸、工作站遠程監控和自動操作[4]。系統可根據海工裝備不同的運行工況切換至對應的照明工作模式。此外，還可根據環境條件自動調節照明系統的功率輸出，以降低能耗。

3.2 系統可靠性

智能照明系統具備自動控制、遠程遙控、本地手動控制等多種控制方式。自動控制和遠程遙控依托處理器和網絡系統實現智能控制，本地手動控制是本地控制單元對本區域照明系統的直接控制[4]。控制系統采用分級、冗余式的設計方式，在本地控制單元完成信號的采集和電源輸出后，通過冗余網絡和上一級處理單元完成系統間的數據通信和邏輯控制工作。各控制層級之間相對獨立，單個層級的控制單元故障不會影響其他層級對系統的操控。本地手動控制具有最高優先級的控制權限，可有效保證遠程終端故障情況下照明系統的可靠運行。

3.3 遠程監測、診斷和維護

海工裝備上傳統照明系統的維護工作主要依靠船員定期完成。智能照明系統在遠程終端能夠實時監控每個區域照明回路的工作狀態和每個燈具的運行狀態參數。當絕緣報警或燈具故障時，智能照明系統能夠在遠程終端顯示相應信息，以便船員第一時間進行排查和處理。智能照明系統可進行周期性遠程功能測試，迅速完成診斷和系統維護。

3.4 使用方便、擴展性強

通過對智能燈具的可尋址控制，智能照明系統能夠實現對區域照明系統的集中或分散管理[5]。智能控制系統可根據處理器容量增加控制區域接入的燈具數量，實現對更多區域燈具的控制或狀態監控。

4 智能照明系統的經濟性

4.1 顯著降低能耗

某鉆井船項目照明系統能耗對照表見表1，該鉆井船原照明系統消耗功率為611.51 kW，室外區域布置可持續運行的照明燈具。在使用智能照明系統后，節能系數至少能夠達到0.5，若考慮生活樓公共處所使用頻率和光照對房間的照明補償，節能系數可達到0.8。在不考慮機艙區域智能照明效果的前提下，使用智能照明系統后消耗功率為425.61 kW，相較原照明系統降低185.90 kW，節能占比約30%。據此計算,該鉆井船每年節約電能162.85 萬千瓦時。當前主流品牌大型船用柴發電機組的油耗指標約為0.23 kg/kW·h，即發出每度電需要消耗柴油0.23 kg。當前國際船用柴油價格約為1 200 $/t，即每千克柴油價格為1.2 $，折合人民幣約7.6 元。綜上所述，該鉆井船采用智能照明系統后每年可減少能耗成本約286 萬元。

表1 某鉆井船項目照明系統能耗對照表

海洋工程設施的設計壽命通常在20年左右，新制項目采用智能照明系統在運營階段可以顯著減少能耗支出。智能照明系統的成本相較傳統照明系統高30%左右，項目在運營周期內降低能耗帶來的經濟效益遠遠高于初裝成本的差距。

4.2 延長燈具使用壽命

目前海工裝備項目照明系統普遍使用LED 光源燈具，LED 燈具最大使用壽命通常在5 萬小時左右，使用期間可能會出現電壓異常、絕緣破損等故障。采用智能照明系統，通過智能控制日常燈具工作時間，實時監測、診斷和維護等方式延長燈具的實際使用時間。在項目運營周期內通過減少更換燈具數量和頻率來增加項目的經濟效益。

5 智能照明系統應用前景

現階段智能照明系統在商場、酒店、工廠、醫院等場所應用較多，在船舶與海洋工程領域應用仍處于早期階段。部分國內外新制豪華郵輪項目已有實船應用在海工裝備領域，海上浮式生產儲卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）、鉆井船、鉆井平臺等大型項目照明燈具數量多，照明持續時間長。目前多個新制或改裝的海工裝備項目在其技術規格書中已明確要求使用智能照明。

相比較于傳統照明燈具系統，智能照明系統具有智能操控、節能環保、可靠性高、經濟性好等優勢，結合當下全球范圍內對海洋環境節能減排，低碳環保的整體要求，智能照明系統在未來海洋工程裝備上的應用需求將會越來越多。同時將海工裝備上傳統照明系統升級改造為智能照明系統項目將會逐漸增多，智能照明系統在海工裝備的有著廣闊的應用前景，因此需要對智能照明系統在海工裝備上的應用進行更加深入的研究。

6 結論

本文介紹了智能照明系統的工作原理、設計和應用情況，并以某大型海工裝備項目的照明系統為例分析了能耗對比情況。研究表明：智能照明系統在海工裝備上具備能效高、經濟性好等優勢。