基于逐點法的機艙光場仿真計算

張 政，楊放青，趙梓安，張 斌

（江南造船（集團）有限責任公司，上海201913）

0 引 言

船舶機艙等大型艙室內(nèi)的燈具規(guī)格和數(shù)量眾多，以往都是根據(jù)對應(yīng)的經(jīng)驗公式和工作經(jīng)驗布置的。由于各型船艙室的實際環(huán)境不盡相同，加上燈具的種類繁雜，根據(jù)經(jīng)驗布置燈具工作繁重且計算不精確，易導致局部區(qū)域出現(xiàn)暗淡和光照不足等現(xiàn)象，進而影響船員對設(shè)備的操作和維修，影響船舶的正常運轉(zhuǎn)。此外，船用照明設(shè)備在艙室內(nèi)出現(xiàn)照明過亮的情況易損傷船員的眼睛，并造成能源浪費。對船舶艙室的照明系統(tǒng)進行仿真計算，就是利用計算機仿真程序快速、直觀地獲取空間內(nèi)任意一點的光照強度，這相對于傳統(tǒng)方法能使計算工作量大大減少，且計算機仿真程序的使用極為方便，計算精確度較高，易修改，可重用，具有更強的系統(tǒng)適應(yīng)能力，同時可通過二次開發(fā)拓展運用到其他船型的艙室光場計算中。因此，對船上的照明系統(tǒng)進行仿真驗證計算尤為重要。隨著技術(shù)的進步，船舶建造逐漸朝著智能化和數(shù)字化方向發(fā)展，船舶艙室的光場優(yōu)化布置已成為艙室環(huán)境發(fā)展的重點方向。

本文主要研究照明計算方法和多光源在同一點的光線迭代的問題，驗證機艙燈具布置的合理性；同時，開發(fā)一套通用型光場驗證界面程序，為設(shè)計人員提供一款便捷的光場計算工具，提高船舶建造的效率和質(zhì)量，提高船舶的舒適度，降低船舶建造成本，節(jié)約船舶能源。

1 艙室光場仿真數(shù)值模擬方法

1.1 研究對象

動力系統(tǒng)性能是衡量船舶性能的重要參數(shù)之一，機艙是動力系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的重要場所。動力系統(tǒng)運轉(zhuǎn)主要通過對機艙內(nèi)的設(shè)備和閥門進行有效操作實現(xiàn)，而機艙第一格柵層中包含多個主設(shè)備（如主鍋爐、主機），該區(qū)域是工作人員對設(shè)備和閥門進行檢測、調(diào)試和維修的主要場所。因此，可將機艙右舷第一格柵層作為機艙光場仿真的典型區(qū)域，將該格柵層的燈具作為仿真對象，主要照明燈具有獨立式應(yīng)急燈（明裝式）、強光燈（黃色）、LED（Light-Emiting Diode）長方形艙頂燈（帶LED應(yīng)急照明）、LED長方形艙頂燈和LED圓柱形艙頂燈。各燈具的性能參數(shù)和數(shù)量見表1。

表1 各燈具的性能參數(shù)和數(shù)量

光通量是指光源在單位時間內(nèi)發(fā)射出的光量，單位為lm。光效是指光源發(fā)出的總光通量與該光源消耗的電功率的比值，單位為lm／W。配光曲線是指光源在空間內(nèi)各方向的光強分布。極坐標配光曲線是一種常見的燈具配光曲線表示方法，通過該曲線可得出距離燈具不同高度和不同角度的光強值。各燈具極坐標配光曲線見圖1，LED圓柱型艙頂燈的配光曲線是旋轉(zhuǎn)對稱的，另外3種燈具的配光曲線不是旋轉(zhuǎn)對稱的，而是分為橫向和縱向2組，其中的90°差值，以每2°為1組數(shù)據(jù)進行差值計算。

圖1 各燈具極坐標配光曲線

1.2 數(shù)學模型建立

第一格柵層長22.7 m，寬14.0 m，高3.4 m，該區(qū)域的照明系統(tǒng)支持在各種工況下對機艙進行照明，其主要照明燈具有應(yīng)急燈、強光燈和艙頂燈。為方便計算，不同種類的光源均近似為點源。由于各類型燈具在垂直一格柵層平面方向的厚度為100 mm，相對于一格柵層的高度（3.4 m）可忽略不計，因此可認為點源是在艙室頂板平面上的。各類型燈具的外形（長方形或圓形）較為規(guī)則，可將光源進一步近似看作燈具在頂板投影圖形中的中心坐標。燈具光源簡化之后在艙室頂板平面上的布置見圖2。

圖2 一格柵層內(nèi)各型燈的布置圖

1.3 數(shù)值模擬方法

照度是指物體被照亮的程度，用單位面積接受的光通量表示，單位為lm／m。船舶照明計算方法主要有利用系數(shù)法、概算曲線法、比功率法和逐點法等4種。

1）利用系數(shù)法是指根據(jù)預(yù)先確定的燈具數(shù)量、燈具類型和房間的特性，按所需的平均照度計算所需的光通量的方法。該方法法考慮了反射光的效應(yīng)，適于計算艙室內(nèi)部的平均照度。

2）概算曲線法是指利用已做好的概算曲線（即當被照面上的平均照度為100 lx時，房間面積與所用燈具數(shù)量的關(guān)系曲線），根據(jù)艙室大小直接求得所需燈具的數(shù)量的方法。該方法適于進行大量樣品分析，但易出現(xiàn)較大的誤差。

3）比功率法是指根據(jù)艙室的最低平均照度要求、艙室面積所需照明功率和艙室具體布置確定照明燈具的類型和數(shù)量的方法。

4）逐點法是根據(jù)光源形狀、燈具配光曲線和被照面上某點要求的照度值進行照明計算的方法。光源直射被照面，不考慮天花板、墻壁的反射等因素。這種方法多用于室外、走道和機艙等處的照明計算中。

人工照明燈光和艙室艙壁及設(shè)備反射光線是機艙內(nèi)光線的主要來源，根據(jù)GB／T 3458—1993《船舶艙室照度計算與測量方法》的要求，在對機艙的照度進行計算時，往往只需計算其來自光源的直射光通，而不考慮墻壁和天花板的反射等因素。因此，本文選擇采用逐點法對機艙照明進行仿真。

圖3為光源與照度示意圖，其中：S為光源；P為所求照度點；M為過P點的水平面。

圖3 光源與照度示意圖

P點的照度為

式（1）～式（3）中：I為光源與被照點P之間的距離，m；θ為由光源至被照點的射線與光源垂直高度線的夾角，（°）；I為θ角方向的發(fā)光強度，由燈具的配光曲線查得，cd；E為P點法向平面照度，lx；E為P點水平面照度，lx；E為P點垂直面照度，lx。

一般情況下，只需計算水平面照度。假如P點不是由1盞燈照射的，而是由若干盞燈照射的，則P點的照度為各盞燈在其該點照度的總和，即

由于設(shè)備制作廠提供的燈具光強分布數(shù)據(jù)是按其光通量1 000 lm給出的，在照度計算中引用光強數(shù)據(jù)時，若實際光通量不足1 000 lm，則光強的計算公式應(yīng)換算為

式（5）中：I為燈具在θ角方向的發(fā)光強度，由燈具的配光曲線查得，cd；I為燈具光通量為1 000 lm時在θ角方向的發(fā)光強度，cd；I為燈具在θ角方向上考慮燈具的光通量偏差的糾正發(fā)光強度；F為最低光通量，lm。

若考慮燈具維護系數(shù)M，則實際照度參考公式應(yīng)為

1.4 指標分析

該船機艙照明系統(tǒng)的照度在滿足GJB 4000—2000《艦船通用規(guī)范》的基礎(chǔ)上，根據(jù)同型船的設(shè)計經(jīng)驗進行適當?shù)膬?yōu)化調(diào)整，艙室照度優(yōu)化設(shè)計參考值見表2。

表2 艙室照度優(yōu)化設(shè)計參考值

機艙主要包含機械設(shè)備艙室和電子設(shè)備艙室，對應(yīng)的GJB 4000—2000《艦船通用規(guī)范》標準分別是150 lx和175 lx?？紤]到總體設(shè)計所在初步設(shè)計對該船機艙的設(shè)計參考值為200 lx，機艙內(nèi)的照度應(yīng)在200 lx以上。

2 計算結(jié)果分析

基于逐點法，在不考慮反射的情況下，將光源近似看作頂板平面上的點源，參考燈具配光曲線，根據(jù)對應(yīng)的計算公式，利用編程語言計算多光源在某一點多次迭代之后的照度值，利用仿真模擬程序?qū)υ摍C艙光場進行仿真。本文選取照明系統(tǒng)最常用的工況作為典型狀態(tài)，即獨立式應(yīng)急燈在非應(yīng)急狀態(tài)下處于關(guān)閉狀態(tài)，其他燈具均處于開啟狀態(tài)。為更好地觀察艙室內(nèi)光場的分布，選取距離艙室第一格柵層0 m、0.8 m、1.6 m和2.4 m的高度面作為參考面，所取平面上每一點的光場強度都是多個燈源在該點的效果疊加，相應(yīng)得出以下結(jié)果。

光場分布云圖中的橫坐標表示一格柵層的長度為22.7 m，縱坐標表示一格柵層的寬度為14 m。根據(jù)光場分布云圖，機艙中距離第一格柵層2.4 m的區(qū)域的照度較大。圖4為h＝2.4 m時的光場分布三維云圖，可看出該區(qū)域出現(xiàn)了峰群。這是由于該區(qū)域距離燈具較近，導致局部區(qū)域的照度較大，距離燈源最近的地方會出現(xiàn)最大的照度值，因此每個燈具都能產(chǎn)生一個峰，且峰的位置與燈具的坐標一一對應(yīng)，其中2個照度較大的峰是由2個強光燈引起的。

圖4 h＝2.4 m時的光場分布三維云圖

同樣地，觀測機艙中距離第一格柵層1.6 m的區(qū)域，由其光場分布云圖和光場分布三維云圖（見圖5）可知，該區(qū)域相對于距離第一格柵層2.4 m的區(qū)域，峰群的照度值略微減小。

圖5 h＝1.6 m時的光場分布三維云圖

對機艙中距離第一格柵層0.8 m的區(qū)域進行觀測，獲取光場分布云圖和光場分布三維云圖見圖6。由圖6可知，該區(qū)域峰群已消失，只剩下2個照度值較大的峰，這是由于距離進一步增大引起照度急劇減小，再加上其他光源的干涉影響，導致峰群消失。

圖6 h＝0.8 m時的光場分布三維云圖

同理，對機艙中距離第一格柵層0 m的區(qū)域進行觀測，獲取其光場分布云圖和光場分布三維云圖見圖7。由圖7可知，剩下2個峰的照度值明顯減小，照度低于200 lx的區(qū)域的面積相對于距離第一格柵層0.8 m的區(qū)域明顯增加，這是由于距離繼續(xù)增大引起照度進一步減小。

圖7 h＝0 m時的光場分布三維云圖

根據(jù)GB／T 3458—1993《船舶艙室照度計算與測量方法》的要求，測量平面一般為距離地面800 mm的水平面。由距離艙室第一格柵層0.8 m的仿真結(jié)果可知，機艙大部分區(qū)域的照度都能滿足指標的要求（≥200 lx），僅機艙的前后兩端靠外側(cè)區(qū)域（距離一格柵層0.8 m以內(nèi)）等局部邊角區(qū)域的照度較弱，考慮該區(qū)域?qū)嶋H上是某大型設(shè)備基座的安放區(qū)域，幾乎無設(shè)備操作和維護需求，對燈光的需求較低，機艙照明系統(tǒng)滿足設(shè)計要求。由于該船還處于前期工程建造階段，目前無法對機艙的光場照度進行實船測量，因此暫時無法通過理論結(jié)合實際進行驗證。后期可根據(jù)實測數(shù)據(jù)對理論計算結(jié)果進行修改。

根據(jù)前述分析，考慮光場仿真的實際需求，立足于能方便地預(yù)測光場照度和驗證燈具布置的合理性，針對分析的艙室開發(fā)一套可用于進行艙室配光和光照計算的可視化界面程序，仿真界面見圖8。該界面程序首先在后臺設(shè)置好艙室主尺度參數(shù)，以及燈具的種類、數(shù)量和位置，其次通過下拉菜單設(shè)置不同類型燈具的開閉情況，最后輸入選測平面的高度，通過計算及時獲取艙室內(nèi)的照度分布數(shù)據(jù)，并通過界面中的窗口將光場分布等值線圖和光場分布云圖直觀地展現(xiàn)出來。通過運用該界面程序，可快速獲取特定艙室光場的各種現(xiàn)象和狀態(tài)，降低配光難度，使相關(guān)艙室能準確、高效地獲得預(yù)定的燈光布置方案，大幅提升船舶艙室配光設(shè)計工作的準確性和效率。

圖8 仿真界面

3 結(jié) 語

本文為驗證艙室燈具布置的合理性，以多種燈具為研究對象，利用計算機仿真技術(shù)，通過自編程序構(gòu)建了一種艙室光場仿真計算方法，得到了不同高度平面內(nèi)的光照強度分布；同時，結(jié)合機艙光照強度的實際需求分析了局部區(qū)域光照強度能否滿足設(shè)計要求，驗證了機艙照明系統(tǒng)設(shè)計的合理性，開發(fā)了一套適于進行船舶艙室燈光照度計算的可視化界面程序。計算分析結(jié)果表明：機艙一格柵層的照明系統(tǒng)具有良好的照明性能，燈光布置方案滿足設(shè)計要求。采用的數(shù)值計算方法和模型處理方式適用于同類型艙室的照明系統(tǒng)設(shè)計和燈具布置方案優(yōu)化中。開發(fā)的可視化界面程序具有良好的實用價值，支持參數(shù)調(diào)整和二次腳本開發(fā)，可在不對實船造成任何損傷的前提下，以極低的成本重復地展現(xiàn)光場的分布狀態(tài)，大幅度提升船舶建造質(zhì)量和艙室配光效率。