船舶人因照明系统设计

刘 渊 夏 骏 傅晓红 周祎隆

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

0 引 言

2013年8月20日《2006年海事劳工公约》执行生效，公约规定每名海员均有权获得体面的船上工作和生活条件。由于船舶航行时间长，船上环境严苛，船员的生活工作环境急需改善。船舶照明系统覆盖全船，对船员的生理以及心理都有着重要的影响，是改善船员生活工作环境的重要切入点。

近年来，船舶照明设计得到越来越多的关注。王国权列述了不同舱室所需要的照度水平，提供了船舶舱室照度设计参考值。苏士斌等引入DIALux照度计算工具，有助于优化照明布置、提高照度计算精度。李震等提出了一种基于区域面积权重分配的舰船舱室照明设计方法，以舱室内区域平均照度标准为基础，计算得到舱室整体照明光通量，不同功能区域面积对应不同权重因子，将室内总需光通量按权重分配，该方法有助于室内照明局部优化。王静绮等提出了一种照明设计仿真系统并初步投入使用，能有效增加照明设计效率。文献[7-9]指出LED照明在船舶照明系统中具有节能、稳定和环保等优势，促进了LED照明在船舶照明系统中的推广应用。

然而，当前虽有不少文献可以指导设计满足普通需求的船舶照明系统，却鲜有文献对不同舱室的照明需求进行分析并提出满足船上人员工作生活时身心需求的人性化船舶照明设计。

1 理论基础

人类视网膜上第3种感光细胞——神经结细胞，可以根据进入人眼的可见光产生生物性反应，控制人体的生理节律、体温、心率以及皮质醇和褪黑激素的分泌等，对人体的身心状态产生影响，这种效应简称光生物效应。皮质醇是应激激素，可以提高血糖浓度，给人体提供能量，控制人的警觉性；褪黑激素可以控制人的睡眠。研究显示，1 000 lx以内，照度越高，光照促进人体皮质醇的分泌、抑制褪黑激素产生的能力越强，越能提高人的警觉性与注意力。基于现有的光生物效应研究理论，可以针对不同船舶舱室的工作生活保障指标设计照明方案，调节人体的生理状态，提升环境舒适度。

照明的主要属性包括照度、色温和显色指数。照度是指每单位面积所接受到的光通量，用于描述光照面的明暗；色温用于描述光色冷暖；显色指数是待测光源还原物体本来颜色的能力。传统船舶室内照明灯具以白炽灯及荧光灯为主，照明效果及控制方法单一。近年来，LED照明灯具在船舶照明系统中逐步得到推广使用。表1对比了LED照明灯具与荧光灯特性。

表1 LED与荧光灯特性对比分析表

由表1可知，LED照明灯具相对于荧光灯而言，有多方面的优势：LED照明灯具的光谱几乎全部集中在可见光区域，照明效率高达80%～90%，单体LED功率通常为0.5～1 W，光效为70～130 lm/W，能以较低的能耗提供同样的照度水平；LED光源有暖白、白色和蓝白等多种可选色温，可以根据要求设定所需要的色温；LED灯的响应时间为纳秒级，可以通过控制电路灵活地控制光源参数，实现数字化控制。

基于LED的上述特性以及光生物效应，船舶照明设计可以通过控制LED灯具的照度、色温以及显色指数等参数来实现不同舱室的不同照明需求。

2 人性化照明设计方法

现阶段主要船型有集装箱船、油船、散货船、LNG船、客滚船、军舰、科考船及豪华游轮等，本文所提出的设计方法对所有类型的船舶均适用，尤其适用于科考船和豪华游轮等对船上环境要求较高的船型。

船舶照明系统包含正常照明、应急照明以及临时应急照明系统。正常照明系统为船舶照明的主要部分，由主发电机经主配电板供电；应急照明在正常工况下由主发电机经应急配电板供电，在应急工况下由应急发电机经应急配电板供电；临时应急照明由直流24 V电源供电。正常工况下，正常照明与应急照明同时提供照明功能，临时照明不工作。本文所提出的船舶室内照明设计方法基于正常工况，因此只考虑正常照明与应急照明同时工作的情况，并且下文设计时只讨论整体照明效果，不分正常以及应急两个系统讨论。

船舶内部少有自然光照明。出于水密性的要求，主船体只能设置采光面积有限且数量较少的舷窗，即使是白天，舱内依然偏暗，需要灯光照明。上层建筑采光窗同样较小，导致采光量少，而没有面向外部空间壁面的中部舱室，自然光照更是无法获得。因此，船舶照明设计主要考虑灯具本身的光照，本文将忽略自然光照的影响展开研究。

本文所提出的照明设计方法旨在满足船上人员在不同舱室的工作和生活的需要，帮助船上人员更好地工作和休息，设计步骤包括灯点数量选择、照明灯点布置、DIALux软件验证、色温选择、显色指数设定以及控制方式选择。

2.1 灯点数量选择

基于现有的研究成果，对于船上人员警觉度专注度要求越高的舱室，选用越高的照度；例如会议室、阅览室等舱室需要人员能够保持较高的专注度，则需设计较高的照度。当存在部分舱室在不同时间需要不同的照度时，可以选用调光开光，或者选择增加灯点，选择分时点亮，在不同时间设定不同的照度值。例如住舱，睡前要求照度较低，有助于睡眠，早晨要求较高照度，有利于唤醒舱室人员。

常用照度设计计算方法有利用系数法、比功率法和逐点法，此处选用比功率法，根据所需照度值确定所需灯具总功率，从而得到灯点数。比功率计算方法如式（1）所示：

式中：为所需灯具总功率，W；W为单位面积所需功率（比功率值），W/m；为舱室面积，m。

对于LED灯，当所需照度为×100 lx时，选用W≥×4 W/m，为正整数，从而可以求得总功率，继而算得所需的最少灯点数。

2.2 照明灯点布置

由于船舶舱室种类多样且形状多不规则，本文结合船舱工作、生活条件的照明保障指标以及舱室形状对灯具进行分类布置。视野内的亮度对比过强而让人产生的不舒适感（或者使观看对象的可见度降低）即为眩光，会严重影响视觉感受，引起视觉不适、眼疲劳、头痛和偏头痛等症状。控制眩光需要合理的照度水平和适当的亮度分布，黄海静提出控制室内最大照度与最小照度对比值不超过5∶1，能有效控制眩光。为尽可能保证照明的均匀与美观，本文选用“局部照明布置”以及“均匀照明布置”两种布置方式，以实现合理的照度水平以及适当的亮度分布。

根据舱室特点，本文将船舶舱室分为三类：有人员集中区的舱室为一类舱室；无人员集中区以及不规则形状的非机器设备间为二类舱室；机器设备间为三类舱室。一类舱室有内装板，灯具不易受损，采用蓬顶灯嵌入式安装，并采用蓬顶灯局部布置结合均匀布置方式；二类舱室同样有内装板，但无人员集中区或者形状不规则，选用蓬顶灯均匀布置；三类舱室无内装板，且有大量机器设备，灯具易受损，为考虑安全性，选用舱顶灯均匀布置。详细舱室布置方案参见表2。

表2 舱室照明灯点布置选择

2.3 DIALux软件验证

通过DIALux软件对设计舱室进行建模，验证照度是否符合要求，若不符合则增加或减少灯点，直到离所需照度要求最接近；同时查看舱室内最大照度与最小照度对比值不超过5∶1，若存在最大照度与最小照度对比值超过5∶1的情况，则调整灯点位置直至满足要求。

2.4 色温选择

色温是影响人体正性情绪和认知能力的主效应。黄海静研究表明：相对于低色温光源下，在中高色温光源下，人体瞳孔变化小，注意力集中。因此，可以根据舱室功能对人员注意力集中性的需求选择光源色温。LED光源常用色温为3 000～6 500 K，对于注意力集中要求高的舱室，可以选择5 000～6 500 K的色温，对注意力集中性要求一般的舱室，可以选择4 000～5 000 K的色温，需要放松环境的舱室，可以选择3 000～4 000 K的色温。

2.5 显色指数设定

对于一般舱室，显色指数一般要求＞80；对于实验室等对真实色彩还原能力要求较高的场所，显色指数设定为90。目前，LED灯具显色指数通常在80～90，可以满足船上不同舱室的显色指数需求。

2.6 控制方式选择

在布置好灯点后，根据舱室内设备使用情况选择灯具控制方式，进行系统图设计。对于需要局部照明处所的照明回路，进行单独控制。例如会议室投影处灯光需要单独控制，在投影时，可以将投影区域灯点关闭，色温根据低照度要求时选择。

下页图1为本设计方法的流程图。

图1 设计流程图

3 设计实例

本文以某科考船为例，说明本设计的可行性。首先根据舱室工作生活保障指标选择全船照度，结果如表3所示。

表3 舱室照度选择

3.1 一类舱室案例

选取该船会议室为例说明。该会议室照度要求＞200 lx，面积为31.26 m，该舱室局部照明灯具类型选择200 W面板蓬顶灯，负责人员集中区（会议桌）照明。为使照明均匀，在过道增加8 W筒灯，则至少需要（31.26×8-200）/8≈6盏筒灯。

灯点数确定后，此处根据舱室形状，选用14盏筒灯。将灯点按要求布置在舱室内。在DIALux中，对舱室进行建模计算，会议室3D模型如图2所示，等照度线如下页图3所示。平均照度值为350 lx，工作面照度值大于300 lx，满足设计要求。

图2 会议室3D模型

图3 会议室点照度图

会议室对人员注意力集中性要求高，色温选择5 000 K，显色指数要求＞90；由于只有一扇门，控制方式只需选择单联开关。

3.2 二类舱室案例

选取该船某一高级船员套间为例说明。该套间休息室所需照度为100 lx，面积为15.75 m；卧室照度睡前要求为50 lx，早起照度要求为100 lx，面积为6.44 m。该舱室灯具类型选择8 W筒灯，则休息室需要15.75×4/8≈8盏筒灯，卧室睡前需要6.44×2/8≈2盏筒灯，早起时需要4盏。

灯点数确定后，将灯点均匀分布于舱室内。在DIALux中，对舱室进行建模计算，此处卧室按睡前要求设计，舱室3D模型如下页图4所示，等照度线如图5所示。休息室平均照度值为102 lx，卧室平均照度值为68 lx。照度值满足设计要求。

图4 高级船员套间3D模型

图5 高级船员套间点照度图

此套间色温选择3 500 K，显色指数要求＞80，控制采用各单间双联双控开关控制，设两处开关，方便操作。至此，完成该舱室照明设计。

4 结 语

本文以改善船上人员工作及生活条件为出发点，基于已有的光生物效应理论，提出了一种人因船舶照明设计方法，对舱室照度、灯具布置、色温以及显色指数进行设定，探讨了照明控制方式，并给出了详细的设计步骤；而后，以实船项目为例，选取两个典型的房间，介绍了该设计方法的实际应用。本文所提出的照明设计方法，为船舶照明设计提出了新的设计思路，能显著改善船上人员的工作及生活环境。