LED燈具在船舶照明及智能照明系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用

陳 浩

（上海歐得利船舶工程有限公司，上海 200023）

關(guān)鍵字：LED；照明應(yīng)用；智能照明系統(tǒng)

0 引言

隨著人們對(duì)于綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展理念的日益認(rèn)同，以及技術(shù)的成熟和成本的下降，LED越來越成為照明領(lǐng)域的主流趨勢(shì)。2011年，國(guó)家發(fā)展改革委聯(lián)合商務(wù)部、海關(guān)總署等五部委發(fā)布的《中國(guó)逐步淘汰白熾燈路線圖》，2013年，工業(yè)和信息化部、科學(xué)技術(shù)部、環(huán)境保護(hù)部聯(lián)合公告的《中國(guó)逐步降低熒光燈含汞量路線圖》，都宣告了傳統(tǒng)照明方式的即將落幕。

同時(shí)，智能船舶成為了國(guó)際海事界的新熱點(diǎn)。2018年，工業(yè)和信息化部、交通運(yùn)輸部、國(guó)防科工委聯(lián)合印發(fā)了《智能船舶發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2019—2021年）》的通知，為我國(guó)船舶工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，支撐我國(guó)智能航運(yùn)建設(shè)明確了目標(biāo)、指明了方向[1]。

本文探討了LED在船舶典型艙室中的應(yīng)用，以及將 LED優(yōu)勢(shì)與智能船舶照明系統(tǒng)相結(jié)合一些應(yīng)用前景。

1 LED燈具概述

LED為發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）的英語首字母縮寫。作為一種半導(dǎo)體材料，LED的核心是由P型與N型半導(dǎo)體組成的晶片，兩者之間的過渡層為PN結(jié)，具有單向?qū)щ娦?。?dāng)給LED施加正向電壓后，N區(qū)中的自由電子往P區(qū)移動(dòng)，與P區(qū)內(nèi)的空穴在 PN結(jié)附近相結(jié)合，電子和空穴消失的同時(shí)產(chǎn)生光子，從而發(fā)光，如圖1所示。

自1962年美國(guó)通用電氣公司首次將紅色LED商品化開始，經(jīng)過近60年的發(fā)展革新，LED技術(shù)日趨成熟，用戶接受認(rèn)可度日益提高，已經(jīng)具備替代傳統(tǒng)照明的能力。

LED燈具的優(yōu)勢(shì)：作為一種固態(tài)發(fā)光體，LED體積小、抗振性強(qiáng)、耐腐蝕性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、發(fā)光效率高、安全性高、色溫豐富、亮度可控制、不含汞及其他有毒物質(zhì)，是一種綠色環(huán)保的光源產(chǎn)品。傳統(tǒng)船用照明燈具多以白熾燈、熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈（鈉燈、水銀燈、金屬鹵化燈）為主，在發(fā)光效率、壽命、色溫、顯色指數(shù)等方面各有不足。某品牌LED燈具與幾款傳統(tǒng)燈具的對(duì)比見表1。

圖1 典型LED結(jié)構(gòu)

表1 LED燈具與傳統(tǒng)燈具對(duì)比

從表1可以看出，LED蓬頂燈的發(fā)光效率是熒光燈的1.6倍，是白熾燈的2.1倍，優(yōu)勢(shì)十分明顯。

又由于LED照明光源屬于低壓微電子產(chǎn)品，融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、嵌入控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等，為船舶照明設(shè)備智能化控制的實(shí)現(xiàn)提供了豐富的可能性。

2 LED燈具在典型船舶艙室中的應(yīng)用

2.1 色溫選擇與船員健康

遠(yuǎn)洋船舶航線時(shí)間較長(zhǎng)、壓力大，工作區(qū)域噪聲大、濕熱度高，船體振動(dòng)和搖晃使船員長(zhǎng)期處于顛簸和振蕩之中，加之長(zhǎng)期在一種單調(diào)燈光下工作引起的視覺疲勞，這些都嚴(yán)重影響了船員的身心健康，導(dǎo)致船員情緒低落、易怒、冷漠、固執(zhí)，容易引發(fā)酗酒等不良行為和增加罹患抑郁癥等疾病的風(fēng)險(xiǎn)。為了維護(hù)船員的健康，除了需要進(jìn)行人為心理疏導(dǎo)干預(yù)之外，盡量為船員提供舒適的生活和工作環(huán)境也是可行方法之一。而照明燈具色溫的選擇運(yùn)用對(duì)改善照明環(huán)境的作用不可忽視。

色溫是表示光源光色的尺度，是指光波在不同能量下人眼所能感受到的顏色變化，單位為K。

LED的色溫范圍較廣，2 000 K～9 000 K，如圖2所示。

圖2 色溫漸變圖

選擇合適的色溫能夠?yàn)榇瑔T營(yíng)造更為舒適的照明環(huán)境，可以有效減少船員抑郁焦慮、易怒等負(fù)面心理。

1）工作機(jī)艙場(chǎng)所照明。工作時(shí)間，船員多數(shù)集中在駕駛室、集控室和機(jī)艙內(nèi)，這些場(chǎng)所環(huán)境噪聲大，船員工作壓力大，選擇色溫在4 000 K～5 000 K之間的LED能夠給人一種明亮清爽感，有助于集中注意力，緩解疲勞感，提高工作效率。

2）休息娛樂場(chǎng)所照明。

（1）船員臥室。臥室是船員的私人休息區(qū)域，一般面積小、布置簡(jiǎn)單，選用色溫在2 000 K～3 000 K之間的LED能夠營(yíng)造出一種溫馨的氛圍，對(duì)于船員放松心情、消除壓力很有幫助。同時(shí)，也可在船員睡眠期間使用帶藍(lán)光LED的燈具，藍(lán)光LED能夠調(diào)節(jié)生物鐘，促進(jìn)人體內(nèi)褪黑素的分泌，提高睡眠質(zhì)量。

（2）餐廳娛樂室。這里是屬于船員用餐、休憩的公共場(chǎng)所，照明環(huán)境應(yīng)以安靜的暖色調(diào)為佳。LED色溫既不宜過高也不宜太低，3 000 K～3 500 K的色溫下，食物看上去更可口美味，可以激發(fā)船員食欲。

3）醫(yī)療保健場(chǎng)所照明。在海上航行時(shí)，船員經(jīng)常處于高濕熱環(huán)境，也容易接觸油漆油氣，因此患上腳氣、濕疹、痤瘡類皮膚疾病的幾率較高。醫(yī)務(wù)室中若備一盞波長(zhǎng)在415 mm左右的藍(lán)紫色LED燈，其能消滅殺死真菌，有助于縮短治療濕疹等皮膚病所需的時(shí)間。另外，波長(zhǎng)在630 mm～800 mm之間的紅色LED燈有助于傷口的加速愈合，這對(duì)處在潮濕工作環(huán)境又難免會(huì)受傷的船員是極有用的。

2.2 節(jié)能與維護(hù)

LED作為一種半導(dǎo)體原件，光源本身發(fā)熱少，是屬于冷光源的一種，其中80%的電能可以轉(zhuǎn)化為可見光，對(duì)于船舶節(jié)能減排、節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本十分有用。

以某19 700 DWT成品油及二類化學(xué)品油船項(xiàng)目為例，LED燈具與傳統(tǒng)燈具節(jié)能情況對(duì)比如表2所示。

通過表2可知，原船若使用同一設(shè)備商的LED照明燈具替換傳統(tǒng)照明燈具，能節(jié)省功率約30.7 kW左右。

表2 LED燈具與傳統(tǒng)燈具節(jié)能對(duì)比

如果除去投光燈后，再算上臺(tái)燈、床頭燈、壁燈等的換裝，則能夠節(jié)省下的功率大約在21 kW左右，全船每年（以320 d計(jì)算）可節(jié)能約161 280 kW·h。以柴油發(fā)電機(jī)組單位耗油200 g/kW·h來計(jì)算，當(dāng)前船用180 cST重油每噸4 730元人民幣，每千瓦燃油價(jià)格為0.95元，每年可節(jié)省15 3216元。

作為一種被封裝在透明環(huán)氧樹脂里的固態(tài)發(fā)光體，LED不易碎。把晶體固化到支架上的銀膠或白膠也不會(huì)受熱效應(yīng)影響而熔斷揮發(fā)，故而整個(gè)燈體比較牢固，抗沖擊性和抗振性都很強(qiáng)。LED理論壽命可達(dá)100 000 h以上，光衰在20%以內(nèi)?，F(xiàn)在，燈具廠商們標(biāo)稱的LED使用壽命也多在50 000 h以上，是熒光燈、白熾燈等傳統(tǒng)照明燈具的5倍以上。采用LED之后，在船舶約25年的運(yùn)營(yíng)使用周期之內(nèi)，燈具整體更換率將大大減少，燈具維護(hù)成本的降低也變相地減少了船員的工作量。

3 LED燈具與智能照明系統(tǒng)

相比傳統(tǒng)燈具，LED燈具作為一種低壓微電子產(chǎn)品的特性在應(yīng)用于智能化照明系統(tǒng)時(shí)才更能現(xiàn)出其價(jià)值。

智能照明是指利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、無線通信數(shù)據(jù)傳輸、擴(kuò)頻電力載波通信技術(shù)等技術(shù)組成的分布式遙測(cè)、遙控系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)照明設(shè)備的智能化控制。智能照明系統(tǒng)具有燈光亮度的強(qiáng)弱調(diào)節(jié)、燈光定時(shí)啟動(dòng)、熄滅控制、場(chǎng)景設(shè)置等功能，主要由硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)及通信系統(tǒng)3大部分組成[2]。

硬件主要由2大部分組成（圖3）：1）PC總控制站及顯示單元；2）就地控制單元，包括電源單元、輸入單元（光照度傳感器、紅熱外人體傳感器（Passive Infra-Red，PIR）、語音采集/感應(yīng)模塊等）、輸出單元（開關(guān)模塊、調(diào)光模塊、調(diào)色模塊、場(chǎng)景定時(shí)模塊等）、LED燈體、就地開關(guān)（控制面板）等，這些配件的組合能帶來更為豐富的照明應(yīng)用方案和更加高效節(jié)能、健康環(huán)保的照明體驗(yàn)。

智能照明系統(tǒng)控制終端通過網(wǎng)關(guān)將分布在各處的照明分控電箱（就地控制單元）連接起來，由控制終端的軟件系統(tǒng)將各就地控制單元采集傳輸來的各類信息按預(yù)先設(shè)計(jì)的程序經(jīng)過匯總處理后輸出到顯示單元，再通過圖形化操作界面展示在管理人員面前，便于實(shí)時(shí)監(jiān)控操作，若監(jiān)測(cè)到燈具損壞，可第一時(shí)間通知船員進(jìn)行維護(hù)更換。

控制終端的軟件系統(tǒng)也可以裝在手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備上，便于管理人員在非駕控室位置通過船內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行管理。

一般船用PIR傳感器可覆蓋半徑約6 m、高約3 m的空間，可手動(dòng)調(diào)節(jié)傳感器感應(yīng)程度、通電時(shí)間[3]，適合布置在上層建筑內(nèi)走道、梯道、公廁等公共處所。感測(cè)人員的進(jìn)出控制燈具的開關(guān)。LED可以工作在高速狀態(tài)下，不會(huì)因?yàn)轭l繁的啟動(dòng)或關(guān)斷便如同傳統(tǒng)燈具一樣容易發(fā)黑、損壞。

光照度傳感器可以布置在駕駛室等帶有較大窗戶的艙室，其可將監(jiān)測(cè)的照度數(shù)據(jù)發(fā)送給控制單元，而控制單元就可依據(jù)室內(nèi)的實(shí)際情況對(duì)室內(nèi) LED燈具的開、關(guān)狀態(tài)以及亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，隨時(shí)補(bǔ)充照明。

在船員居住、休閑娛樂艙室中完全可依據(jù)LED燈具的性能特點(diǎn)將多種照明方案綜合使用?？梢酝ㄟ^ LED采用智能調(diào)光技術(shù)可以使照明效果隨音樂的變化而變化，營(yíng)造特殊的照明效果[4]；可以根據(jù)作息時(shí)間及人體每天的激素分泌周期，實(shí)現(xiàn)從冷色光到暖色光的周期變化（前提是安裝了可變色的LED燈具）。

將來，隨著人工智能技術(shù)和語音圖像識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，LED智能照明系統(tǒng)或許能夠?qū)崿F(xiàn)完全語音操控、手勢(shì)操控。

圖3 智能照明系統(tǒng)拓?fù)鋱D

4 結(jié)論

LED燈具以其優(yōu)越于傳統(tǒng)照明燈具的特性，即將成為船舶照明領(lǐng)域的下一代主流產(chǎn)品。由于目前LED燈具的價(jià)格略高于傳統(tǒng)燈具，其在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用還不夠廣泛。不過隨著LED技術(shù)的進(jìn)步和越來越多燈具廠商的加入，其成本會(huì)進(jìn)一步降低。結(jié)合船舶智能化與照明系統(tǒng)智能化的發(fā)展所趨，未來的船舶照明市場(chǎng)必定屬于LED。