雷 毅

常規(guī)潛艇照明系統(tǒng)設計優(yōu)化研究

雷 毅

（海軍駐701所軍事代表室，武漢 430063）

常規(guī)潛艇傳統(tǒng)照度不變、單一模式的照明系統(tǒng)，已經(jīng)不適應總體的發(fā)展需求。結合常規(guī)潛艇照明特點，分析了照明系統(tǒng)設計的相關要素，提出了照明系統(tǒng)的總體方案架構，給出了照明效果的驗證方法，可為水面艦船照明系統(tǒng)的設計提供參考。

潛艇 照明 優(yōu)化 設計

0 引言

照明系統(tǒng)是常規(guī)潛艇的重要組成部分，良好的光環(huán)境不僅可以改善艇員的視覺條件及工作環(huán)境，而且可以減少艇員的誤操作，降低事故的發(fā)生率，在保護潛艇總體的安全方面起著重要的作用。與傳統(tǒng)常規(guī)潛艇相比，新型常規(guī)潛艇續(xù)航力大幅度提升，艇員在水下連續(xù)工作的時間更長，傳統(tǒng)的固定色溫、照度不變的照明系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足總體作戰(zhàn)及艇員生理的需求，如何構建一個合理的照明系統(tǒng)，采用照明發(fā)展的新技術新理念，從人性化角度進行合理科學照明，減小艇員長時間封閉照明環(huán)境中的疲憊感，提高舒適性和戰(zhàn)斗力，成為潛艇照明系統(tǒng)設計迫切需要解決的問題。

本文結合常規(guī)潛艇照明特點，通過對潛艇各種航行狀態(tài)下操作艙室、居住艙室、活動艙室環(huán)境光的需求研究，以及對人體在各種光照條件下的生理反應研究，提出照明系統(tǒng)的總體方案，并在此基礎上研究了照明效果驗證的方法和手段。

1 照明系統(tǒng)設計要素分析

1.1概述

照明是以滿足工作和生活等需要為目的而設立的。一方面是給周圍的對象以適宜的光分布，艇員通過視覺能夠正確識別欲知的對象和確切的了解自身所處的環(huán)境狀況，另一方面則要創(chuàng)造與生理心理要求相適應的室內(nèi)空間環(huán)境，滿足艇員長期在水下生活作戰(zhàn)的需求。依據(jù)上述原則，照明系統(tǒng)的設計要素可以從光照明環(huán)境適應性設計和光生物安全性設計兩方面進行分析。

1.2光照明環(huán)境適應性設計

目前，潛艇艙室光環(huán)境設計標準主要以照度量化指標為主，但對其它指標如亮度、眩光等重視不夠，必須突破傳統(tǒng)照明系統(tǒng)設計技術，以“按需照明”為原則，緊密結合總體布置，對艙內(nèi)各區(qū)域工作面、生活面的不同照明需求及復雜照射面開展細化分析，合理配置燈具，從而保證各照明區(qū)域的需求得到滿足。

1）照度

目前相關標準并沒有給出潛艇各功能艙室具體的照度要求，但通過對實艇進行照明實測調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，諸如通道、住室、指揮艙、廚房等部位普遍存在燈光色溫偏高等問題。因此艙室照度并非越亮越好，過高的照度不僅浪費能耗，還會帶來視覺的不適感。

2）亮度

環(huán)境亮度就對視覺效能有著顯著影響，過亮的視覺環(huán)境會對視覺目標造成干擾，從而導致能見度的損失，如圖1所示。

3）眩光

由于燈具配置不合理，導致艙室亮度分布不合理、眩光突出，引起人員視覺下降。根據(jù)CIE標準可采用不舒適眩光評價指標UGR進行分析。如果艙室眩光指標UGR超過上限值，則提出改善燈具的遮光角和配光方案，并采取優(yōu)化燈具布置位置等措施，改善艙室不舒適眩光評價指標UGR。

1.3光生物安全性設計

隨著人們對人體生物鐘系統(tǒng)的深入研究，發(fā)現(xiàn)當人體受到光照時，人體內(nèi)的生物鐘系統(tǒng)將導引并啟動從光信號到生理信號的連鎖放大過程，從而調(diào)節(jié)人的行為和生理活動，影響人體的生理節(jié)律。其中以光照與褪黑素之間的關系最為明顯，不同光照強度對人體褪黑素的抑制作用不盡相同。通常低照度照明對褪黑素的抑制較少，因此冬季早起的人們在起床后會感到疲憊，沒有精神，這是由于人體缺少光的照射，體內(nèi)的褪黑素濃度不能迅速降低的緣故；而高照度照明則褪黑素的抑制較多。因此在夏季，自然光會較早地照射到人體，使體內(nèi)的褪黑素迅速分解，使人們能夠較早地起床，且精神較好。其次不同波長的光線對褪黑素的抑制效果也不一，藍色光線對的褪黑素抑制效果最強，黃色光線對褪黑素的抑制效果最弱。因此通過設計不同光色的照明，可以使人體的生理節(jié)律時間人為發(fā)生變化，進而更快的進入相應行為模式。

對于潛艇而言，由于絕大多數(shù)艙室位于封閉結構內(nèi)，無法自然采光，因而僅利用固定光色和強度的照明燈具，是無法實現(xiàn)光照和人體生理節(jié)律匹配的。長時間的單一照明模式，將對艇上官兵的身心產(chǎn)生可能產(chǎn)生不利影響，導致工作效率降低，影響部隊戰(zhàn)斗力。因此在設計照明系統(tǒng)時，還應充分考慮不同的照明光環(huán)境對人的生理產(chǎn)生的不同影響，開展符合人體生理節(jié)律的照明設計，將不同時段或場景的照明需求同人體生理節(jié)律結合起來，從而在水下創(chuàng)造一個有益健康的光環(huán)境。

2 照明系統(tǒng)優(yōu)化設計方案

根據(jù)潛艇各艙室功能使用需求，按照明區(qū)域采取不同的照明方案。指揮艙采用情景照明，專業(yè)房間、住艙及作戰(zhàn)值班部位等采用仿生照明，其余區(qū)域如機艙等采用一般照明。

指揮艙是潛艇的核心部位，是最重要的工作區(qū)域，因此專門針對指揮艙開展照明設計工作。由于指揮室除具備正常工作照明外，還需具備夜光作戰(zhàn)等特殊照明模式。因此在指揮艙中采用色溫可調(diào)的LED艙頂燈作為主照明，同時配備海圖燈、作戰(zhàn)工作燈、低照度燈等輔助照明。并通過各類燈具的狀態(tài)開閉組合開關具備夜光作戰(zhàn)、手動和全關等控制模式，從而實現(xiàn)多場景的高、低色溫可變、明暗混合燈光照明控制。

1）夜光作戰(zhàn)：打開所有低照度燈和作戰(zhàn)工作燈。

2）手動：在該模式下，可獨立點對點控制指揮室的各路燈具。對滿意的照明場景可直接保存為用戶設定場景，方便后續(xù)重復使用。

3）全關：關閉所有燈具。

住艙等部位的仿生照明通過色溫可調(diào)的LED燈和具備不同控制模式的燈具控制開關實現(xiàn)。

a）全關：關閉艙內(nèi)所有燈具電源。

b）夜光：開啟艙內(nèi)低照度燈。

c）自動：模式開啟后，LED燈自動從每天早上七點至晚上八點實現(xiàn)5000 K的冷白光，而從晚上八點后到第二天早上七點實現(xiàn)3500 K的暖白光。

4）手動：LED燈照明狀態(tài)由面板手動控制，對滿意的照明場景可直接保存為用戶設定場景，方便后續(xù)重復使用。

機艙等無人作戰(zhàn)值班部位則在目前已有的照明方案的基礎上進一步優(yōu)化，在滿足標準照度的同時進行理論計算，為該區(qū)域配置數(shù)量合理的LED燈具，形成一般照明方案。

3 照明系統(tǒng)效果設計驗證

為支撐照明系統(tǒng)性能設計驗證，可根據(jù)潛艇典型艙室的功能和環(huán)境，在陸上試驗場地通過設計典型艙室的情景照明控制方案，并對實測效果進行測量、驗證和分析。

驗證系統(tǒng)主要由模型艙室、試驗燈光控制系統(tǒng)以及試驗配套保障三部分組成。

模型艙室是驗證研究的物理環(huán)境和對象。根據(jù)前期完成的照明系統(tǒng)設計驗證方案，確定會議室、通道、指揮艙等典型艙室驗證系統(tǒng)。為確保研究結論能作為系統(tǒng)設計的有效輸入，需對試驗艙室進行結構和舾裝的實艇環(huán)境匹配性設計；并且在艙室構建過程中，為對不同設計方案進行試驗對比分析，保留艙室結構、舾裝、色彩等更改設計的可行性。

試驗燈光控制系統(tǒng)是驗證研究的核心設備，由主機、艙室燈光集中控制器、艙室燈光分控器以及受控可調(diào)光燈具組成。其主要功能是根據(jù)試驗方案研究內(nèi)容，靈活的設定和調(diào)整各艙室內(nèi)燈具的光色參數(shù)和開關狀態(tài)，創(chuàng)造出不同的燈光組合，開展相應的舒適性照明優(yōu)化技術、模擬自然光照明控制技術、艙室分時照明控制技術和情景照明優(yōu)化設計驗證研究。通過試驗燈光控制系統(tǒng)，能快捷靈活的設計試驗方案，減少參試試驗設備數(shù)量，提高試驗工作效率。

此外，在驗證研究中還需完成各類光學儀器儀表、試驗測量、受試人員等試驗配套保障的準備工作，為試驗工作提供支撐。

4 結語

本文通過對常規(guī)潛艇照明系統(tǒng)的設計要素進行了分析，在此基礎上給出了照明系統(tǒng)的設計優(yōu)化方案，并給出了照明系統(tǒng)設計性能驗證的方法。也可為水面艦船照明系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供參考。

[1] 彭智勇時粉周，等.模擬潛艇環(huán)境白光LED照明對視覺功能功效影響的初步探討[J]. 海軍醫(yī)學雜志,2012, 1（23）:45-47.

[2] 李宏李蔚燕. 綠色照明光源—高亮度白光LED[J].燈與照明, 2007, 1（43）:23-25.

[3] 顧益敏,周健等. 熒光燈閃爍和視疲勞關系的實驗研究[J]. 照明工程學報, 2000,1（54）:27-29.

Optimized Design of Conventional Submarine’s Lighting System

Lei Yi

（Naval Representatives Office in No.701 Research Institute, Wuhan 430063,China）

TN212

A

1003-4862（2017）05-0030-03

2016-12-15

雷毅(1986-), 男，工程師，碩士。研究方向：艦船電氣。