船舶機(jī)艙光環(huán)境仿真

朱 煜，楊 駿，王 杰，張紅偉，朱明華

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913）

0 引 言

機(jī)艙照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)是船舶設(shè)計(jì)中的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，由于機(jī)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(jī)艙的光照強(qiáng)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(jī)艙面積較為狹小，光環(huán)境較為惡劣。因此，在船舶設(shè)計(jì)初期應(yīng)對(duì)其照明系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，引入并行工程思想，將基于人機(jī)工程學(xué)的光環(huán)境仿真評(píng)估技術(shù)融入船舶設(shè)計(jì)中，以便對(duì)光環(huán)境進(jìn)行快速評(píng)估并對(duì)設(shè)計(jì)存在的不足及時(shí)進(jìn)行改進(jìn)，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)優(yōu)化的目的。船舶機(jī)艙的光環(huán)境評(píng)估主要針對(duì)其內(nèi)部的照度分布，因此本文主要以機(jī)艙工作面的照度分布情況為研究對(duì)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(jìn)行照度的人工計(jì)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(jì)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(jì)要求[1-2]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，各類照度計(jì)算軟件的出現(xiàn)使得基于人機(jī)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(jī)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(jì)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(jī)艙模型，采用DIALUX軟件為其布置照明系統(tǒng)，并對(duì)其光環(huán)境進(jìn)行快速評(píng)估，得到工作面光照強(qiáng)度分布情況，同時(shí)提出優(yōu)化方案。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算局部照明和應(yīng)急照明情況。計(jì)算結(jié)果表明，機(jī)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(jì)算原理

船舶照度計(jì)算的主要方法有利用系數(shù)法、比功率法和逐點(diǎn)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(jī)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(diǎn)法計(jì)算簡單、中間過程少、誤差小，對(duì)于室內(nèi)和室外走道、機(jī)爐艙等反射條件極差的場(chǎng)所而言，采用該方法進(jìn)行照度計(jì)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(diǎn)；M為過P點(diǎn)的水平面。

P點(diǎn)的照度為：

圖1 光源與照度

式(1)～式(3)中：l為光源與P點(diǎn)之間的距離，m；θ為光源至被照點(diǎn)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(qiáng)度，由燈具的配光曲線查得，cd；En為P點(diǎn)法線照度，lx；Eh為P點(diǎn)水平面照度，lx；EV為P點(diǎn)垂直面照度，lx。

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

2 模型建立

該船的主機(jī)艙分為上下2層，中間有貫通區(qū)域，主要包含3臺(tái)主柴油發(fā)電機(jī)組、1臺(tái)停泊柴油發(fā)電機(jī)組、熱水鍋爐、各類管路和電氣設(shè)備。機(jī)艙的尺寸為19.0m×15.0m×8.8m。由于機(jī)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(jī)、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(gè)計(jì)算平面，距離地板0.8m。根據(jù)設(shè)備表面的實(shí)際情況設(shè)置反射系數(shù)。本文在保證一定計(jì)算精度的基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)備模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，以減少計(jì)算時(shí)間。

3 燈具布置方案分析和優(yōu)化

機(jī)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(diǎn)布置方案，從而保證有適當(dāng)多的照射點(diǎn)，使主要機(jī)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(jī)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(jī)艙整體平均照度采用美國照明工程學(xué)會(huì)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(jìn)行照度計(jì)算，得出計(jì)算平面的照度分布情況，根據(jù)計(jì)算結(jié)果并結(jié)合實(shí)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(jìn)行關(guān)鍵區(qū)域局部照明計(jì)算。

3.1 方案1

初始照明系統(tǒng)布置見圖2，機(jī)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(jī)艙上層燈具的安裝高度為7.8m（距上層甲板2.0m），機(jī)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(duì)該方案進(jìn)行照度計(jì)算，得到機(jī)艙上層和下層計(jì)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(dòng)生成的報(bào)表可得到以下結(jié)論：

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

2) 機(jī)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(shí)挖空區(qū)域下方布置有柴油機(jī)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(duì)該區(qū)域的燈具布置進(jìn)行完善；

3) 燈具4位于變壓器頂部，其光線會(huì)被變壓器遮擋；

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

5) 機(jī)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(jī)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(jìn)的方向垂直，沒有采用錯(cuò)落布置方式，會(huì)對(duì)船員造成眩光影響。

圖3 機(jī)艙上層計(jì)算平面照度分布

圖4 機(jī)艙下層計(jì)算平面照度分布

3.2 方案2

針對(duì)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(duì)燈具進(jìn)行重新編號(hào)，熒光吊頂燈的總量保持不變，對(duì)其位置進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，同時(shí)增加3盞鎢光投射燈。具體修改方案如下：

1) 調(diào)整機(jī)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(gè) 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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行計(jì)算，得到機(jī)艙上層和下層計(jì)算平面照度分布分別見圖6和圖7。由圖6和圖7可知，計(jì)算平面平均照度滿足規(guī)范推薦值的要求，同時(shí)整個(gè)機(jī)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(jī)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(jìn)后機(jī)艙上層計(jì)算平面照度分布

圖7 改進(jìn)后機(jī)艙下層計(jì)算平面照度分布

3.3 局部工作面照度計(jì)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(jìn)行照度分析，檢驗(yàn)該照明方案是否滿足局部照明的相關(guān)要求。

圖8 主機(jī)操作板照度分布

3.3.1 主機(jī)操作板

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

3.3.2 通道區(qū)域

選取機(jī)艙上層和下層甲板為計(jì)算表面，其照度分布分別見圖9和圖10，其中陰影區(qū)域?yàn)橥ǖ?，可見機(jī)艙通道區(qū)域光照強(qiáng)度均明顯大于30lx，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 機(jī)艙上層甲板照度分布

圖10 機(jī)艙下層甲板照度分布

4 應(yīng)急照明照度計(jì)算

在方案2的基礎(chǔ)上加入應(yīng)急照明燈光場(chǎng)景（見圖11），機(jī)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(jī)艙應(yīng)急照明分布

設(shè)置安全通道，寬度為0.8m。機(jī)艙上層和下層應(yīng)急照明照度分布分別見圖12和圖13。機(jī)艙上層安全通道的平均照度為125lx，機(jī)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(jī)艙上層應(yīng)急照明照度分布

圖13 機(jī)艙下層應(yīng)急照明照度分布

5 結(jié) 語

本文基于人機(jī)工程學(xué)光環(huán)境仿真技術(shù)，以某船舶主機(jī)艙為研究對(duì)象，在DIALUX環(huán)境中建立了主機(jī)艙光環(huán)境計(jì)算模型，并進(jìn)行了光環(huán)境模擬計(jì)算。根據(jù)初步照明方案分析了機(jī)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(shí)，計(jì)算了局部照明和應(yīng)急照明安全通道的光照強(qiáng)度，確保照度符合要求。計(jì)算結(jié)果表明，采用DIALUX軟件輔助照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)可為前期設(shè)計(jì)人員提供更為科學(xué)的燈具設(shè)計(jì)和優(yōu)化布置依據(jù)，減少后期現(xiàn)場(chǎng)燈具布置更改，提高船舶設(shè)計(jì)建造效率。