新型載人潛水器支持船人性化照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

夏 駿，劉 淵，陳俊杰，孫蘇悅，傅曉紅

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

0 引 言

船舶照明系統(tǒng)作為船舶安全航行和船員正常生活的基本保障，是船舶的重要組成部分。近年來，國(guó)內(nèi)科考船的設(shè)計(jì)和建造要求不斷提高，以滿足更繁重、更長(zhǎng)航程的任務(wù)需求（例如完成了集多學(xué)科、多功能和多技術(shù)手段于一體的“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器支持母船的自主研發(fā)設(shè)計(jì)）。同時(shí)，對(duì)船員和科學(xué)家生活、工作的船體空間的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。為保障船員和科學(xué)家在特定的航程內(nèi)更高效地工作和更舒適地生活，對(duì)船舶照明環(huán)境進(jìn)行“人性化設(shè)計(jì)”[1]顯得尤其重要和迫切，科學(xué)、合理的照明環(huán)境設(shè)計(jì)能在船員和科學(xué)家的生理及心理等方面起到積極的引導(dǎo)作用。

1 傳統(tǒng)照度計(jì)算方法

照度計(jì)算方法主要有利用系數(shù)法、比功率法和逐點(diǎn)法等3種[2]，其中利用系數(shù)法的應(yīng)用最為廣泛。

1.1 平均照度計(jì)算

對(duì)于艙室長(zhǎng)寬比小于4、燈具布置均勻和使用對(duì)稱或近似對(duì)稱光強(qiáng)分布的燈具的平均照度計(jì)算，可采用利用系數(shù)法，計(jì)算式為

式(1)中：Eav為工作面平均照度，lx；φ為單個(gè)燈具的光通量，lm；N為燈具數(shù)量；?為空間利用系數(shù)；K為維護(hù)系數(shù)；S為工作面面積，m2。

空間利用系數(shù)?指照明燈具達(dá)到工作面的有效光通量。維護(hù)系數(shù)K指使用燈具一段時(shí)間之后，在其表面測(cè)得的平均照度與新安裝燈具時(shí)在同一位置測(cè)得的平均照度的比值。

1.2 計(jì)算流程

艙室工作面平均照度計(jì)算流程見圖1。

圖1 艙室工作面平均照度計(jì)算流程

2 照明設(shè)計(jì)影響因素

2.1 客觀因素

平均照度計(jì)算受艙室內(nèi)燈具數(shù)量N、單個(gè)燈具的光通量φ、空間利用系數(shù)?和維護(hù)系數(shù)K等因素的影響較大。

1) 單個(gè)燈具的光通量φ為燈具特有的屬性，燈具的選型不同，其光通量也不盡相同；

2) 空間利用系數(shù)?需根據(jù)艙室室形指數(shù)和艙壁反射率確定；

3) 維護(hù)系數(shù)K與艙室內(nèi)艙壁的受污染程度、燈具落灰積塵程度和光通量自然衰減程度有直接關(guān)系。

在設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)過程中，根據(jù)艙室的不同功能和分類，通過選取燈具類型和調(diào)整燈具的數(shù)量，借助照度計(jì)算軟件DIALux模擬計(jì)算其平均照度滿足需求。

考慮到艙室裝飾的固定性和單一性，在此不對(duì)空間利用系數(shù)?選取的影響進(jìn)行對(duì)比。

某會(huì)議室的空間高度為2.2m，取距地面0.8m高處的平面為工作面，傳統(tǒng)照明設(shè)計(jì)可采取2種方案：一種為全筒燈均勻布置，見圖2；另一種為全矩形蓬頂燈布置，見圖3。

圖2 會(huì)議室全筒燈均勻布置

圖3 會(huì)議室全矩形蓬頂燈布置

當(dāng)空間利用系數(shù)?一定時(shí)，不同的維護(hù)系數(shù)對(duì)平均照度計(jì)算結(jié)果的影響不同，當(dāng)維護(hù)系數(shù)K降低時(shí)，工作面平均照度Eav相應(yīng)降低（見表1）。

表1 平均照度與維護(hù)系數(shù)的取值對(duì)比

2.2 主觀因素

船舶照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最基本原則是在保證船舶和船員安全的前提下，提供具有一定舒適度的照明環(huán)境，以往的設(shè)計(jì)往往忽視人員對(duì)照明環(huán)境舒適度的需求。

隨著船舶設(shè)計(jì)研發(fā)的不斷更新，船舶航行的操控和生活條件得到顯著改善，傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)已不能滿足船員對(duì)工作和生活質(zhì)量的需求。由此，對(duì)船員主觀因素的考慮被提高到了重要的地位。在設(shè)計(jì)船舶照明系統(tǒng)時(shí)，需考慮船員的生理因素和心理因素等主觀因素。

2.2.1 生理因素

2.2.1.1 睡眠與照明

睡眠具有消除自身疲勞、恢復(fù)體力和精力的作用，良好的睡眠是船員和科學(xué)家在長(zhǎng)航程、惡劣海況下正常工作和生活的有力保障。

長(zhǎng)久以來，褪黑素分泌水平被認(rèn)為是影響人體睡眠質(zhì)量的直接因素，褪黑素的分泌具有晝夜節(jié)律性（見圖 4）。由圖 4可知，褪黑素在白天的分泌水平一般，隨著夜幕的降臨，其分泌水平逐漸提高，在凌晨達(dá)到頂峰，人的睡意從白天到夜晚逐漸增強(qiáng)。

圖4 褪黑素分泌的晝夜節(jié)律示意

有研究[3]指出，照度至少達(dá)到1000lx才能明顯抑制褪黑素的分泌，從而減輕人的睡意。此外，有研究[4-5]表明，在人眼照度由200lx升高至1000lx的過程中，人的睡意有所減輕。由此可見，相對(duì)較低的照度更有助于睡眠。

2.2.1.2 警覺性與照明

警覺性又稱警覺度，是一種工程心理學(xué)概念，用來反映監(jiān)控過程中發(fā)現(xiàn)緊急情況或特殊情況時(shí)的狀態(tài)。警覺性是一種注意的穩(wěn)定性，對(duì)于船舶和船上人員而言至關(guān)重要。操船人員的警覺性直接影響船舶的安全，船員和科學(xué)家作業(yè)時(shí)的警覺性直接關(guān)乎其作業(yè)的安全性。

CAJOCHEN等[3]研究認(rèn)為，照明對(duì)警覺性的影響與光照對(duì)褪黑素的抑制作用有關(guān)，照明對(duì)褪黑素分泌的抑制作用越明顯，人員警覺性的提升越顯著。此外，KULLER[6]研究了色溫對(duì)腦電圖的影響，結(jié)果顯示，當(dāng)人體處于高色溫環(huán)境中時(shí)，大腦的活動(dòng)較為活躍，有助于人員保持高警覺性。有試驗(yàn)報(bào)告指出，高色溫不利于大腦疲勞之后的恢復(fù)。大腦活動(dòng)之后在冷白色溫（5500K以上）光環(huán)境下的恢復(fù)速度明顯慢于在自然白色溫（3500～5500K）光環(huán)境和暖白色溫（3500K以下）光環(huán)境下的恢復(fù)速度[7]。

由此可見，高照度和高色溫有助于人員保持高警覺性。

2.2.1.3 色彩辨識(shí)與照明

人眼對(duì)物體顏色的辨識(shí)通常是由物體表面反射回來的光決定的，這是一種生理表現(xiàn)。對(duì)于同一物體，照射到其表面的光越接近于自然光，人眼辨識(shí)到的物體的顏色就越真實(shí)。若約定自然光的顯色指數(shù)為100，表示在該環(huán)境下可看到100%的顏色。

對(duì)于燈具而言，顯色指數(shù)用來衡量在燈具光源照射下與在自然光或標(biāo)準(zhǔn)光照射下顯色的接近程度，二者越接近，表示燈具的顯色性越真實(shí)。因此，燈具的顯色指數(shù)越高，越有助于還原色彩的真實(shí)性，保證人員對(duì)數(shù)據(jù)采集和記錄的準(zhǔn)確性。

2.2.2 心理因素

在設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)時(shí)，除了需考慮生理因素以外，還需兼顧照明對(duì)心理效應(yīng)的影響。

船員在船上的生活過于單一，隨著在船時(shí)間的增加，難免會(huì)出現(xiàn)情緒波動(dòng)，而情緒問題往往是心理問題的一個(gè)重要表現(xiàn)。一旦人員在心理上出現(xiàn)問題，將無法高效完成任務(wù)，進(jìn)而引發(fā)一連串問題。

有研究發(fā)現(xiàn)，過于明亮的照明容易使人產(chǎn)生更多不安、焦慮的情緒[8]，而相對(duì)較暗的照明又會(huì)給人隱蔽安全的體驗(yàn)。有被試參與的試驗(yàn)結(jié)果顯示：在高顯色條件下，被試的負(fù)面情緒有一定程度的減少；低顯色具有一定的保持被試的正面情緒的能力[9]。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，人員在高色溫條件下更易緊張和產(chǎn)生疲勞，這與前文提到的高色溫有助于人員保持高警覺性的結(jié)果相吻合。

3 人性化照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

新型載人潛水器支持船任務(wù)繁多，單個(gè)航次的持續(xù)時(shí)間有時(shí)能達(dá)半年以上，枯燥、單一的工作和生活難免會(huì)使船員和科學(xué)家產(chǎn)生生理和心理上的疲勞[10]。在執(zhí)行長(zhǎng)航程任務(wù)過程中，如何在條件簡(jiǎn)陋的船舶環(huán)境中既保證人員有充足的睡眠，又保證其在特定區(qū)域、特定時(shí)間有高警覺性，同時(shí)確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、真實(shí)性和穩(wěn)定性，是亟待解決的問題。表2為人性化照明設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)建議值。

表2 人性化照明設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)建議值

下面以某載人潛水器支持船為例，借助DIALux軟件模擬，對(duì)其3個(gè)典型艙室進(jìn)行人性化照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.1 科學(xué)家單人間

以某科學(xué)家單人間為例，為兼顧科學(xué)家休息和工作的需求，在該房間內(nèi)采用以使人感覺舒緩的暖白光為主的照明，書桌上配備局部輔助照明。在燈具選型方面，擯棄以往的矩形燈具，采用圓形筒燈，目的是與其他處所的燈具布置產(chǎn)生差異，避免使人產(chǎn)生單調(diào)乏味的感覺。同時(shí)，在床頭配置可調(diào)光床頭燈，配合床簾使用，為科學(xué)家營(yíng)造私人空間。表3為某科學(xué)家單人間內(nèi)的燈具使用情況。

表3 某科學(xué)家單人間內(nèi)的燈具使用情況

圖5為科學(xué)家單人間渲染效果圖，結(jié)合等照度線平面圖（見圖6），可很形象地看出房間內(nèi)照度的分布情況。模擬數(shù)據(jù)顯示，距地面0.8m高度處工作面的平均照度達(dá)到97lx。

圖5 科學(xué)家單人間渲染效果圖

圖6 科學(xué)家單人間等照度線平面圖

3.2 會(huì)議室

圖7為某會(huì)議室渲染效果圖，會(huì)議桌正上方采用96W的大面積嵌入式LED（Light-Emitting Diode）平板燈，周邊設(shè)置一圈圓形小筒燈作為輔助，既能使會(huì)議室顯得寬敞明亮，又能很好地起到裝飾的作用。房間內(nèi)的所有燈具都采用 3500～5500K的自然白區(qū)間，通過采用這些人性化設(shè)計(jì)，提高會(huì)議室人員的警覺性和工作效率。

圖8為會(huì)議室照度偽色表現(xiàn)圖。從圖8中可看出，以距地面0.8m高度處的工作面為基準(zhǔn)，會(huì)議室中心（會(huì)議桌）區(qū)域周圍的平均照度已超過300lx，局部區(qū)域接近400lx，整個(gè)會(huì)議室保持在了相對(duì)較高色溫、較高照度的水準(zhǔn)。

圖7 會(huì)議室渲染效果圖

圖8 會(huì)議室照度偽色表現(xiàn)圖

3.3 實(shí)驗(yàn)室

實(shí)驗(yàn)室作為新型載人潛水器支持船特有的載體，裝載的試驗(yàn)儀器種類繁多，功能復(fù)雜，在開展海洋和地質(zhì)作業(yè)時(shí)采集的數(shù)據(jù)都需人員進(jìn)行記錄，其中樣品顏色屬性必不可少。只有最大限度地真實(shí)記錄樣品的顏色，才能在對(duì)比中發(fā)現(xiàn)其與以往樣本的區(qū)別，有助于科學(xué)家發(fā)現(xiàn)新事物、新物種。

根據(jù)上述顯色指數(shù)分析，采用更高顯色指數(shù)的燈具是完成實(shí)驗(yàn)室人性化照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的突破口。圖9為實(shí)驗(yàn)室等照度線平面圖，某實(shí)驗(yàn)室采用與會(huì)議室類似的照明布局，采用大面積平板燈和筒燈的配置，區(qū)別在于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)燈具的顯色指數(shù)更高，達(dá)到95以上。另外，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室面積量身定制更大尺寸、更大光通量的面板燈，使得實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的照度水平更高。圖10為實(shí)驗(yàn)室照度偽色表現(xiàn)圖。由圖10可知，中間操作臺(tái)區(qū)域的照度最高，已基本達(dá)到500lx，為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和真實(shí)性提供了有力保障。

圖9 實(shí)驗(yàn)室等照度線平面圖

圖10 實(shí)驗(yàn)室照度偽色表現(xiàn)圖

4 結(jié) 語(yǔ)

新型載人潛水器支持船人性化照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為注重生理因素和心理因素與照明之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)出的照明系統(tǒng)更加符合船員和科學(xué)家的生理和心理需求。

目前，船舶人性化照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)剛進(jìn)入人們的視野，還有很多影響人性化照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的因素正在驗(yàn)證。未來，還需進(jìn)一步探究不同波長(zhǎng)、不同色溫、不同顯色指數(shù)和不同照度條件下，人的生理和心理狀態(tài)與船舶航行時(shí)的外界條件（溫度、海況）之間的關(guān)系。