軍用方艙照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張 信，王銳鋒，王 聰

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041)

軍用方艙是裝載軍事設(shè)備和人員并提供所需要的工作條件和環(huán)境防護(hù)的由夾芯板組裝成型的可移動廂體[1]。作為野外執(zhí)行任務(wù)時(shí)的工作間，工作人員經(jīng)常需要在艙內(nèi)連續(xù)長時(shí)間工作，良好的照明質(zhì)量不僅可以提高工作人員的辨識能力，而且還可以緩解視覺疲勞，并提高工作效率[2]。因此，方艙照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)是軍用方艙人機(jī)工程設(shè)計(jì)中的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。

方艙照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)體現(xiàn)安全、高效、舒適的人機(jī)功效原則，為工作人員提供最佳的視覺環(huán)境的同時(shí)，避免對工作人員產(chǎn)生視覺疲勞影響，并減少不必要的能源損耗。查閱分析國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、文獻(xiàn)綜述等各類資料，其主要聚焦于各種不同功能型方艙設(shè)計(jì)和應(yīng)用介紹，文獻(xiàn)主要涉及方艙內(nèi)飾、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、艙體電磁屏蔽等設(shè)計(jì)，缺少對方艙照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程和控制原理的介紹，更無艙內(nèi)照明質(zhì)量定量分析和研究[3-7]。本文以某軍用方艙為例，詳細(xì)介紹艙內(nèi)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，并對艙內(nèi)照明質(zhì)量展開定量分析研究。從艙內(nèi)適宜照度值指標(biāo)出發(fā)，開展一般照明設(shè)計(jì)。針對軍用方艙特殊性，提出應(yīng)急照明和防空照明解決方案，滿足供電故障時(shí)艙內(nèi)應(yīng)急照明和夜間防空照明需求。

1 一般照明設(shè)計(jì)

方艙照明系統(tǒng)由燈具、電源、面板開關(guān)、控制電路等組成。照明設(shè)計(jì)內(nèi)容包含燈具選擇、燈具布局、照度計(jì)算、控制電路設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)。

1.1 確定艙內(nèi)照度值

照度是指物體被照亮的程度，采用單位面積所接受的光通量來表示，單位為勒克斯(lx)[8]。國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50034—2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定了居住、商業(yè)、辦公、旅館、學(xué)校、醫(yī)院和工業(yè)等7類建筑常用房間或者場所最大允許的照度標(biāo)準(zhǔn)值。其中，普通辦公室工作面照度應(yīng)不低于300 lx，當(dāng)照明要求不高時(shí)，照度值可降級選擇。

國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 219B—2005《軍用通信車通用規(guī)范》規(guī)定了通信車艙內(nèi)照度標(biāo)準(zhǔn)值，其中操作位的光照度應(yīng)不低于100 lx，各種儀表板和控制盒上的光照度應(yīng)不低于30 lx。

1.2 燈具選擇

艙內(nèi)照明可選擇的光源有白熾燈、日光燈和LED燈等。由于LED燈的光效高、壽命長、體積小、發(fā)熱量小、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)勢，在車載方艙照明中被廣泛應(yīng)用。

目前，國內(nèi)優(yōu)質(zhì)的方艙照明燈生產(chǎn)制造商有海洋王照明科技股份有限公司、北京熙捷科技有限公司和深圳三維自動化工程有限公司等。本文以海洋王NFC9139型方艙燈為例展開設(shè)計(jì)。該燈具采用免維護(hù)LED固態(tài)光源，光效高，能耗低。采用雙重導(dǎo)光技術(shù)，光線柔和均勻，低矮場所使用舒適度更高。燈具和驅(qū)動采用一體化超薄設(shè)計(jì)，體積小，重量輕，方便安裝，抗震性好。

1.3 燈具布局

燈具數(shù)量選擇時(shí)應(yīng)統(tǒng)籌考慮，艙內(nèi)燈具數(shù)量不足，工作面照度不夠，容易產(chǎn)生視覺疲勞；燈具數(shù)量過多，則會造成電源等不必要的損耗。

方艙前部為人員操作區(qū)，設(shè)有2組顯控臺和1組機(jī)柜，上架安裝各種設(shè)備；后部為會議區(qū)，設(shè)有1張會議桌和左右2條長椅，桌面上設(shè)有隱藏式電源網(wǎng)絡(luò)接口盒。操作區(qū)內(nèi)照明應(yīng)保證工作人員操作計(jì)算機(jī)、識別設(shè)備面板液晶屏等工作，照度值不低于100 lx。會議區(qū)內(nèi)照度值可適當(dāng)加強(qiáng)，照度值不低于300 lx，滿足工作人員書寫閱讀需要。

結(jié)合艙內(nèi)空間尺寸和NFC9139型方艙燈性能參數(shù)，參考以往方艙照明設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，艙內(nèi)共布置6盞照明燈(其中1盞燈采用藍(lán)白一體雙色燈)。照明燈的控制開關(guān)安裝于工作艙門入口附近的艙壁上，人員進(jìn)艙和出艙時(shí)均可方便操作。艙內(nèi)燈具布局方案如圖1所示。

1.4 工作面照度計(jì)算

方艙內(nèi)部空間平整方正，艙壁為金屬鋁板，反射系數(shù)較高，燈具型號單一且布局對稱規(guī)整，因此，通常采用“利用系數(shù)法”計(jì)算工作面平均照度。

方艙長度為l，寬度為w，高度為h，根據(jù)高度將方艙進(jìn)行室內(nèi)空間劃分，分為3個(gè)部分(見圖2)，燈具安裝高度為hc，燈具計(jì)算高度為hr，工作面高度為hf?？梢杂檬铱臻g比RCR和室形指數(shù)RI等來描述方艙的空間狀況[9]。

(1)

(2)

(3)

(4)

進(jìn)一步簡化計(jì)算，可將艙頂空間和地面空間分別假設(shè)為一個(gè)具有有效反射比的平面ρc和ρf，光線在該平面上與實(shí)際平面擁有同樣的反射效果，艙頂和地面在該平面的反射比稱為有效空間反射比。

(5)

式中，Ao是計(jì)算平面面積；As是空間內(nèi)所有表面的總面積；ρ是計(jì)算平面的平均反射比。

當(dāng)一個(gè)或多個(gè)面內(nèi)各個(gè)部分的實(shí)際反射比互不相同時(shí)，平均反射比計(jì)算式如下：

(6)

式中，Ai是第i塊表面的面積；ρi是該表面的實(shí)際反射比。

計(jì)算平均照度基本公式為：

(7)

式中，E是工作面平均照度，單位為lx；Φ是光源光通量，單位為lm；N是光源數(shù)量；U是利用系數(shù)；A是工作面面積，單位為m2；K是維護(hù)系數(shù)。

利用系數(shù)法計(jì)算工作面平均照度步驟如下[10]：1)根據(jù)方艙尺寸計(jì)算室空間比RCR、艙頂空間比CCR、地面空間比FCR；2)計(jì)算艙頂空間的有效反射比；3)計(jì)算艙壁的平均反射比；4)計(jì)算地面空間的有效反射比；5)對照利用系數(shù)表查出對應(yīng)利用系數(shù)U；6)根據(jù)方艙環(huán)境確定照度維護(hù)系數(shù)K；7)代入照度公式7計(jì)算出工作面平均照度。

本設(shè)計(jì)方案，查詢燈具參數(shù)可知：燈具光通量Φ=1 200 lm，燈具數(shù)量N=6。對照利用系數(shù)表查表得：利用系數(shù)U=0.6，艙內(nèi)長度為3.4 m，寬度為2.4 m，高度為1.9 m，燈具吸頂安裝，工作面高度為0.75 m，燈具維護(hù)系數(shù)K=0.65。計(jì)算可得工作面平均照度為344 lx，滿足平均照度不小于300 lx的指標(biāo)要求，無需進(jìn)行調(diào)整燈具數(shù)量和布局位置后的再次計(jì)算。

2 應(yīng)急照明設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)方艙，艙內(nèi)所有照明燈的供電均從車載綜合電源的后端引接，只有當(dāng)綜合電源開啟后，打開照明燈開關(guān)才能開啟照明。當(dāng)綜合電源或整車供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，整車照明燈將無法啟動照明，黑暗環(huán)境下艙內(nèi)人員無法開展應(yīng)急維修作業(yè)。

為解決供電故障下艙內(nèi)照明，本文開展應(yīng)急照明設(shè)計(jì)。選擇艙門處1盞照明燈定義為應(yīng)急照明燈，繞過整車供電系統(tǒng)給其增加1路備用供電來源，由車載蓄電池直接供電。車載蓄電池一般由2塊DC 12 V鉛酸蓄電池串聯(lián)組成，為車載設(shè)備提供直流24 V后備應(yīng)急電源輸出。

艙內(nèi)所有照明燈均采用LED照明方式，工作電壓為DC 24 V。正常模式下，應(yīng)急照明燈和其他常規(guī)照明燈一樣，都由綜合電源供電。當(dāng)整車供電系統(tǒng)故障艙內(nèi)照明燈無法開啟時(shí)，打開應(yīng)急照明控制開關(guān)，應(yīng)急照明燈可由蓄電池直接獨(dú)立供電，為整車提供滿足維持工作所需的最低限度的應(yīng)急照明。

3 防空照明設(shè)計(jì)

夜間，在防空條件下，艙門需要開啟時(shí)，為避免艙內(nèi)光線外溢導(dǎo)致被敵人直接視覺識別，艙門打開前應(yīng)立即關(guān)閉艙內(nèi)照明燈。此時(shí)，防空照明應(yīng)啟動工作，為方艙內(nèi)部人員提供用于指示輪廓、標(biāo)識出口或通道所需的最低限度的照明。

艙內(nèi)共設(shè)置有6盞照明燈，其中1盞燈采用藍(lán)白一體雙色燈，配置2種驅(qū)動接口，同時(shí)具備正常白光照明和藍(lán)光防空照明2種功能。常規(guī)照明模式下，防空照明燈發(fā)出白光，為艙內(nèi)人員提供正常照明；開啟防空照明模式后，防空照明燈發(fā)出藍(lán)光，為方艙內(nèi)部人員提供最低限度的藍(lán)色照明，避免方艙暴露。防空照明燈如圖3所示。

在艙門邊框鉸鏈處安裝機(jī)械行程開關(guān)，對應(yīng)艙門上固定L型撐桿，安裝布局和開關(guān)內(nèi)部觸點(diǎn)分布如圖4所示。艙門開啟時(shí)，撐桿脫離行程開關(guān)，觸點(diǎn)a和d連通，藍(lán)光驅(qū)動通路，防空照明燈發(fā)出藍(lán)光；艙門關(guān)閉時(shí)，撐桿壓緊行程開關(guān)，觸點(diǎn)b和c連通，白光驅(qū)動通路，防空照明燈發(fā)出白光。

夜間方艙開啟防空照明模式后，當(dāng)艙門打開時(shí)，行程開關(guān)觸點(diǎn)b和c斷開，白光驅(qū)動斷路，艙內(nèi)所有照明燈立即熄滅，避免夜間艙門開啟后光線外溢導(dǎo)致方艙暴露。此時(shí)，行程開關(guān)觸點(diǎn)a和d連通，藍(lán)光驅(qū)動通路，防空照明燈發(fā)出藍(lán)光，為方艙內(nèi)部人員提供用于指示輪廓、標(biāo)識出口或通道所需的最低限度的照明。當(dāng)艙門關(guān)閉后，機(jī)械行程開關(guān)觸點(diǎn)b和c連通，防空照明燈發(fā)出白光，串聯(lián)在此線路的艙內(nèi)所有照明燈開啟照明，為艙內(nèi)工作人員提供正常工作照明。

艙內(nèi)窗戶內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)有遮光簾，在有防空需求的情況下，可拉下窗戶的遮光簾，再配合防空照明燈使用，以起到防空效果。

4 控制電路設(shè)計(jì)

艙內(nèi)設(shè)計(jì)2個(gè)開關(guān)面板，面板上按鈕開關(guān)旁標(biāo)識功能名稱，方便操作人員辨識。開關(guān)背面接線端子編號如圖5所示。

開關(guān)面板1為照明模式選擇開關(guān)，開關(guān)閉合時(shí)為正常照明(默認(rèn)狀態(tài))，開關(guān)打開時(shí)艙內(nèi)切換為應(yīng)急照明，背部并聯(lián)2組觸點(diǎn)，采用單開雙控模式統(tǒng)一控制。開關(guān)面板2為照明燈總開關(guān)和防空燈啟用開關(guān)，采用雙開雙控模式分別控制，開關(guān)閉合時(shí)艙內(nèi)所有照明燈和防空燈都關(guān)閉(默認(rèn)狀態(tài))。

開關(guān)面板均設(shè)置在進(jìn)門位置周邊，方便人員上、下車時(shí)觸碰操作，艙內(nèi)照明狀態(tài)與開關(guān)和艙門的操作關(guān)系見表1。表1中，“■”表示點(diǎn)亮狀態(tài)，“□”表示熄滅狀態(tài)；防空燈為藍(lán)白一體雙色燈，配置2套驅(qū)動，可分別發(fā)出白光和藍(lán)光。

表1 開關(guān)操作與照明狀態(tài)關(guān)系對應(yīng)表

方艙照明系統(tǒng)控制電路原理如圖6所示。

5 應(yīng)用分析

根據(jù)上述照明控制電路圖開展方艙板片布線、燈具吸頂安裝、開關(guān)固定等工程實(shí)施工作，完成方艙生產(chǎn)。采用專業(yè)照度儀進(jìn)艙測量照度值。照度儀是用來測量光線強(qiáng)弱等級的專用設(shè)備，操作簡單，打開探頭保護(hù)蓋，打開電源開關(guān)，屏幕直接顯示測量處的照度值。

在艙內(nèi)工作平面上等距離500 mm劃分網(wǎng)格，選取30個(gè)照度值測量點(diǎn)，點(diǎn)位布置如圖7所示。關(guān)閉艙門，拉下窗戶遮光簾，打開照明燈。將照度儀分別放置在工作面測量點(diǎn)位處，記錄該測量點(diǎn)位的照度值。每個(gè)點(diǎn)位測量3次，取平均值作為該點(diǎn)位處的最終照度值。測量過程如圖8所示。

統(tǒng)計(jì)分析工作面30個(gè)點(diǎn)位的測量值，結(jié)果表明，艙內(nèi)工作面的最大照度為395 lx，最小照度為268 lx，平均照度值為330 lx，滿足艙內(nèi)照明不小于300 lx的指標(biāo)要求。

6 結(jié)語

從艙內(nèi)適宜照度值出發(fā)，詳細(xì)介紹軍用方艙照明設(shè)計(jì)流程，依次開展燈具選型、布局設(shè)計(jì)、工作面照度值計(jì)算。提出應(yīng)急照明和防空照明解決方案，滿足供電故障時(shí)艙內(nèi)照明和夜間防空照明需求。開展軍用方艙照明開關(guān)和控制電路詳細(xì)設(shè)計(jì)，為同類方艙照明設(shè)計(jì)提供借鑒參考。最后，通過照度儀實(shí)地測量某軍用方艙內(nèi)工作面照度值，測量結(jié)果與計(jì)算值基本吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)確性。