張 政，楊放青，趙梓安，張 斌

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海201913）

0 引 言

船舶機(jī)艙等大型艙室內(nèi)的燈具規(guī)格和數(shù)量眾多，以往都是根據(jù)對(duì)應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式和工作經(jīng)驗(yàn)布置的。由于各型船艙室的實(shí)際環(huán)境不盡相同，加上燈具的種類繁雜，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)布置燈具工作繁重且計(jì)算不精確，易導(dǎo)致局部區(qū)域出現(xiàn)暗淡和光照不足等現(xiàn)象，進(jìn)而影響船員對(duì)設(shè)備的操作和維修，影響船舶的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，船用照明設(shè)備在艙室內(nèi)出現(xiàn)照明過(guò)亮的情況易損傷船員的眼睛，并造成能源浪費(fèi)。對(duì)船舶艙室的照明系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算，就是利用計(jì)算機(jī)仿真程序快速、直觀地獲取空間內(nèi)任意一點(diǎn)的光照強(qiáng)度，這相對(duì)于傳統(tǒng)方法能使計(jì)算工作量大大減少，且計(jì)算機(jī)仿真程序的使用極為方便，計(jì)算精確度較高，易修改，可重用，具有更強(qiáng)的系統(tǒng)適應(yīng)能力，同時(shí)可通過(guò)二次開(kāi)發(fā)拓展運(yùn)用到其他船型的艙室光場(chǎng)計(jì)算中。因此，對(duì)船上的照明系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證計(jì)算尤為重要。隨著技術(shù)的進(jìn)步，船舶建造逐漸朝著智能化和數(shù)字化方向發(fā)展，船舶艙室的光場(chǎng)優(yōu)化布置已成為艙室環(huán)境發(fā)展的重點(diǎn)方向。

本文主要研究照明計(jì)算方法和多光源在同一點(diǎn)的光線迭代的問(wèn)題，驗(yàn)證機(jī)艙燈具布置的合理性；同時(shí)，開(kāi)發(fā)一套通用型光場(chǎng)驗(yàn)證界面程序，為設(shè)計(jì)人員提供一款便捷的光場(chǎng)計(jì)算工具，提高船舶建造的效率和質(zhì)量，提高船舶的舒適度，降低船舶建造成本，節(jié)約船舶能源。

1 艙室光場(chǎng)仿真數(shù)值模擬方法

1.1 研究對(duì)象

動(dòng)力系統(tǒng)性能是衡量船舶性能的重要參數(shù)之一，機(jī)艙是動(dòng)力系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的重要場(chǎng)所。動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)主要通過(guò)對(duì)機(jī)艙內(nèi)的設(shè)備和閥門(mén)進(jìn)行有效操作實(shí)現(xiàn)，而機(jī)艙第一格柵層中包含多個(gè)主設(shè)備（如主鍋爐、主機(jī)），該區(qū)域是工作人員對(duì)設(shè)備和閥門(mén)進(jìn)行檢測(cè)、調(diào)試和維修的主要場(chǎng)所。因此，可將機(jī)艙右舷第一格柵層作為機(jī)艙光場(chǎng)仿真的典型區(qū)域，將該格柵層的燈具作為仿真對(duì)象，主要照明燈具有獨(dú)立式應(yīng)急燈（明裝式）、強(qiáng)光燈（黃色）、LED（Light-Emiting Diode）長(zhǎng)方形艙頂燈（帶LED應(yīng)急照明）、LED長(zhǎng)方形艙頂燈和LED圓柱形艙頂燈。各燈具的性能參數(shù)和數(shù)量見(jiàn)表1。

表1 各燈具的性能參數(shù)和數(shù)量

光通量是指光源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射出的光量，單位為lm。光效是指光源發(fā)出的總光通量與該光源消耗的電功率的比值，單位為lm／W。配光曲線是指光源在空間內(nèi)各方向的光強(qiáng)分布。極坐標(biāo)配光曲線是一種常見(jiàn)的燈具配光曲線表示方法，通過(guò)該曲線可得出距離燈具不同高度和不同角度的光強(qiáng)值。各燈具極坐標(biāo)配光曲線見(jiàn)圖1，LED圓柱型艙頂燈的配光曲線是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，另外3種燈具的配光曲線不是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，而是分為橫向和縱向2組，其中的90°差值，以每2°為1組數(shù)據(jù)進(jìn)行差值計(jì)算。

圖1 各燈具極坐標(biāo)配光曲線

1.2 數(shù)學(xué)模型建立

第一格柵層長(zhǎng)22.7 m，寬14.0 m，高3.4 m，該區(qū)域的照明系統(tǒng)支持在各種工況下對(duì)機(jī)艙進(jìn)行照明，其主要照明燈具有應(yīng)急燈、強(qiáng)光燈和艙頂燈。為方便計(jì)算，不同種類的光源均近似為點(diǎn)源。由于各類型燈具在垂直一格柵層平面方向的厚度為100 mm，相對(duì)于一格柵層的高度（3.4 m）可忽略不計(jì)，因此可認(rèn)為點(diǎn)源是在艙室頂板平面上的。各類型燈具的外形（長(zhǎng)方形或圓形）較為規(guī)則，可將光源進(jìn)一步近似看作燈具在頂板投影圖形中的中心坐標(biāo)。燈具光源簡(jiǎn)化之后在艙室頂板平面上的布置見(jiàn)圖2。

圖2 一格柵層內(nèi)各型燈的布置圖

1.3 數(shù)值模擬方法

照度是指物體被照亮的程度，用單位面積接受的光通量表示，單位為lm／m。船舶照明計(jì)算方法主要有利用系數(shù)法、概算曲線法、比功率法和逐點(diǎn)法等4種。

1）利用系數(shù)法是指根據(jù)預(yù)先確定的燈具數(shù)量、燈具類型和房間的特性，按所需的平均照度計(jì)算所需的光通量的方法。該方法法考慮了反射光的效應(yīng)，適于計(jì)算艙室內(nèi)部的平均照度。

2）概算曲線法是指利用已做好的概算曲線（即當(dāng)被照面上的平均照度為100 lx時(shí)，房間面積與所用燈具數(shù)量的關(guān)系曲線），根據(jù)艙室大小直接求得所需燈具的數(shù)量的方法。該方法適于進(jìn)行大量樣品分析，但易出現(xiàn)較大的誤差。

3）比功率法是指根據(jù)艙室的最低平均照度要求、艙室面積所需照明功率和艙室具體布置確定照明燈具的類型和數(shù)量的方法。

4）逐點(diǎn)法是根據(jù)光源形狀、燈具配光曲線和被照面上某點(diǎn)要求的照度值進(jìn)行照明計(jì)算的方法。光源直射被照面，不考慮天花板、墻壁的反射等因素。這種方法多用于室外、走道和機(jī)艙等處的照明計(jì)算中。

人工照明燈光和艙室艙壁及設(shè)備反射光線是機(jī)艙內(nèi)光線的主要來(lái)源，根據(jù)GB／T 3458—1993《船舶艙室照度計(jì)算與測(cè)量方法》的要求，在對(duì)機(jī)艙的照度進(jìn)行計(jì)算時(shí)，往往只需計(jì)算其來(lái)自光源的直射光通，而不考慮墻壁和天花板的反射等因素。因此，本文選擇采用逐點(diǎn)法對(duì)機(jī)艙照明進(jìn)行仿真。

圖3為光源與照度示意圖，其中：S為光源；P為所求照度點(diǎn)；M為過(guò)P點(diǎn)的水平面。

圖3 光源與照度示意圖

P點(diǎn)的照度為

式（1）～式（3）中：I為光源與被照點(diǎn)P之間的距離，m；θ為由光源至被照點(diǎn)的射線與光源垂直高度線的夾角，（°）；I為θ角方向的發(fā)光強(qiáng)度，由燈具的配光曲線查得，cd；E為P點(diǎn)法向平面照度，lx；E為P點(diǎn)水平面照度，lx；E為P點(diǎn)垂直面照度，lx。

一般情況下，只需計(jì)算水平面照度。假如P點(diǎn)不是由1盞燈照射的，而是由若干盞燈照射的，則P點(diǎn)的照度為各盞燈在其該點(diǎn)照度的總和，即

由于設(shè)備制作廠提供的燈具光強(qiáng)分布數(shù)據(jù)是按其光通量1 000 lm給出的，在照度計(jì)算中引用光強(qiáng)數(shù)據(jù)時(shí)，若實(shí)際光通量不足1 000 lm，則光強(qiáng)的計(jì)算公式應(yīng)換算為

式（5）中：I為燈具在θ角方向的發(fā)光強(qiáng)度，由燈具的配光曲線查得，cd；I為燈具光通量為1 000 lm時(shí)在θ角方向的發(fā)光強(qiáng)度，cd；I為燈具在θ角方向上考慮燈具的光通量偏差的糾正發(fā)光強(qiáng)度；F為最低光通量，lm。

若考慮燈具維護(hù)系數(shù)M，則實(shí)際照度參考公式應(yīng)為

1.4 指標(biāo)分析

該船機(jī)艙照明系統(tǒng)的照度在滿足GJB 4000—2000《艦船通用規(guī)范》的基礎(chǔ)上，根據(jù)同型船的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化調(diào)整，艙室照度優(yōu)化設(shè)計(jì)參考值見(jiàn)表2。

表2 艙室照度優(yōu)化設(shè)計(jì)參考值

機(jī)艙主要包含機(jī)械設(shè)備艙室和電子設(shè)備艙室，對(duì)應(yīng)的GJB 4000—2000《艦船通用規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)分別是150 lx和175 lx?？紤]到總體設(shè)計(jì)所在初步設(shè)計(jì)對(duì)該船機(jī)艙的設(shè)計(jì)參考值為200 lx，機(jī)艙內(nèi)的照度應(yīng)在200 lx以上。

2 計(jì)算結(jié)果分析

基于逐點(diǎn)法，在不考慮反射的情況下，將光源近似看作頂板平面上的點(diǎn)源，參考燈具配光曲線，根據(jù)對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式，利用編程語(yǔ)言計(jì)算多光源在某一點(diǎn)多次迭代之后的照度值，利用仿真模擬程序?qū)υ摍C(jī)艙光場(chǎng)進(jìn)行仿真。本文選取照明系統(tǒng)最常用的工況作為典型狀態(tài)，即獨(dú)立式應(yīng)急燈在非應(yīng)急狀態(tài)下處于關(guān)閉狀態(tài)，其他燈具均處于開(kāi)啟狀態(tài)。為更好地觀察艙室內(nèi)光場(chǎng)的分布，選取距離艙室第一格柵層0 m、0.8 m、1.6 m和2.4 m的高度面作為參考面，所取平面上每一點(diǎn)的光場(chǎng)強(qiáng)度都是多個(gè)燈源在該點(diǎn)的效果疊加，相應(yīng)得出以下結(jié)果。

光場(chǎng)分布云圖中的橫坐標(biāo)表示一格柵層的長(zhǎng)度為22.7 m，縱坐標(biāo)表示一格柵層的寬度為14 m。根據(jù)光場(chǎng)分布云圖，機(jī)艙中距離第一格柵層2.4 m的區(qū)域的照度較大。圖4為h＝2.4 m時(shí)的光場(chǎng)分布三維云圖，可看出該區(qū)域出現(xiàn)了峰群。這是由于該區(qū)域距離燈具較近，導(dǎo)致局部區(qū)域的照度較大，距離燈源最近的地方會(huì)出現(xiàn)最大的照度值，因此每個(gè)燈具都能產(chǎn)生一個(gè)峰，且峰的位置與燈具的坐標(biāo)一一對(duì)應(yīng)，其中2個(gè)照度較大的峰是由2個(gè)強(qiáng)光燈引起的。

圖4 h＝2.4 m時(shí)的光場(chǎng)分布三維云圖

同樣地，觀測(cè)機(jī)艙中距離第一格柵層1.6 m的區(qū)域，由其光場(chǎng)分布云圖和光場(chǎng)分布三維云圖（見(jiàn)圖5）可知，該區(qū)域相對(duì)于距離第一格柵層2.4 m的區(qū)域，峰群的照度值略微減小。

圖5 h＝1.6 m時(shí)的光場(chǎng)分布三維云圖

對(duì)機(jī)艙中距離第一格柵層0.8 m的區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)，獲取光場(chǎng)分布云圖和光場(chǎng)分布三維云圖見(jiàn)圖6。由圖6可知，該區(qū)域峰群已消失，只剩下2個(gè)照度值較大的峰，這是由于距離進(jìn)一步增大引起照度急劇減小，再加上其他光源的干涉影響，導(dǎo)致峰群消失。

圖6 h＝0.8 m時(shí)的光場(chǎng)分布三維云圖

同理，對(duì)機(jī)艙中距離第一格柵層0 m的區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)，獲取其光場(chǎng)分布云圖和光場(chǎng)分布三維云圖見(jiàn)圖7。由圖7可知，剩下2個(gè)峰的照度值明顯減小，照度低于200 lx的區(qū)域的面積相對(duì)于距離第一格柵層0.8 m的區(qū)域明顯增加，這是由于距離繼續(xù)增大引起照度進(jìn)一步減小。

圖7 h＝0 m時(shí)的光場(chǎng)分布三維云圖

根據(jù)GB／T 3458—1993《船舶艙室照度計(jì)算與測(cè)量方法》的要求，測(cè)量平面一般為距離地面800 mm的水平面。由距離艙室第一格柵層0.8 m的仿真結(jié)果可知，機(jī)艙大部分區(qū)域的照度都能滿足指標(biāo)的要求（≥200 lx），僅機(jī)艙的前后兩端靠外側(cè)區(qū)域（距離一格柵層0.8 m以內(nèi)）等局部邊角區(qū)域的照度較弱，考慮該區(qū)域?qū)嶋H上是某大型設(shè)備基座的安放區(qū)域，幾乎無(wú)設(shè)備操作和維護(hù)需求，對(duì)燈光的需求較低，機(jī)艙照明系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。由于該船還處于前期工程建造階段，目前無(wú)法對(duì)機(jī)艙的光場(chǎng)照度進(jìn)行實(shí)船測(cè)量，因此暫時(shí)無(wú)法通過(guò)理論結(jié)合實(shí)際進(jìn)行驗(yàn)證。后期可根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修改。

根據(jù)前述分析，考慮光場(chǎng)仿真的實(shí)際需求，立足于能方便地預(yù)測(cè)光場(chǎng)照度和驗(yàn)證燈具布置的合理性，針對(duì)分析的艙室開(kāi)發(fā)一套可用于進(jìn)行艙室配光和光照計(jì)算的可視化界面程序，仿真界面見(jiàn)圖8。該界面程序首先在后臺(tái)設(shè)置好艙室主尺度參數(shù)，以及燈具的種類、數(shù)量和位置，其次通過(guò)下拉菜單設(shè)置不同類型燈具的開(kāi)閉情況，最后輸入選測(cè)平面的高度，通過(guò)計(jì)算及時(shí)獲取艙室內(nèi)的照度分布數(shù)據(jù)，并通過(guò)界面中的窗口將光場(chǎng)分布等值線圖和光場(chǎng)分布云圖直觀地展現(xiàn)出來(lái)。通過(guò)運(yùn)用該界面程序，可快速獲取特定艙室光場(chǎng)的各種現(xiàn)象和狀態(tài)，降低配光難度，使相關(guān)艙室能準(zhǔn)確、高效地獲得預(yù)定的燈光布置方案，大幅提升船舶艙室配光設(shè)計(jì)工作的準(zhǔn)確性和效率。

圖8 仿真界面

3 結(jié) 語(yǔ)

本文為驗(yàn)證艙室燈具布置的合理性，以多種燈具為研究對(duì)象，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，通過(guò)自編程序構(gòu)建了一種艙室光場(chǎng)仿真計(jì)算方法，得到了不同高度平面內(nèi)的光照強(qiáng)度分布；同時(shí)，結(jié)合機(jī)艙光照強(qiáng)度的實(shí)際需求分析了局部區(qū)域光照強(qiáng)度能否滿足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了機(jī)艙照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，開(kāi)發(fā)了一套適于進(jìn)行船舶艙室燈光照度計(jì)算的可視化界面程序。計(jì)算分析結(jié)果表明：機(jī)艙一格柵層的照明系統(tǒng)具有良好的照明性能，燈光布置方案滿足設(shè)計(jì)要求。采用的數(shù)值計(jì)算方法和模型處理方式適用于同類型艙室的照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)和燈具布置方案優(yōu)化中。開(kāi)發(fā)的可視化界面程序具有良好的實(shí)用價(jià)值，支持參數(shù)調(diào)整和二次腳本開(kāi)發(fā)，可在不對(duì)實(shí)船造成任何損傷的前提下，以極低的成本重復(fù)地展現(xiàn)光場(chǎng)的分布狀態(tài)，大幅度提升船舶建造質(zhì)量和艙室配光效率。