劉 淵 夏 駿 傅曉紅 周祎隆

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海 200011）

0 引 言

2013年8月20日《2006年海事勞工公約》執(zhí)行生效，公約規(guī)定每名海員均有權(quán)獲得體面的船上工作和生活條件。由于船舶航行時間長，船上環(huán)境嚴(yán)苛，船員的生活工作環(huán)境急需改善。船舶照明系統(tǒng)覆蓋全船，對船員的生理以及心理都有著重要的影響，是改善船員生活工作環(huán)境的重要切入點。

近年來，船舶照明設(shè)計得到越來越多的關(guān)注。王國權(quán)列述了不同艙室所需要的照度水平，提供了船舶艙室照度設(shè)計參考值。蘇士斌等引入DIALux照度計算工具，有助于優(yōu)化照明布置、提高照度計算精度。李震等提出了一種基于區(qū)域面積權(quán)重分配的艦船艙室照明設(shè)計方法，以艙室內(nèi)區(qū)域平均照度標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，計算得到艙室整體照明光通量，不同功能區(qū)域面積對應(yīng)不同權(quán)重因子，將室內(nèi)總需光通量按權(quán)重分配，該方法有助于室內(nèi)照明局部優(yōu)化。王靜綺等提出了一種照明設(shè)計仿真系統(tǒng)并初步投入使用，能有效增加照明設(shè)計效率。文獻(xiàn)[7-9]指出LED照明在船舶照明系統(tǒng)中具有節(jié)能、穩(wěn)定和環(huán)保等優(yōu)勢，促進(jìn)了LED照明在船舶照明系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用。

然而，當(dāng)前雖有不少文獻(xiàn)可以指導(dǎo)設(shè)計滿足普通需求的船舶照明系統(tǒng)，卻鮮有文獻(xiàn)對不同艙室的照明需求進(jìn)行分析并提出滿足船上人員工作生活時身心需求的人性化船舶照明設(shè)計。

1 理論基礎(chǔ)

人類視網(wǎng)膜上第3種感光細(xì)胞——神經(jīng)結(jié)細(xì)胞，可以根據(jù)進(jìn)入人眼的可見光產(chǎn)生生物性反應(yīng)，控制人體的生理節(jié)律、體溫、心率以及皮質(zhì)醇和褪黑激素的分泌等，對人體的身心狀態(tài)產(chǎn)生影響，這種效應(yīng)簡稱光生物效應(yīng)。皮質(zhì)醇是應(yīng)激激素，可以提高血糖濃度，給人體提供能量，控制人的警覺性；褪黑激素可以控制人的睡眠。研究顯示，1 000 lx以內(nèi)，照度越高，光照促進(jìn)人體皮質(zhì)醇的分泌、抑制褪黑激素產(chǎn)生的能力越強(qiáng)，越能提高人的警覺性與注意力。基于現(xiàn)有的光生物效應(yīng)研究理論，可以針對不同船舶艙室的工作生活保障指標(biāo)設(shè)計照明方案，調(diào)節(jié)人體的生理狀態(tài)，提升環(huán)境舒適度。

照明的主要屬性包括照度、色溫和顯色指數(shù)。照度是指每單位面積所接受到的光通量，用于描述光照面的明暗；色溫用于描述光色冷暖；顯色指數(shù)是待測光源還原物體本來顏色的能力。傳統(tǒng)船舶室內(nèi)照明燈具以白熾燈及熒光燈為主，照明效果及控制方法單一。近年來，LED照明燈具在船舶照明系統(tǒng)中逐步得到推廣使用。表1對比了LED照明燈具與熒光燈特性。

表1 LED與熒光燈特性對比分析表

由表1可知，LED照明燈具相對于熒光燈而言，有多方面的優(yōu)勢：LED照明燈具的光譜幾乎全部集中在可見光區(qū)域，照明效率高達(dá)80%～90%，單體LED功率通常為0.5～1 W，光效為70～130 lm/W，能以較低的能耗提供同樣的照度水平；LED光源有暖白、白色和藍(lán)白等多種可選色溫，可以根據(jù)要求設(shè)定所需要的色溫；LED燈的響應(yīng)時間為納秒級，可以通過控制電路靈活地控制光源參數(shù)，實現(xiàn)數(shù)字化控制。

基于LED的上述特性以及光生物效應(yīng)，船舶照明設(shè)計可以通過控制LED燈具的照度、色溫以及顯色指數(shù)等參數(shù)來實現(xiàn)不同艙室的不同照明需求。

2 人性化照明設(shè)計方法

現(xiàn)階段主要船型有集裝箱船、油船、散貨船、LNG船、客滾船、軍艦、科考船及豪華游輪等，本文所提出的設(shè)計方法對所有類型的船舶均適用，尤其適用于科考船和豪華游輪等對船上環(huán)境要求較高的船型。

船舶照明系統(tǒng)包含正常照明、應(yīng)急照明以及臨時應(yīng)急照明系統(tǒng)。正常照明系統(tǒng)為船舶照明的主要部分，由主發(fā)電機(jī)經(jīng)主配電板供電；應(yīng)急照明在正常工況下由主發(fā)電機(jī)經(jīng)應(yīng)急配電板供電，在應(yīng)急工況下由應(yīng)急發(fā)電機(jī)經(jīng)應(yīng)急配電板供電；臨時應(yīng)急照明由直流24 V電源供電。正常工況下，正常照明與應(yīng)急照明同時提供照明功能，臨時照明不工作。本文所提出的船舶室內(nèi)照明設(shè)計方法基于正常工況，因此只考慮正常照明與應(yīng)急照明同時工作的情況，并且下文設(shè)計時只討論整體照明效果，不分正常以及應(yīng)急兩個系統(tǒng)討論。

船舶內(nèi)部少有自然光照明。出于水密性的要求，主船體只能設(shè)置采光面積有限且數(shù)量較少的舷窗，即使是白天，艙內(nèi)依然偏暗，需要燈光照明。上層建筑采光窗同樣較小，導(dǎo)致采光量少，而沒有面向外部空間壁面的中部艙室，自然光照更是無法獲得。因此，船舶照明設(shè)計主要考慮燈具本身的光照，本文將忽略自然光照的影響展開研究。

本文所提出的照明設(shè)計方法旨在滿足船上人員在不同艙室的工作和生活的需要，幫助船上人員更好地工作和休息，設(shè)計步驟包括燈點數(shù)量選擇、照明燈點布置、DIALux軟件驗證、色溫選擇、顯色指數(shù)設(shè)定以及控制方式選擇。

2.1 燈點數(shù)量選擇

基于現(xiàn)有的研究成果，對于船上人員警覺度專注度要求越高的艙室，選用越高的照度；例如會議室、閱覽室等艙室需要人員能夠保持較高的專注度，則需設(shè)計較高的照度。當(dāng)存在部分艙室在不同時間需要不同的照度時，可以選用調(diào)光開光，或者選擇增加燈點，選擇分時點亮，在不同時間設(shè)定不同的照度值。例如住艙，睡前要求照度較低，有助于睡眠，早晨要求較高照度，有利于喚醒艙室人員。

常用照度設(shè)計計算方法有利用系數(shù)法、比功率法和逐點法，此處選用比功率法，根據(jù)所需照度值確定所需燈具總功率，從而得到燈點數(shù)。比功率計算方法如式（1）所示：

式中：為所需燈具總功率，W；W為單位面積所需功率（比功率值），W/m；為艙室面積，m。

對于LED燈，當(dāng)所需照度為×100 lx時，選用W≥×4 W/m，為正整數(shù)，從而可以求得總功率，繼而算得所需的最少燈點數(shù)。

2.2 照明燈點布置

由于船舶艙室種類多樣且形狀多不規(guī)則，本文結(jié)合船艙工作、生活條件的照明保障指標(biāo)以及艙室形狀對燈具進(jìn)行分類布置。視野內(nèi)的亮度對比過強(qiáng)而讓人產(chǎn)生的不舒適感（或者使觀看對象的可見度降低）即為眩光，會嚴(yán)重影響視覺感受，引起視覺不適、眼疲勞、頭痛和偏頭痛等癥狀?？刂蒲９庑枰侠淼恼斩人胶瓦m當(dāng)?shù)牧炼确植?，黃海靜提出控制室內(nèi)最大照度與最小照度對比值不超過5∶1，能有效控制眩光。為盡可能保證照明的均勻與美觀，本文選用“局部照明布置”以及“均勻照明布置”兩種布置方式，以實現(xiàn)合理的照度水平以及適當(dāng)?shù)牧炼确植肌?/p>

根據(jù)艙室特點，本文將船舶艙室分為三類：有人員集中區(qū)的艙室為一類艙室；無人員集中區(qū)以及不規(guī)則形狀的非機(jī)器設(shè)備間為二類艙室；機(jī)器設(shè)備間為三類艙室。一類艙室有內(nèi)裝板，燈具不易受損，采用蓬頂燈嵌入式安裝，并采用蓬頂燈局部布置結(jié)合均勻布置方式；二類艙室同樣有內(nèi)裝板，但無人員集中區(qū)或者形狀不規(guī)則，選用蓬頂燈均勻布置；三類艙室無內(nèi)裝板，且有大量機(jī)器設(shè)備，燈具易受損，為考慮安全性，選用艙頂燈均勻布置。詳細(xì)艙室布置方案參見表2。

表2 艙室照明燈點布置選擇

2.3 DIALux軟件驗證

通過DIALux軟件對設(shè)計艙室進(jìn)行建模，驗證照度是否符合要求，若不符合則增加或減少燈點，直到離所需照度要求最接近；同時查看艙室內(nèi)最大照度與最小照度對比值不超過5∶1，若存在最大照度與最小照度對比值超過5∶1的情況，則調(diào)整燈點位置直至滿足要求。

2.4 色溫選擇

色溫是影響人體正性情緒和認(rèn)知能力的主效應(yīng)。黃海靜研究表明：相對于低色溫光源下，在中高色溫光源下，人體瞳孔變化小，注意力集中。因此，可以根據(jù)艙室功能對人員注意力集中性的需求選擇光源色溫。LED光源常用色溫為3 000～6 500 K，對于注意力集中要求高的艙室，可以選擇5 000～6 500 K的色溫，對注意力集中性要求一般的艙室，可以選擇4 000～5 000 K的色溫，需要放松環(huán)境的艙室，可以選擇3 000～4 000 K的色溫。

2.5 顯色指數(shù)設(shè)定

對于一般艙室，顯色指數(shù)一般要求＞80；對于實驗室等對真實色彩還原能力要求較高的場所，顯色指數(shù)設(shè)定為90。目前，LED燈具顯色指數(shù)通常在80～90，可以滿足船上不同艙室的顯色指數(shù)需求。

2.6 控制方式選擇

在布置好燈點后，根據(jù)艙室內(nèi)設(shè)備使用情況選擇燈具控制方式，進(jìn)行系統(tǒng)圖設(shè)計。對于需要局部照明處所的照明回路，進(jìn)行單獨控制。例如會議室投影處燈光需要單獨控制，在投影時，可以將投影區(qū)域燈點關(guān)閉，色溫根據(jù)低照度要求時選擇。

下頁圖1為本設(shè)計方法的流程圖。

圖1 設(shè)計流程圖

3 設(shè)計實例

本文以某科考船為例，說明本設(shè)計的可行性。首先根據(jù)艙室工作生活保障指標(biāo)選擇全船照度，結(jié)果如表3所示。

表3 艙室照度選擇

3.1 一類艙室案例

選取該船會議室為例說明。該會議室照度要求＞200 lx，面積為31.26 m，該艙室局部照明燈具類型選擇200 W面板蓬頂燈，負(fù)責(zé)人員集中區(qū)（會議桌）照明。為使照明均勻，在過道增加8 W筒燈，則至少需要（31.26×8-200）/8≈6盞筒燈。

燈點數(shù)確定后，此處根據(jù)艙室形狀，選用14盞筒燈。將燈點按要求布置在艙室內(nèi)。在DIALux中，對艙室進(jìn)行建模計算，會議室3D模型如圖2所示，等照度線如下頁圖3所示。平均照度值為350 lx，工作面照度值大于300 lx，滿足設(shè)計要求。

圖2 會議室3D模型

圖3 會議室點照度圖

會議室對人員注意力集中性要求高，色溫選擇5 000 K，顯色指數(shù)要求＞90；由于只有一扇門，控制方式只需選擇單聯(lián)開關(guān)。

3.2 二類艙室案例

選取該船某一高級船員套間為例說明。該套間休息室所需照度為100 lx，面積為15.75 m；臥室照度睡前要求為50 lx，早起照度要求為100 lx，面積為6.44 m。該艙室燈具類型選擇8 W筒燈，則休息室需要15.75×4/8≈8盞筒燈，臥室睡前需要6.44×2/8≈2盞筒燈，早起時需要4盞。

燈點數(shù)確定后，將燈點均勻分布于艙室內(nèi)。在DIALux中，對艙室進(jìn)行建模計算，此處臥室按睡前要求設(shè)計，艙室3D模型如下頁圖4所示，等照度線如圖5所示。休息室平均照度值為102 lx，臥室平均照度值為68 lx。照度值滿足設(shè)計要求。

圖4 高級船員套間3D模型

圖5 高級船員套間點照度圖

此套間色溫選擇3 500 K，顯色指數(shù)要求＞80，控制采用各單間雙聯(lián)雙控開關(guān)控制，設(shè)兩處開關(guān)，方便操作。至此，完成該艙室照明設(shè)計。

4 結(jié) 語

本文以改善船上人員工作及生活條件為出發(fā)點，基于已有的光生物效應(yīng)理論，提出了一種人因船舶照明設(shè)計方法，對艙室照度、燈具布置、色溫以及顯色指數(shù)進(jìn)行設(shè)定，探討了照明控制方式，并給出了詳細(xì)的設(shè)計步驟；而后，以實船項目為例，選取兩個典型的房間，介紹了該設(shè)計方法的實際應(yīng)用。本文所提出的照明設(shè)計方法，為船舶照明設(shè)計提出了新的設(shè)計思路，能顯著改善船上人員的工作及生活環(huán)境。