朱 煜，楊 駿，王 杰，張紅偉，朱明華

（江南造船（集團）有限責(zé)任公司，上海 201913）

0 引 言

機艙照明系統(tǒng)設(shè)計是船舶設(shè)計中的一個非常重要的環(huán)節(jié)，由于機艙結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)備數(shù)量多、管路等布置復(fù)雜，使得機艙的光照強度分布不均勻，光環(huán)境不理想。尤其是作戰(zhàn)類艦艇，受其整體尺寸的限制，其機艙面積較為狹小，光環(huán)境較為惡劣。因此，在船舶設(shè)計初期應(yīng)對其照明系統(tǒng)進行合理設(shè)計，引入并行工程思想，將基于人機工程學(xué)的光環(huán)境仿真評估技術(shù)融入船舶設(shè)計中，以便對光環(huán)境進行快速評估并對設(shè)計存在的不足及時進行改進，從而達(dá)到動態(tài)設(shè)計優(yōu)化的目的。船舶機艙的光環(huán)境評估主要針對其內(nèi)部的照度分布，因此本文主要以機艙工作面的照度分布情況為研究對象。

傳統(tǒng)的照度估算方法是在燈具布置的基礎(chǔ)上參照國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進行照度的人工計算。采用這種 方法僅能粗略地估算出部分典型艙室的平均照度水平，且很難考慮艙室內(nèi)設(shè)備布置位置的特殊性，計算精細(xì)度不高。因此，傳統(tǒng)方法已越來越難以滿足日益提高的設(shè)計要求[1-2]。

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，各類照度計算軟件的出現(xiàn)使得基于人機工程的室內(nèi)光環(huán)境快速仿真成為可能。擁有合適的光環(huán)境是船員保持正常的心理和生理狀態(tài)、提高工作效率的必要條件。就船舶機艙而言，其光環(huán)境的質(zhì)量主要取決于人工照明情況。DIALUX軟件是目前全球照明行業(yè)使用最廣泛的照明設(shè)計軟件，飛利浦、雷士等世界知名的大型燈具廠商都提供與 DIALUX整合的燈具數(shù)據(jù)插件；此外，DIALUX具有燈具自定義功能，可為相關(guān)人員開展光環(huán)境模擬工作提供保障[3]。

本文基于某艦船機艙模型，采用DIALUX軟件為其布置照明系統(tǒng)，并對其光環(huán)境進行快速評估，得到工作面光照強度分布情況，同時提出優(yōu)化方案。在此基礎(chǔ)上，計算局部照明和應(yīng)急照明情況。計算結(jié)果表明，機艙工作面的平均照度、局部照明和應(yīng)急照明均滿足規(guī)范的要求[4]。

1 照度計算原理

船舶照度計算的主要方法有利用系數(shù)法、比功率法和逐點法，其中：利用系數(shù)法適用于燈具均勻布置、墻和天花板反射系數(shù)較高的室內(nèi)照明或室外照明，通常獲取的是艙室平均照度；比功率法不考慮艙室的內(nèi)飾，比較適用于初步的照度估算[1]，而機艙內(nèi)含有大量的設(shè)備和管路，空間布局復(fù)雜多變，不適于采用該方法；逐點法計算簡單、中間過程少、誤差小，對于室內(nèi)和室外走道、機爐艙等反射條件極差的場所而言，采用該方法進行照度計算更為精確便利[4]。

圖1為光源與照度，其中：S為光源；P為所求照度點；M為過P點的水平面。

P點的照度為：

圖1 光源與照度

式(1)～式(3)中：l為光源與P點之間的距離，m；θ為光源至被照點的射線與光源垂直高度線之間的夾角，(°)；Iθ為θ角方向的發(fā)光強度，由燈具的配光曲線查得，cd；En為P點法線照度，lx；Eh為P點水平面照度，lx；EV為P點垂直面照度，lx。

一般只需計算水平面照度。若P點上不是由一盞燈照射的，而是由若干盞燈照射，則P點上的照度為各盞燈在該點上照度的總和，即

2 模型建立

該船的主機艙分為上下2層，中間有貫通區(qū)域，主要包含3臺主柴油發(fā)電機組、1臺停泊柴油發(fā)電機組、熱水鍋爐、各類管路和電氣設(shè)備。機艙的尺寸為19.0m×15.0m×8.8m。由于機艙部位的型線變化不大，因此以創(chuàng)建立方體室內(nèi)空間之后直接插入擠壓柱體的方式創(chuàng)建其外表面。此后，導(dǎo)入設(shè)備三維模型，包括主機、鍋爐、管路和電氣設(shè)備等，并將其調(diào)至合適的位置處。在此基礎(chǔ)上，設(shè)置上下2個計算平面，距離地板0.8m。根據(jù)設(shè)備表面的實際情況設(shè)置反射系數(shù)。本文在保證一定計算精度的基礎(chǔ)上對設(shè)備模型進行適當(dāng)簡化，以減少計算時間。

3 燈具布置方案分析和優(yōu)化

機艙內(nèi)的設(shè)備布置一般比較緊湊，照明以局部照明為主，燈具布置宜采用中等功率多點布置方案，從而保證有適當(dāng)多的照射點，使主要機械設(shè)備的各側(cè)面都能被照到，不易產(chǎn)生背暗面和照明死角[5]。根據(jù)文獻(xiàn)[4]提供的船舶典型艙室照度參考值，機艙設(shè)備操縱區(qū)域的平均照度不小于100lx，通道的平均照度不小于30lx；機艙整體平均照度采用美國照明工程學(xué)會的數(shù)據(jù)，不小于200lx。

首先基于初始照明系統(tǒng)布置方案進行照度計算，得出計算平面的照度分布情況，根據(jù)計算結(jié)果并結(jié)合實際三維模型分析燈光布置的合理性，再優(yōu)化布置方案，在此基礎(chǔ)上進行關(guān)鍵區(qū)域局部照明計算。

3.1 方案1

初始照明系統(tǒng)布置見圖2，機艙的上層和下層共布置37盞燈，燈具使用PHILIPS TPS682 2×TL5-39W HFP C8-VH（2×39W，光通量為6200lm，功率為84W）熒光吊頂燈。機艙上層燈具的安裝高度為7.8m（距上層甲板2.0m），機艙下層燈具的安裝高度為4.9m（距下層甲板2.2m）。

圖2 初始照明系統(tǒng)布置

針對該方案進行照度計算，得到機艙上層和下層計算平面的照度分布分別見圖3和圖4。根據(jù)圖3和圖4及軟件自動生成的報表可得到以下結(jié)論：

1) 機艙上層和下層計算平面的平均照度大于200lx，滿足規(guī)范推薦的計算表面平均照度要求；

2) 機艙上層甲板挖空區(qū)域設(shè)置的光源過多，光照利用率不高，同時挖空區(qū)域下方布置有柴油機組等設(shè)備，其操作面板多為豎直平面，考慮到操作和檢修因素，需對該區(qū)域的燈具布置進行完善；

3) 燈具4位于變壓器頂部，其光線會被變壓器遮擋；

4) 機艙上層機修間各燈具的位置比較接近，兩端照度不理想，不利于機修維護工作的開展；

5) 機艙上層燈具18距離樓梯較遠(yuǎn)，樓梯通行區(qū)域燈具較少，只有燈具16、燈具17和燈具18等3盞，該區(qū)域的照度小于30lx，不利于人員上下樓梯；

6) 機艙下層燈具的排列方向多為豎直方向，在走廊區(qū)域與人員行進的方向垂直，沒有采用錯落布置方式，會對船員造成眩光影響。

圖3 機艙上層計算平面照度分布

圖4 機艙下層計算平面照度分布

3.2 方案2

針對方案1存在的問題，提出一種優(yōu)化方案：在優(yōu)化過程中對燈具進行重新編號，熒光吊頂燈的總量保持不變，對其位置進行相應(yīng)調(diào)整，同時增加3盞鎢光投射燈。具體修改方案如下：

1) 調(diào)整機艙上層甲板熒光吊頂燈的位置，并在挖空區(qū)域周邊加裝 3個 PHILIPS QVF415 1×HAL-TDS500W WB（1×500W，光通量為9900lm）鎢光投射燈，安裝高度為5.8m，與上層甲板的高度相同，見圖5中的燈具I、燈具II和燈具III；

2) 調(diào)整變壓器兩側(cè)的燈具布置，見圖5中的燈具5和燈具6；

3) 調(diào)整機修間燈具的布置，使燈具的長軸與艙室的短邊平行，從而保證機修間光照分布更加均勻，見圖5中的燈具11和燈具15；

4) 在機艙上層樓梯處，使燈具更加靠近樓梯，并在通行區(qū)域多加1盞燈具，從而縮短燈具之間的距離，提高照明效果，見圖5中的燈具16、燈具17、燈具18和燈具19；

5) 將機艙下層部分燈具的布置方式改為水平布置，并微調(diào)大部分燈具的位置，見圖5中的燈具23、燈具24、燈具25、燈具27、燈具34、燈具35和燈具36。

圖5 燈具分布優(yōu)化

對優(yōu)化方案進行計算，得到機艙上層和下層計算平面照度分布分別見圖6和圖7。由圖6和圖7可知，計算平面平均照度滿足規(guī)范推薦值的要求，同時整個機艙的照明分布更加合理，艙室照度不均的問題得到很好的改善，燈光的利用率得到提高，整體上來說機艙的光環(huán)境良好，更有利于船員開展相關(guān)工作。

圖6 改進后機艙上層計算平面照度分布

圖7 改進后機艙下層計算平面照度分布

3.3 局部工作面照度計算

依據(jù)方案 2的照明系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果，選取一些關(guān)鍵位置進行照度分析，檢驗該照明方案是否滿足局部照明的相關(guān)要求。

圖8 主機操作板照度分布

3.3.1 主機操作板

選取主機操作板，將操作板面設(shè)定為計算表面，其照度分布見圖8。由圖8可知，主機操作板平均照度為206lx，最小照度為194lx，滿足主機操作面平均照度大于100lx的要求。

3.3.2 通道區(qū)域

選取機艙上層和下層甲板為計算表面，其照度分布分別見圖9和圖10，其中陰影區(qū)域為通道，可見機艙通道區(qū)域光照強度均明顯大于30lx，滿足設(shè)計要求。

圖9 機艙上層甲板照度分布

圖10 機艙下層甲板照度分布

4 應(yīng)急照明照度計算

在方案2的基礎(chǔ)上加入應(yīng)急照明燈光場景（見圖11），機艙上層和下層各加5盞燈具，使用PHILIPS TPS682 2×TL5-39W HFP C8-VH（2×39W，光通量為6200lm，功率為84W）。參考建筑行業(yè)相關(guān)規(guī)范[6]，用于疏散照明的地面平均水平照度應(yīng)大于1lx。

圖11 機艙應(yīng)急照明分布

設(shè)置安全通道，寬度為0.8m。機艙上層和下層應(yīng)急照明照度分布分別見圖12和圖13。機艙上層安全通道的平均照度為125lx，機艙下層安全通道的平均照度為123lx，撤離路線上絕大部分區(qū)域的照度都大于1lx，可滿足應(yīng)急照明的需求。

圖12 機艙上層應(yīng)急照明照度分布

圖13 機艙下層應(yīng)急照明照度分布

5 結(jié) 語

本文基于人機工程學(xué)光環(huán)境仿真技術(shù)，以某船舶主機艙為研究對象，在DIALUX環(huán)境中建立了主機艙光環(huán)境計算模型，并進行了光環(huán)境模擬計算。根據(jù)初步照明方案分析了機艙在正常照明情況下的照度分布情況，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化燈具布置方案，使照度分布更加合理。同時，計算了局部照明和應(yīng)急照明安全通道的光照強度，確保照度符合要求。計算結(jié)果表明，采用DIALUX軟件輔助照明系統(tǒng)設(shè)計可為前期設(shè)計人員提供更為科學(xué)的燈具設(shè)計和優(yōu)化布置依據(jù)，減少后期現(xiàn)場燈具布置更改，提高船舶設(shè)計建造效率。