常规潜艇照明系统设计优化研究

2017-10-14雷毅

船电技术 2017年5期

关键词：艇员舱室照度

雷毅

常规潜艇照明系统设计优化研究

雷毅

（海军驻701所军事代表室，武汉 430063）

常规潜艇传统照度不变、单一模式的照明系统，已经不适应总体的发展需求。结合常规潜艇照明特点，分析了照明系统设计的相关要素，提出了照明系统的总体方案架构，给出了照明效果的验证方法，可为水面舰船照明系统的设计提供参考。

潜艇照明优化设计

0 引言

照明系统是常规潜艇的重要组成部分，良好的光环境不仅可以改善艇员的视觉条件及工作环境，而且可以减少艇员的误操作，降低事故的发生率，在保护潜艇总体的安全方面起着重要的作用。与传统常规潜艇相比，新型常规潜艇续航力大幅度提升，艇员在水下连续工作的时间更长，传统的固定色温、照度不变的照明系统已经无法满足总体作战及艇员生理的需求，如何构建一个合理的照明系统，采用照明发展的新技术新理念，从人性化角度进行合理科学照明，减小艇员长时间封闭照明环境中的疲惫感，提高舒适性和战斗力，成为潜艇照明系统设计迫切需要解决的问题。

本文结合常规潜艇照明特点，通过对潜艇各种航行状态下操作舱室、居住舱室、活动舱室环境光的需求研究，以及对人体在各种光照条件下的生理反应研究，提出照明系统的总体方案，并在此基础上研究了照明效果验证的方法和手段。

1 照明系统设计要素分析

1.1概述

照明是以满足工作和生活等需要为目的而设立的。一方面是给周围的对象以适宜的光分布，艇员通过视觉能够正确识别欲知的对象和确切的了解自身所处的环境状况，另一方面则要创造与生理心理要求相适应的室内空间环境，满足艇员长期在水下生活作战的需求。依据上述原则，照明系统的设计要素可以从光照明环境适应性设计和光生物安全性设计两方面进行分析。

1.2光照明环境适应性设计

目前，潜艇舱室光环境设计标准主要以照度量化指标为主，但对其它指标如亮度、眩光等重视不够，必须突破传统照明系统设计技术，以“按需照明”为原则，紧密结合总体布置，对舱内各区域工作面、生活面的不同照明需求及复杂照射面开展细化分析，合理配置灯具，从而保证各照明区域的需求得到满足。

1）照度

目前相关标准并没有给出潜艇各功能舱室具体的照度要求，但通过对实艇进行照明实测调研后发现，诸如通道、住室、指挥舱、厨房等部位普遍存在灯光色温偏高等问题。因此舱室照度并非越亮越好，过高的照度不仅浪费能耗，还会带来视觉的不适感。

2）亮度

环境亮度就对视觉效能有着显著影响，过亮的视觉环境会对视觉目标造成干扰，从而导致能见度的损失，如图1所示。

3）眩光

由于灯具配置不合理，导致舱室亮度分布不合理、眩光突出，引起人员视觉下降。根据CIE标准可采用不舒适眩光评价指标UGR进行分析。如果舱室眩光指标UGR超过上限值，则提出改善灯具的遮光角和配光方案，并采取优化灯具布置位置等措施，改善舱室不舒适眩光评价指标UGR。

1.3光生物安全性设计

随着人们对人体生物钟系统的深入研究，发现当人体受到光照时，人体内的生物钟系统将导引并启动从光信号到生理信号的连锁放大过程，从而调节人的行为和生理活动，影响人体的生理节律。其中以光照与褪黑素之间的关系最为明显，不同光照强度对人体褪黑素的抑制作用不尽相同。通常低照度照明对褪黑素的抑制较少，因此冬季早起的人们在起床后会感到疲惫，没有精神，这是由于人体缺少光的照射，体内的褪黑素浓度不能迅速降低的缘故；而高照度照明则褪黑素的抑制较多。因此在夏季，自然光会较早地照射到人体，使体内的褪黑素迅速分解，使人们能够较早地起床，且精神较好。其次不同波长的光线对褪黑素的抑制效果也不一，蓝色光线对的褪黑素抑制效果最强，黄色光线对褪黑素的抑制效果最弱。因此通过设计不同光色的照明，可以使人体的生理节律时间人为发生变化，进而更快的进入相应行为模式。

对于潜艇而言，由于绝大多数舱室位于封闭结构内，无法自然采光，因而仅利用固定光色和强度的照明灯具，是无法实现光照和人体生理节律匹配的。长时间的单一照明模式，将对艇上官兵的身心产生可能产生不利影响，导致工作效率降低，影响部队战斗力。因此在设计照明系统时，还应充分考虑不同的照明光环境对人的生理产生的不同影响，开展符合人体生理节律的照明设计，将不同时段或场景的照明需求同人体生理节律结合起来，从而在水下创造一个有益健康的光环境。

2 照明系统优化设计方案

根据潜艇各舱室功能使用需求，按照明区域采取不同的照明方案。指挥舱采用情景照明，专业房间、住舱及作战值班部位等采用仿生照明，其余区域如机舱等采用一般照明。

指挥舱是潜艇的核心部位，是最重要的工作区域，因此专门针对指挥舱开展照明设计工作。由于指挥室除具备正常工作照明外，还需具备夜光作战等特殊照明模式。因此在指挥舱中采用色温可调的LED舱顶灯作为主照明，同时配备海图灯、作战工作灯、低照度灯等辅助照明。并通过各类灯具的状态开闭组合开关具备夜光作战、手动和全关等控制模式，从而实现多场景的高、低色温可变、明暗混合灯光照明控制。

1）夜光作战：打开所有低照度灯和作战工作灯。

2）手动：在该模式下，可独立点对点控制指挥室的各路灯具。对满意的照明场景可直接保存为用户设定场景，方便后续重复使用。

3）全关：关闭所有灯具。

住舱等部位的仿生照明通过色温可调的LED灯和具备不同控制模式的灯具控制开关实现。

a）全关：关闭舱内所有灯具电源。

b）夜光：开启舱内低照度灯。

c）自动：模式开启后，LED灯自动从每天早上七点至晚上八点实现5000 K的冷白光，而从晚上八点后到第二天早上七点实现3500 K的暖白光。

4）手动：LED灯照明状态由面板手动控制，对满意的照明场景可直接保存为用户设定场景，方便后续重复使用。

机舱等无人作战值班部位则在目前已有的照明方案的基础上进一步优化，在满足标准照度的同时进行理论计算，为该区域配置数量合理的LED灯具，形成一般照明方案。

3 照明系统效果设计验证

为支撑照明系统性能设计验证，可根据潜艇典型舱室的功能和环境，在陆上试验场地通过设计典型舱室的情景照明控制方案，并对实测效果进行测量、验证和分析。

验证系统主要由模型舱室、试验灯光控制系统以及试验配套保障三部分组成。

模型舱室是验证研究的物理环境和对象。根据前期完成的照明系统设计验证方案，确定会议室、通道、指挥舱等典型舱室验证系统。为确保研究结论能作为系统设计的有效输入，需对试验舱室进行结构和舾装的实艇环境匹配性设计；并且在舱室构建过程中，为对不同设计方案进行试验对比分析，保留舱室结构、舾装、色彩等更改设计的可行性。

试验灯光控制系统是验证研究的核心设备，由主机、舱室灯光集中控制器、舱室灯光分控器以及受控可调光灯具组成。其主要功能是根据试验方案研究内容，灵活的设定和调整各舱室内灯具的光色参数和开关状态，创造出不同的灯光组合，开展相应的舒适性照明优化技术、模拟自然光照明控制技术、舱室分时照明控制技术和情景照明优化设计验证研究。通过试验灯光控制系统，能快捷灵活的设计试验方案，减少参试试验设备数量，提高试验工作效率。

此外，在验证研究中还需完成各类光学仪器仪表、试验测量、受试人员等试验配套保障的准备工作，为试验工作提供支撑。