军用方舱照明系统设计及应用

张 信，王锐锋，王 聪

(中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041)

军用方舱是装载军事设备和人员并提供所需要的工作条件和环境防护的由夹芯板组装成型的可移动厢体[1]。作为野外执行任务时的工作间，工作人员经常需要在舱内连续长时间工作，良好的照明质量不仅可以提高工作人员的辨识能力，而且还可以缓解视觉疲劳，并提高工作效率[2]。因此，方舱照明系统设计是军用方舱人机工程设计中的一个非常重要的环节。

方舱照明系统设计应体现安全、高效、舒适的人机功效原则，为工作人员提供最佳的视觉环境的同时，避免对工作人员产生视觉疲劳影响，并减少不必要的能源损耗。查阅分析国内外相关标准、文献综述等各类资料，其主要聚焦于各种不同功能型方舱设计和应用介绍，文献主要涉及方舱内饰、结构强度、舱体电磁屏蔽等设计，缺少对方舱照明系统设计流程和控制原理的介绍，更无舱内照明质量定量分析和研究[3-7]。本文以某军用方舱为例，详细介绍舱内照明系统设计流程，并对舱内照明质量展开定量分析研究。从舱内适宜照度值指标出发，开展一般照明设计。针对军用方舱特殊性，提出应急照明和防空照明解决方案，满足供电故障时舱内应急照明和夜间防空照明需求。

1 一般照明设计

方舱照明系统由灯具、电源、面板开关、控制电路等组成。照明设计内容包含灯具选择、灯具布局、照度计算、控制电路设计等环节。

1.1 确定舱内照度值

照度是指物体被照亮的程度，采用单位面积所接受的光通量来表示，单位为勒克斯(lx)[8]。国家标准GB 50034—2013《建筑照明设计标准》规定了居住、商业、办公、旅馆、学校、医院和工业等7类建筑常用房间或者场所最大允许的照度标准值。其中，普通办公室工作面照度应不低于300 lx，当照明要求不高时，照度值可降级选择。

国家军用标准GJB 219B—2005《军用通信车通用规范》规定了通信车舱内照度标准值，其中操作位的光照度应不低于100 lx，各种仪表板和控制盒上的光照度应不低于30 lx。

1.2 灯具选择

舱内照明可选择的光源有白炽灯、日光灯和LED灯等。由于LED灯的光效高、寿命长、体积小、发热量小、环境适应能力强等优势，在车载方舱照明中被广泛应用。

目前，国内优质的方舱照明灯生产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维自动化工程有限公司等。本文以海洋王NFC9139型方舱灯为例展开设计。该灯具采用免维护LED固态光源，光效高，能耗低。采用双重导光技术，光线柔和均匀，低矮场所使用舒适度更高。灯具和驱动采用一体化超薄设计，体积小，重量轻，方便安装，抗震性好。

1.3 灯具布局

灯具数量选择时应统筹考虑，舱内灯具数量不足，工作面照度不够，容易产生视觉疲劳；灯具数量过多，则会造成电源等不必要的损耗。

方舱前部为人员操作区，设有2组显控台和1组机柜，上架安装各种设备；后部为会议区，设有1张会议桌和左右2条长椅，桌面上设有隐藏式电源网络接口盒。操作区内照明应保证工作人员操作计算机、识别设备面板液晶屏等工作，照度值不低于100 lx。会议区内照度值可适当加强，照度值不低于300 lx，满足工作人员书写阅读需要。

结合舱内空间尺寸和NFC9139型方舱灯性能参数，参考以往方舱照明设计经验，舱内共布置6盏照明灯(其中1盏灯采用蓝白一体双色灯)。照明灯的控制开关安装于工作舱门入口附近的舱壁上，人员进舱和出舱时均可方便操作。舱内灯具布局方案如图1所示。

1.4 工作面照度计算

方舱内部空间平整方正，舱壁为金属铝板，反射系数较高，灯具型号单一且布局对称规整，因此，通常采用“利用系数法”计算工作面平均照度。

方舱长度为l，宽度为w，高度为h，根据高度将方舱进行室内空间划分，分为3个部分(见图2)，灯具安装高度为hc，灯具计算高度为hr，工作面高度为hf。可以用室空间比RCR和室形指数RI等来描述方舱的空间状况[9]。

(1)

(2)

(3)

(4)

进一步简化计算，可将舱顶空间和地面空间分别假设为一个具有有效反射比的平面ρc和ρf，光线在该平面上与实际平面拥有同样的反射效果，舱顶和地面在该平面的反射比称为有效空间反射比。

(5)

式中，Ao是计算平面面积；As是空间内所有表面的总面积；ρ是计算平面的平均反射比。

当一个或多个面内各个部分的实际反射比互不相同时，平均反射比计算式如下：

(6)

式中，Ai是第i块表面的面积；ρi是该表面的实际反射比。

计算平均照度基本公式为：

(7)

式中，E是工作面平均照度，单位为lx；Φ是光源光通量，单位为lm；N是光源数量；U是利用系数；A是工作面面积，单位为m2；K是维护系数。

利用系数法计算工作面平均照度步骤如下[10]：1)根据方舱尺寸计算室空间比RCR、舱顶空间比CCR、地面空间比FCR；2)计算舱顶空间的有效反射比；3)计算舱壁的平均反射比；4)计算地面空间的有效反射比；5)对照利用系数表查出对应利用系数U；6)根据方舱环境确定照度维护系数K；7)代入照度公式7计算出工作面平均照度。

本设计方案，查询灯具参数可知：灯具光通量Φ=1 200 lm，灯具数量N=6。对照利用系数表查表得：利用系数U=0.6，舱内长度为3.4 m，宽度为2.4 m，高度为1.9 m，灯具吸顶安装，工作面高度为0.75 m，灯具维护系数K=0.65。计算可得工作面平均照度为344 lx，满足平均照度不小于300 lx的指标要求，无需进行调整灯具数量和布局位置后的再次计算。

2 应急照明设计

传统方舱，舱内所有照明灯的供电均从车载综合电源的后端引接，只有当综合电源开启后，打开照明灯开关才能开启照明。当综合电源或整车供电系统出现故障时，整车照明灯将无法启动照明，黑暗环境下舱内人员无法开展应急维修作业。

为解决供电故障下舱内照明，本文开展应急照明设计。选择舱门处1盏照明灯定义为应急照明灯，绕过整车供电系统给其增加1路备用供电来源，由车载蓄电池直接供电。车载蓄电池一般由2块DC 12 V铅酸蓄电池串联组成，为车载设备提供直流24 V后备应急电源输出。

舱内所有照明灯均采用LED照明方式，工作电压为DC 24 V。正常模式下，应急照明灯和其他常规照明灯一样，都由综合电源供电。当整车供电系统故障舱内照明灯无法开启时，打开应急照明控制开关，应急照明灯可由蓄电池直接独立供电，为整车提供满足维持工作所需的最低限度的应急照明。

3 防空照明设计

夜间，在防空条件下，舱门需要开启时，为避免舱内光线外溢导致被敌人直接视觉识别，舱门打开前应立即关闭舱内照明灯。此时，防空照明应启动工作，为方舱内部人员提供用于指示轮廓、标识出口或通道所需的最低限度的照明。

舱内共设置有6盏照明灯，其中1盏灯采用蓝白一体双色灯，配置2种驱动接口，同时具备正常白光照明和蓝光防空照明2种功能。常规照明模式下，防空照明灯发出白光，为舱内人员提供正常照明；开启防空照明模式后，防空照明灯发出蓝光，为方舱内部人员提供最低限度的蓝色照明，避免方舱暴露。防空照明灯如图3所示。

在舱门边框铰链处安装机械行程开关，对应舱门上固定L型撑杆，安装布局和开关内部触点分布如图4所示。舱门开启时，撑杆脱离行程开关，触点a和d连通，蓝光驱动通路，防空照明灯发出蓝光；舱门关闭时，撑杆压紧行程开关，触点b和c连通，白光驱动通路，防空照明灯发出白光。

夜间方舱开启防空照明模式后，当舱门打开时，行程开关触点b和c断开，白光驱动断路，舱内所有照明灯立即熄灭，避免夜间舱门开启后光线外溢导致方舱暴露。此时，行程开关触点a和d连通，蓝光驱动通路，防空照明灯发出蓝光，为方舱内部人员提供用于指示轮廓、标识出口或通道所需的最低限度的照明。当舱门关闭后，机械行程开关触点b和c连通，防空照明灯发出白光，串联在此线路的舱内所有照明灯开启照明，为舱内工作人员提供正常工作照明。

舱内窗户内侧设计有遮光帘，在有防空需求的情况下，可拉下窗户的遮光帘，再配合防空照明灯使用，以起到防空效果。

4 控制电路设计

舱内设计2个开关面板，面板上按钮开关旁标识功能名称，方便操作人员辨识。开关背面接线端子编号如图5所示。

开关面板1为照明模式选择开关，开关闭合时为正常照明(默认状态)，开关打开时舱内切换为应急照明，背部并联2组触点，采用单开双控模式统一控制。开关面板2为照明灯总开关和防空灯启用开关，采用双开双控模式分别控制，开关闭合时舱内所有照明灯和防空灯都关闭(默认状态)。

开关面板均设置在进门位置周边，方便人员上、下车时触碰操作，舱内照明状态与开关和舱门的操作关系见表1。表1中，“■”表示点亮状态，“□”表示熄灭状态；防空灯为蓝白一体双色灯，配置2套驱动，可分别发出白光和蓝光。

表1 开关操作与照明状态关系对应表

方舱照明系统控制电路原理如图6所示。

5 应用分析

根据上述照明控制电路图开展方舱板片布线、灯具吸顶安装、开关固定等工程实施工作，完成方舱生产。采用专业照度仪进舱测量照度值。照度仪是用来测量光线强弱等级的专用设备，操作简单，打开探头保护盖，打开电源开关，屏幕直接显示测量处的照度值。

在舱内工作平面上等距离500 mm划分网格，选取30个照度值测量点，点位布置如图7所示。关闭舱门，拉下窗户遮光帘，打开照明灯。将照度仪分别放置在工作面测量点位处，记录该测量点位的照度值。每个点位测量3次，取平均值作为该点位处的最终照度值。测量过程如图8所示。

统计分析工作面30个点位的测量值，结果表明，舱内工作面的最大照度为395 lx，最小照度为268 lx，平均照度值为330 lx，满足舱内照明不小于300 lx的指标要求。

6 结语

从舱内适宜照度值出发，详细介绍军用方舱照明设计流程，依次开展灯具选型、布局设计、工作面照度值计算。提出应急照明和防空照明解决方案，满足供电故障时舱内照明和夜间防空照明需求。开展军用方舱照明开关和控制电路详细设计，为同类方舱照明设计提供借鉴参考。最后，通过照度仪实地测量某军用方舱内工作面照度值，测量结果与计算值基本吻合，进一步验证了本设计方案的准确性。