船舶照明系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

張?jiān)瓷?，黃 歡

（1. 海裝沈陽(yáng)局駐大連地區(qū)第一軍事代表室，遼寧大連 116001；2. 上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

船舶具有航行時(shí)間長(zhǎng)，內(nèi)部空間受限，周圍環(huán)境單調(diào)等特點(diǎn)。船員長(zhǎng)期處于這樣狹小、封閉的環(huán)境中，會(huì)對(duì)生理和心理造成一定的影響。傳統(tǒng)固定照度、固定色溫的照明模式已經(jīng)不再適用現(xiàn)代船舶的需求。隨著照明系統(tǒng)的發(fā)展，各使用方對(duì)船舶照明系統(tǒng)不斷提出新的要求：從光環(huán)境的概念，到遠(yuǎn)程智能控制、操縱照明一體化，再到健康與智能照明的概念，可見使用方對(duì)船舶照明系統(tǒng)的需求更趨于智能化、系統(tǒng)化，更加關(guān)注照明對(duì)人體生理和心理健康的影響。這些需求由上而下推動(dòng)了照明系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，形成需求和技術(shù)進(jìn)步的良性循環(huán)。

1 光源的發(fā)展趨勢(shì)

光源的發(fā)展經(jīng)歷了自然光、人工光，到全光譜LED光的過程，如圖1所示。在人造光源出現(xiàn)之前，太陽(yáng)光是唯一光源。先祖?zhèn)內(nèi)粘龆魅章涠?，太?yáng)光不僅是地球的照明和能量來源，而且對(duì)人類的生物學(xué)、心理、人體產(chǎn)生影響。

傳統(tǒng)的船舶照明光源主要有白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈和高壓汞燈?？傮w來說傳統(tǒng)光源有以下幾個(gè)缺點(diǎn)：光源壽命短，有些燈罩內(nèi)含有毒素，玻璃罩殼易碎；有些會(huì)輻射紫外線、紅外線及靜電，有些光源溫度還比較高，對(duì)船員的身心健康會(huì)造成一定的影響；而且傳統(tǒng)光源色溫不調(diào)節(jié)，容易引起視覺疲勞。雖然熒光燈能夠避免紫外線和紅外線對(duì)人體的影響，但由于熒光粉的余輝作用和人眼有滯留特性，其閃爍特性也能傷害著船員的眼睛和視覺神經(jīng)。

圖1 光源的發(fā)展

新型光源LED 的出現(xiàn)，加速了照明產(chǎn)品的發(fā)展。 因其更加節(jié)能、可靠性高、壽命長(zhǎng)、抗震能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)普遍取代傳統(tǒng)光源[1]。又因其光電特性，為燈具的調(diào)光調(diào)色創(chuàng)造了可能，對(duì)人們個(gè)性化的需求創(chuàng)造條件。

對(duì)于船舶類特殊應(yīng)用場(chǎng)景，除考慮到照明產(chǎn)品的可靠性、安全性外，還應(yīng)滿足船員的心理和生理需求。普通LED 光譜如圖2 所示，其中藍(lán)光波段范圍相對(duì)較大。過量的藍(lán)光以及照明燈具的不當(dāng)使用會(huì)造成視覺損傷。藍(lán)色光線會(huì)抑制褪黑素的分泌，可能會(huì)導(dǎo)致失眠[2]。全光譜LED 光源光譜圖如圖3所示。它不但降低了藍(lán)光光譜的能量而且能補(bǔ)全缺少的短波紫光、青光、短波綠光、長(zhǎng)波紅光光譜。這增強(qiáng)了光譜的連續(xù)性、完整性，使得色域更廣泛，與太陽(yáng)光光譜更加接近。對(duì)于在船舶工作環(huán)境的人員來說，很少獲得太陽(yáng)光的照射，而全光譜的意義就在于模擬太陽(yáng)光譜，提供舒適的照明環(huán)境，體現(xiàn)了“人本照明”的新理念。

圖2 普通LED 光源光譜圖

圖3 全光譜LED 光源光譜圖

2 燈具的發(fā)展趨勢(shì)

照明燈具從獨(dú)立于艙室內(nèi)裝產(chǎn)品，逐步趨于艙室一體化設(shè)計(jì)。過去只注重產(chǎn)品功用，而現(xiàn)在更關(guān)注美觀性、和周圍環(huán)境的融合性以及與人員的聯(lián)動(dòng)性。

起初燈具直接安裝于艙室頂部，形成高亮度發(fā)光面，如圖4 所示。船舶內(nèi)部空間緊湊，導(dǎo)致艙室高度普遍偏低，使光線容易照射入船員的視線中。為了追求照射面的高亮度，燈具的功率普遍偏大，加劇了眩光感。為了消除人眼的不舒適性，達(dá)到見光不見燈的效果，已經(jīng)有一些艙室采用內(nèi)嵌式側(cè)發(fā)光燈具，如圖5 所示，可以給船員提供更舒適的照明環(huán)境。作為船舶照明，不僅僅局限于提供生理的舒適性，也體現(xiàn)在心理的安慰上。比如圖6 所示的智能天窗-室內(nèi)陽(yáng)光模擬系統(tǒng)。此類產(chǎn)品能夠模擬陽(yáng)光通過天窗照入室內(nèi)的照明場(chǎng)景，擁有逼真的藍(lán)天白云和明亮陽(yáng)光，并能模擬日升日落的光色變化。這有助于調(diào)節(jié)人體生物鐘，強(qiáng)調(diào)人與自然的聯(lián)系。同時(shí)可以提升工作效率，緩解工作中帶來的壓力及疲勞感。此類燈具的開發(fā)將為船舶照明帶來新的亮點(diǎn)。

3 控制方式的發(fā)展趨勢(shì)

圖4 頂裝燈具

圖5 內(nèi)嵌式側(cè)發(fā)光燈具

圖6 室內(nèi)陽(yáng)光模擬系統(tǒng)

圖7 人體的溫度、皮質(zhì)醇、褪黑素變化節(jié)律圖

LED 照明光源的普遍應(yīng)用使智能照明發(fā)展迅速。它以信息技術(shù)應(yīng)用為主線，并與其他資源要素優(yōu)化配置共同發(fā)生作用，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的照明效果。智能照明能夠自主捕獲需求、進(jìn)行邏輯判斷、輸出照明效果，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、舒適等要求。另外，智能照 明對(duì)光源的仿自然光能力也比較突出，通過不同光色的配比，實(shí)現(xiàn)較高的顯色指數(shù)和太陽(yáng)光譜擬合度。通過時(shí)鐘的自動(dòng)指令，模擬早中晚的晨昏變化。通過燈具位置信息，可模擬當(dāng)?shù)鼐暥鹊娜照諒?qiáng)度。通過場(chǎng)景的手動(dòng)指令，模擬晴天、多云、陰雨等多種自然氣候。

隨著人們對(duì)生物鐘系統(tǒng)的深入認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)人類經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的進(jìn)化，體溫、皮質(zhì)醇、褪黑素會(huì)隨時(shí)鐘有規(guī)律地改變，稱為生物節(jié)律，如圖7 所示。國(guó)際照明委員會(huì)在文獻(xiàn)[3]這一報(bào)告中提出，人們正逐漸把關(guān)注重點(diǎn)從可見性照明轉(zhuǎn)移至具有更廣泛意義的照明品質(zhì)上，包括人體需求、結(jié)構(gòu)整合和經(jīng)濟(jì)約束（包括耗能），如圖8 所示。其中，人體需求包括保持良好健康狀態(tài)的照明系統(tǒng)，以及可見性、任務(wù)效能、人際溝通和美學(xué)欣賞方面的照明系統(tǒng)。此報(bào)告詳細(xì)介紹了關(guān)于照明對(duì)于人類生理、情緒和行為所產(chǎn)生影響。此報(bào)告的研究引導(dǎo)了照明市場(chǎng)的發(fā)展方向。

仿真照明系統(tǒng)的意義在于調(diào)節(jié)人體內(nèi)的生物鐘系統(tǒng)，影響人體的生理節(jié)律，緩解因長(zhǎng)期得不到日光的照射而產(chǎn)生的不舒適感。通過對(duì)照表1，在不同時(shí)間段設(shè)置對(duì)應(yīng)的色溫、照度和顯色指數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)仿真照明。智能照明系統(tǒng)除仿自然光外，還可 以制定自定義模式、預(yù)設(shè)場(chǎng)景模式等，滿足不同艙室及場(chǎng)景需求。

圖8 照明品質(zhì)[3]

表1 仿真照明參數(shù)表

人們不僅關(guān)注到照明對(duì)健康的影響，更關(guān)注到燈具作為一個(gè)廣泛存在的載體，可以被賦予更豐富的作用。將多個(gè)獨(dú)立的燈具個(gè)體組成一個(gè)集中控制的網(wǎng)絡(luò)，并通過個(gè)性化的定制，選擇不同的智能模塊集成，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、報(bào)警、通信等功能。當(dāng)LED燈具為滿足高性能調(diào)光要求而配置總線邏輯控制模塊后，燈具就可實(shí)現(xiàn)軟件程序調(diào)光功能。監(jiān)測(cè)類的信號(hào)借助LED 照明燈具為平臺(tái)，通過總線反饋數(shù)據(jù)，進(jìn)行燈具智能調(diào)光調(diào)色；當(dāng)船舶各區(qū)安裝環(huán)境參數(shù)傳感器時(shí)，船舶各區(qū)的溫度、濕度、氣壓視頻音頻等信號(hào)搜集就可顯示至照明主控板，整體將形成船舶大環(huán)境綜合顯控系統(tǒng)，便于集中化監(jiān)控管理；當(dāng)利用總線式照明系統(tǒng)接入火警探元件，一旦發(fā)生火情，主控面板便可產(chǎn)生聲光報(bào)警提示；照明系統(tǒng)不僅可以集成各種傳感裝置，可見光還可實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信，即利用電信號(hào)控制發(fā)光二極管（LED）發(fā)出的肉眼看不到的高速閃爍信號(hào)來傳輸信息；可見光定位技術(shù)可以極好地輔助指揮人員實(shí)時(shí)獲取各人員位置信息。當(dāng)處于作戰(zhàn)狀態(tài)時(shí)，指揮官可以不受嘈雜和惡劣的環(huán)境的影響，宏觀清晰地調(diào)配人員，提高指揮效率，增強(qiáng)戰(zhàn)斗力。照明系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化具備更智能的人機(jī)互聯(lián)特性，符合當(dāng)今船舶的發(fā)展趨勢(shì)。

此外，安全性、可靠性、低成本始終是船舶用照明系統(tǒng)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)光源、燈具和控制方式的發(fā)展趨勢(shì)的分析，總結(jié)出船舶照明系統(tǒng)正向著人性化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。其中，照明與人體健康、人機(jī)交互越來越受到人們的專注。當(dāng)燈具與其他智能模塊集成后，可以實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，使其具備監(jiān)測(cè)、報(bào)警和通信的功能，符合船舶照明系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。本文可以為船舶的照明設(shè)計(jì)提供參考。