船舶机舱光环境仿真

朱 煜，杨 骏，王 杰，张红伟，朱明华

（江南造船（集团）有限责任公司，上海 201913）

0 引 言

机舱照明系统设计是船舶设计中的一个非常重要的环节，由于机舱结构紧凑、设备数量多、管路等布置复杂，使得机舱的光照强度分布不均匀，光环境不理想。尤其是作战类舰艇，受其整体尺寸的限制，其机舱面积较为狭小，光环境较为恶劣。因此，在船舶设计初期应对其照明系统进行合理设计，引入并行工程思想，将基于人机工程学的光环境仿真评估技术融入船舶设计中，以便对光环境进行快速评估并对设计存在的不足及时进行改进，从而达到动态设计优化的目的。船舶机舱的光环境评估主要针对其内部的照度分布，因此本文主要以机舱工作面的照度分布情况为研究对象。

传统的照度估算方法是在灯具布置的基础上参照国家标准和行业标准进行照度的人工计算。采用这种 方法仅能粗略地估算出部分典型舱室的平均照度水平，且很难考虑舱室内设备布置位置的特殊性，计算精细度不高。因此，传统方法已越来越难以满足日益提高的设计要求[1-2]。

随着计算机技术的不断发展与应用，各类照度计算软件的出现使得基于人机工程的室内光环境快速仿真成为可能。拥有合适的光环境是船员保持正常的心理和生理状态、提高工作效率的必要条件。就船舶机舱而言，其光环境的质量主要取决于人工照明情况。DIALUX软件是目前全球照明行业使用最广泛的照明设计软件，飞利浦、雷士等世界知名的大型灯具厂商都提供与 DIALUX整合的灯具数据插件；此外，DIALUX具有灯具自定义功能，可为相关人员开展光环境模拟工作提供保障[3]。

本文基于某舰船机舱模型，采用DIALUX软件为其布置照明系统，并对其光环境进行快速评估，得到工作面光照强度分布情况，同时提出优化方案。在此基础上，计算局部照明和应急照明情况。计算结果表明，机舱工作面的平均照度、局部照明和应急照明均满足规范的要求[4]。

1 照度计算原理

船舶照度计算的主要方法有利用系数法、比功率法和逐点法，其中：利用系数法适用于灯具均匀布置、墙和天花板反射系数较高的室内照明或室外照明，通常获取的是舱室平均照度；比功率法不考虑舱室的内饰，比较适用于初步的照度估算[1]，而机舱内含有大量的设备和管路，空间布局复杂多变，不适于采用该方法；逐点法计算简单、中间过程少、误差小，对于室内和室外走道、机炉舱等反射条件极差的场所而言，采用该方法进行照度计算更为精确便利[4]。

图1为光源与照度，其中：S为光源；P为所求照度点；M为过P点的水平面。

P点的照度为：

图1 光源与照度

式(1)～式(3)中：l为光源与P点之间的距离，m；θ为光源至被照点的射线与光源垂直高度线之间的夹角，(°)；Iθ为θ角方向的发光强度，由灯具的配光曲线查得，cd；En为P点法线照度，lx；Eh为P点水平面照度，lx；EV为P点垂直面照度，lx。

一般只需计算水平面照度。若P点上不是由一盏灯照射的，而是由若干盏灯照射，则P点上的照度为各盏灯在该点上照度的总和，即

2 模型建立

该船的主机舱分为上下2层，中间有贯通区域，主要包含3台主柴油发电机组、1台停泊柴油发电机组、热水锅炉、各类管路和电气设备。机舱的尺寸为19.0m×15.0m×8.8m。由于机舱部位的型线变化不大，因此以创建立方体室内空间之后直接插入挤压柱体的方式创建其外表面。此后，导入设备三维模型，包括主机、锅炉、管路和电气设备等，并将其调至合适的位置处。在此基础上，设置上下2个计算平面，距离地板0.8m。根据设备表面的实际情况设置反射系数。本文在保证一定计算精度的基础上对设备模型进行适当简化，以减少计算时间。

3 灯具布置方案分析和优化

机舱内的设备布置一般比较紧凑，照明以局部照明为主，灯具布置宜采用中等功率多点布置方案，从而保证有适当多的照射点，使主要机械设备的各侧面都能被照到，不易产生背暗面和照明死角[5]。根据文献[4]提供的船舶典型舱室照度参考值，机舱设备操纵区域的平均照度不小于100lx，通道的平均照度不小于30lx；机舱整体平均照度采用美国照明工程学会的数据，不小于200lx。

首先基于初始照明系统布置方案进行照度计算，得出计算平面的照度分布情况，根据计算结果并结合实际三维模型分析灯光布置的合理性，再优化布置方案，在此基础上进行关键区域局部照明计算。

3.1 方案1

初始照明系统布置见图2，机舱的上层和下层共布置37盏灯，灯具使用PHILIPS TPS682 2×TL5-39W HFP C8-VH（2×39W，光通量为6200lm，功率为84W）荧光吊顶灯。机舱上层灯具的安装高度为7.8m（距上层甲板2.0m），机舱下层灯具的安装高度为4.9m（距下层甲板2.2m）。

图2 初始照明系统布置

针对该方案进行照度计算，得到机舱上层和下层计算平面的照度分布分别见图3和图4。根据图3和图4及软件自动生成的报表可得到以下结论：

1) 机舱上层和下层计算平面的平均照度大于200lx，满足规范推荐的计算表面平均照度要求；

2) 机舱上层甲板挖空区域设置的光源过多，光照利用率不高，同时挖空区域下方布置有柴油机组等设备，其操作面板多为竖直平面，考虑到操作和检修因素，需对该区域的灯具布置进行完善；

3) 灯具4位于变压器顶部，其光线会被变压器遮挡；

4) 机舱上层机修间各灯具的位置比较接近，两端照度不理想，不利于机修维护工作的开展；

5) 机舱上层灯具18距离楼梯较远，楼梯通行区域灯具较少，只有灯具16、灯具17和灯具18等3盏，该区域的照度小于30lx，不利于人员上下楼梯；

6) 机舱下层灯具的排列方向多为竖直方向，在走廊区域与人员行进的方向垂直，没有采用错落布置方式，会对船员造成眩光影响。

图3 机舱上层计算平面照度分布

图4 机舱下层计算平面照度分布

3.2 方案2

针对方案1存在的问题，提出一种优化方案：在优化过程中对灯具进行重新编号，荧光吊顶灯的总量保持不变，对其位置进行相应调整，同时增加3盏钨光投射灯。具体修改方案如下：

1) 调整机舱上层甲板荧光吊顶灯的位置，并在挖空区域周边加装 3个 PHILIPS QVF415 1×HAL-TDS500W WB（1×500W，光通量为9900lm）钨光投射灯，安装高度为5.8m，与上层甲板的高度相同，见图5中的灯具I、灯具II和灯具III；

2) 调整变压器两侧的灯具布置，见图5中的灯具5和灯具6；

3) 调整机修间灯具的布置，使灯具的长轴与舱室的短边平行，从而保证机修间光照分布更加均匀，见图5中的灯具11和灯具15；

4) 在机舱上层楼梯处，使灯具更加靠近楼梯，并在通行区域多加1盏灯具，从而缩短灯具之间的距离，提高照明效果，见图5中的灯具16、灯具17、灯具18和灯具19；

5) 将机舱下层部分灯具的布置方式改为水平布置，并微调大部分灯具的位置，见图5中的灯具23、灯具24、灯具25、灯具27、灯具34、灯具35和灯具36。

图5 灯具分布优化

对优化方案进行计算，得到机舱上层和下层计算平面照度分布分别见图6和图7。由图6和图7可知，计算平面平均照度满足规范推荐值的要求，同时整个机舱的照明分布更加合理，舱室照度不均的问题得到很好的改善，灯光的利用率得到提高，整体上来说机舱的光环境良好，更有利于船员开展相关工作。

图6 改进后机舱上层计算平面照度分布

图7 改进后机舱下层计算平面照度分布

3.3 局部工作面照度计算

依据方案 2的照明系统优化结果，选取一些关键位置进行照度分析，检验该照明方案是否满足局部照明的相关要求。

图8 主机操作板照度分布

3.3.1 主机操作板

选取主机操作板，将操作板面设定为计算表面，其照度分布见图8。由图8可知，主机操作板平均照度为206lx，最小照度为194lx，满足主机操作面平均照度大于100lx的要求。

3.3.2 通道区域

选取机舱上层和下层甲板为计算表面，其照度分布分别见图9和图10，其中阴影区域为通道，可见机舱通道区域光照强度均明显大于30lx，满足设计要求。

图9 机舱上层甲板照度分布

图10 机舱下层甲板照度分布

4 应急照明照度计算

在方案2的基础上加入应急照明灯光场景（见图11），机舱上层和下层各加5盏灯具，使用PHILIPS TPS682 2×TL5-39W HFP C8-VH（2×39W，光通量为6200lm，功率为84W）。参考建筑行业相关规范[6]，用于疏散照明的地面平均水平照度应大于1lx。

图11 机舱应急照明分布

设置安全通道，宽度为0.8m。机舱上层和下层应急照明照度分布分别见图12和图13。机舱上层安全通道的平均照度为125lx，机舱下层安全通道的平均照度为123lx，撤离路线上绝大部分区域的照度都大于1lx，可满足应急照明的需求。

图12 机舱上层应急照明照度分布

图13 机舱下层应急照明照度分布

5 结 语

本文基于人机工程学光环境仿真技术，以某船舶主机舱为研究对象，在DIALUX环境中建立了主机舱光环境计算模型，并进行了光环境模拟计算。根据初步照明方案分析了机舱在正常照明情况下的照度分布情况，在此基础上优化灯具布置方案，使照度分布更加合理。同时，计算了局部照明和应急照明安全通道的光照强度，确保照度符合要求。计算结果表明，采用DIALUX软件辅助照明系统设计可为前期设计人员提供更为科学的灯具设计和优化布置依据，减少后期现场灯具布置更改，提高船舶设计建造效率。