船舶照明优化设计研究

王静绮，杨　程

（中国船舶研究设计中心，武汉430064）

船舶照明优化设计研究

王静绮，杨程

（中国船舶研究设计中心，武汉430064）

对当前船舶照明设计流程和先进照度计算方法的研究，采用实景照明仿真技术，进行真实环境仿真建模，同时借鉴三维设计中的成熟经验，建立了全新的照明设计流程以及照明设计方法。本系统提高了船舶照明设计的准确性与自动化程度，提供了比较好数据信息管理方法。

船舶照明系统照度计算仿真信息化

0　引言

船舶照明是保证航行安全和提高船员生活舒适度的基本保证。船舶照明系统光设计已经成为人-机-环境系统的重要组成部分，科学合理的光环境设计可以对船员视觉、心理等方面起到积极的指导作用［1］。从上世纪60、70年代开始，欧、美等发达国家对照明光色的人机工程进行了深入研究，取得了大量成果，并广泛应用于各类领域。

随着船用技术的快速发展，我国船舶设备及其制造工艺日新月异，各种新光源越来越多应用于船舶照明系统，船舶航行的操控和生活条件也显著改善［2］；我国传统的船舶照明设计方法已经不能满足船员的生活、工作的高质量需求。尤其是一些对于光环境要求高的工作舱更是缺少必要的设计手段和设计方法。

本文旨在通过对传统照明系统设计流程进行梳理、研究，在借鉴三维设计经验以及当前最先进的照度计算理论和照度计算方法的基础上，改进原有的设计方法，提出一种基于计算机辅助设计的舱室照明设计方法，该方法能够解决之前不能实现的灯点优化和照度不均匀等问题。同时结合当前三维设计的主流，实现照明系统设计流程自动化，从而提高设计的效率和质量。

1　照明设计的主观因素

在进行照明设计之前，应该明确所有的设计都是为人而设的。因此，需要明确照明系统中人的因素，即人眼以及人眼对各种不同照度级和照度型式反应有关的原理论述，以便于了解在船舶上进行照明系统设计所采用的不同型式照明装置的目的和意图。

在照明设计中，需要考虑的影响人眼视力的主要因素有：

1） 生理因素（如眼睛的生理构造和老化）；

2） 心理因素（如紧张、分心）；

3） 客观因素（如物体的尺寸大小、明亮度、对比度）等。

在上述因素中，由于其客观因素是满足一个既定区域内照度要求的可测有形因素，因此应密切关注这些客观因素，同时将其作为照明系统设计中的主要因素。影响人眼主观视觉的主要客观因素有：能见度、明亮度、对比度。

根据以上分析，在进行照明系统设计中，必须坚持以人为本的设计原则，充分考虑船员的主观因素，使得人员最方便和最不易引起视觉疲劳，力求提供最大可能的舒适度。否则，任何设计都是毫无意义。

2　典型照度计算方法

目前，照度计算主要有利用系数法、概算图表法、逐点法、用平面相对等照度曲线逐点计算照度法、综合表格法等。其中利用系数法［3］在我国最为广泛应用。

所谓的利用系数法，就是通过考虑墙壁、顶棚、地面之间光通的多次反射影响，计算落到工作面上的光通量来确定工作面上的平均照度的方法，因此，也被称为光通法或流明法。一般在均匀布置灯具的场所，可采用此法计算工作面上的平均照度。

2.1利用系数法

目前，在我国应用最为广泛的就是北美IES的带域空间法。带域空间法采用在Jones的球带系数和有效反射率中引入O'Brien的广通传递函数得出的，由于其计算简便，故被广泛使用。

球带系数法，是在一定布灯情况下，通过计算每10°带光通直接落到工作面上的比例来计算灯具发出的光通量中落到工作面上的那一部分光通量。其中，光通量分布以立体角ω的四次式表示，从而由光通分布导出光强分布，进一步从几何关系求出直射光通。

应用利用系数法计算工作面的平均照度的步骤如下：

1） 根据灯具是否均匀布置，判断可否利用此方法；

2） 根据房间尺寸计算室空间比；

3） 根据墙壁、地板及顶棚有效反射率查利用系数表，得利用系数U；

4）确定照度维护系数K；

5）计算光源的总光通量F。

根据公式（1）计算工作面平均照度。

式中：F－灯具内光源的总光通量（lm）；

Eav－工作面上平均照度（lx）；

S－工作面面积（m2）；

N－光源数量（个）；

U－灯具利用系数；

K－照度维护系数。

2.2灯具模型

在利用系数法计算过程中，灯具在空间的光强分布是整个计算的核心数据，灯具空间光强分布测量数据的准确性直接影响最终计算结果的准确性，灯具的配光曲线即是详细记载灯具空间光强分布的标准化文件。因此，建立灯具的配光曲线模型成为整个照度计算中的核心。

在传统船舶照明系统设计时，灯具的生产厂家仅仅只在灯具的样本中给出灯具在几个不同距离的光斑直径、中心照度等方面的数值，而以往也常常习惯并认同这种表达方法。虽然这种表达方法比较简单、直观，但应该说，这种表达方法比较粗糙、不够准确，是一种初级的表达方法。

目前，我国灯具业已陆续引进配光曲线仪测量灯具特性，为在照明设计中采用精确可靠的数据资料提供了前提条件。本文采用北美照明工程协会（IESNA）所订定的IES标准档案格式建立灯具模型库，并将其应用于照明照度计算。

3　传统舱室照明设计方法

传统的船舶照明系统设计方法一般使用利用比功率法，初步估算舱室配备的灯点数，再使用利用系数法进行重点舱室照度的核算。然后，利用计算机辅助设计软件在上述计算结果的基础上，进行工程图纸的绘制，如图1所示。

由于照明设备在每个区域的数量和型号各不相同，灯具数量类型繁多，以致在照明布置设计过程中难以统计。常规做法是先核查系统图与布置图是否一致，然后再逐一进行汇总统计，工作量较大、较繁琐的部分［4］，准确度低且效率低下。设计手段的落后，使得难于考虑维持所要识别的视觉对象要求的合适照度的均匀性，基本以满足工作点的照度要求为准，灯具的优化布置也较少涉及，这就导致一些舱室中灯具数量满足照度要求，但是局部位置却严重不符合要求，以致照明系统设计准确度低且效率低下。

4　优化舱室照明设计方法

经过研究分析，本文将照明计算机辅助设计系统分为两个子系统即：照明照度计算及分析子系统、照明系统信息数据库管理子系统，通过两个子系统将整个电气设计的过程进行融合，去除以往照明设计中的重复过程，将以往烦琐的照明设计简化，同时以照明图纸为根本，对数据信息进行有效的管理。系统设计总体框架如图2所示。

图2照明系统设计总体框架图

4.1照明照度计算及分析子系统

本部分主要包括以下几个方面：船舶照度计算方法研究及优化选择；船舶舱室照度设计参数数据和船舶照明系统系列图纸电气参数的提取；照明系统计算结果数据信息库的建立和数据统计；船舱室分类及原理线路图模块化设计等工作。

4.2照明系统信息数据库管理子系统

主要实现了整个系统的数据管理，是整个设计系统的核心，其完整性和合理性将直接影响系统的可应用与否。其主要分成两个部分，一部分为用于二维原理图设计的ACCESS数据库，以及用于三维照明设计的数据库；其中通过本子系统的管理，使两部分数据库建立关联，使之保持同步，使设计信息保持一致。

4.3照明系统信息数据库

在整个照明设计流程中，照明系统信息数据贯穿设计全过程，成为整个系统的灵魂，其重要性不言而喻。目前，系统引用基于ACCESS数据库的二维原理图设计软件，以及基于Oracle数据库的三维设计软件。那么如何通过照度计算得出的设计结果，作为二维照明系统原理图设计的理论依据，直接指导图纸的绘制工作，这就需要提供相关数据信息接口。

图3数据关系图

本软件的数据库系统包括：远程数据库，目前采用ORACLE数据库；本地数据库，目前采用ACCESS数据库。

由于照度计算分析参数和计算结果最后需要应用于照明系统图纸设计，因此，其数据也需写入当前二维设计使用的ACCESS数据库，因此这部分数据只是ACCESS数据库的一部分，并且根据实际设计需要，分散设置在不同的数据库表格中，以下仅列出照度计算模块包含的部分参数数据：

1） 按用途分，照明数据分为以下几个部分

a） 照明设计参数库；

b） 照度计算结果数据；

c） 船舶照明系统系列图纸电气参数数据。

2） 照明设计参数

a） 有注明舱室用途及其内部设备布置和舱室高度的舱室平面图（室型指数）；

b） 舱室表面反射系数；舱室表面包括：舱顶板，墙壁，和甲板；

c） 对一般均匀照明所定的舱室照度标准；

d） 对各种类型舱室所选用的照明灯具的型式；

e） 照明灯具的光源特性（功率、光通量及灯泡数量、配光曲线及其效率）；

f） 选取的储备系数；

g） 选取的照度的不均匀系数；

h） 舱室照度标准应该符合造船部门现行的人工照明标准。

3） 船舶照明系统系列图纸电气参数数据

a） 舱室名称；

b） 灯具数量；

c） 灯具类型；

d） 灯具功率；

e） 灯具模型库等。

5　典型舱室照明设计

本文这里选用先进照度计算软件Dialux［5-6］作为设计平台进行二次开发和应用。Dialux是当前国内得到广泛推广的一款德国照明设计软件，目前其已得到了国内43家灯具制造商支持，其强大的灯具配光曲线数据库、便利的DWG/DXF的接口以及可视化的网格及报表功能使得照明系统设计更加准确、快速。下面就以某船舱为例，在Dialux环境中进行照明系统的计算机辅助设计。首先设定舱室用途及其内部设备布置和舱室高度的舱室平面图（室型指数）如表1所示：

表1室形指数

工作平面定为距离地面0.8 m（此数据可以根据需要改动）；舱室额定照度：150 lx；灯具安装地点：天花板；灯具参数：3×20 W荧光蓬顶灯共18盏；光通量：2500 lm；灯具安装方式：嵌入式。

5.1照度计算

在Dialux中根据实际舱室参数，通过空间建模、选择灯具配光曲线、灯具布置，最后通过照度计算得到了0.8工作面各点的照度数值分布图。图4，图5为该典型舱室0.8工作面上的灰阶等照度图与点照度分布图。

图4灰阶等照度图（照度）

图5点照度分布图

5.2计算结果与实际测量值的比较

下表为根据软件实景建模，取工作面为计算面所计算出的照度数据值如表2所示。

根据典型舱室参数，建立真实典型舱室及相同灯具布置，选取0.8工作面实际测量8个位置照度数据如下：146；159；188；219；178；150；120；35，平均值为150lx。

表2软件计算结果网格：（128×128点）

由以上数据可以看出，在相同的灯具数量情况下，软件布置的平均照度稍高于现场实际布置的平均照度。考虑到实测数据所取空间点数有限所产生的误差以及灯具的实际光通量等参数与理论值的误差，可以得出照度软件计算结果完全可作为设计依据。

6结语

目前，本照明系统设计方法已初步应用于照明系统设计，通过多次测试验证，证明该系统设计方法高效、准确，满足正常设计需要。随着未来分析仿真与数字检测在设计工作中的进一步介入，必然需要图纸能体现更多的设备信息，并且具备完整的信息数据库管理系统，从而减轻设计的工作量，提高设计的效率和质量。

［1]杨彪.民机驾驶舱光环境设计及视觉工效学研究［D］.上海:复旦大学，2011:4-5.

［2]王立波，陶志超.船舶照明节能控制技术研究［J］.船舶电气与通信，2013，24（3）:69-72.

［3]李炳华，董青.体育照明设计手册［M］.北京:中国电力出版社，2009:200-416.

［4]李榆青，陈晓雄，李子奇.船舶照明系统图和布置图计算机辅助设计［J］.船舶，1996（5）:45-48.

［5］DIALUX一个 灯光照 明设计 软 件［EB/OL］http://wapbaike.daidu.com.

［6]http://www.dial.de.

Optimization of Shipboard Lighting System

Wang Jingqi，Yang Cheng
（China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China）

In this paper，the design flow of shipboard lighting system and advanced luminance calculating method are studied.Adopting the technique of emulating lighting scene，and using mature experience of three-dimensional design for reference，true condition model are set up，and a new lighting design flow and lighting design method are established.All of this improves prominently veracity and automatic degree of lighting design and offer better method of managing data information.

ship；lighting system；luminance calculating；emulating；informationization

TM923

A

1003-4862（2016）07-0066-04

2016-1-26

王静绮（1980-），女，工程师，专业方向：船舶电气。