DALI调光技术在邮轮项目中的应用

陶志超，宫 继，蓝天

应用研究

DALI调光技术在邮轮项目中的应用

陶志超，宫 继，蓝天

（中船邮轮科技发展有限公司 研究开发部，上海 200137）

为了使邮轮照明系统不断适应市场发展的需求，本文分析了常规的船用灯光控制技术在当前邮轮项目中存在的局限性，提出了一种DALI调光技术在邮轮公共区域的应用方案，通过对其技术原理和工程应用的研究和分析, 论证了该方案在邮轮项目中的技术优势及工程适用性，为邮轮照明技术的发展提供了一种新的可行性解决方案。

DALI调光 网络扩展 邮轮

0 引言

随着LED灯具在船舶市场的普遍应用以及调光技术的日趋成熟，可调光LED照明系统在邮轮项目中的需求也在逐步扩大。为满足乘客在公区娱乐场所的感官体验，一些大型邮轮在所有公区和娱乐场所全部采用可调光LED照明，但是当前大部分邮轮项目中采用的调光技术仍是常规的切相调光（TRAIC dimmer ）和0～10 V调光。而它们的主要缺点也很明显：切相调光的大量应用会导致LED照明供电线路谐波含量偏高，在影响电网电能质量的同时还会对空间产生电磁辐射干扰；0～10 V调光信号则极易受到相邻电力线路干扰，若大量0～10 V信号电缆独立敷设又会极大增加现场施工成本。此外，这两种调光技术都无法实现LED光源的色温和色彩变化，这些因素直接导致公区调光照明无法适应邮轮市场的进一步发展，因此本文将研究一种数字调光技术的应用来解决上述各类问题，为邮轮公区调光照明提供一种新的解决方案，具体的研究内容如下：

1）分析常规调光照明在邮轮项目中的局限性；

2）引入DALI调光技术并描述其技术原理；

3）分析DALI调光在邮轮项目中的应用优势；

4）分析DALI调光在邮轮项目上实施的适用性。

1 船舶常规调光照明的局限性分析

考虑经济成本和技术成熟度，目前船舶调光照明通常采用的技术一般有两种，分别为切相调光和0～10 V调光，但它们各自存在一些局限性，下面将详细分析。

1.1 切相调光技术的局限性

切相调光设备由于其不需要额外的调光信号电缆，仅仅通过供电电缆中电力正弦波前沿或后沿的切相信号即可在供电的同时传输调光信号，且切相调光设备的成本较低，因此在一些旧船改造项目和经济型货船项目中还有所应用。图1是切相调光的基本原理图，AC220 V电源经过切相调光模块（TRIAC Dimmer）后，电压波形将按不同的相位调控角度形成不同的切相波形，这个经切相后的非完整正弦电力波形经过电力电缆传导至LED灯具的驱动电路，驱动电路完成相角检测后解析出调光比例信号，最后完成LED调光。

图1 切相调光原理图

而在这个调光过程中，LED照明回路因切相调光的斩波过程而形成不规则的尖峰电流，该电流经傅里叶变换后可以分解出多次谐波[1]。在大型邮轮项目中，若公区数以千计的调光照明支路同时工作，大量的谐波在电网叠加将明显影响船舶电网的电能质量，而且这些照明馈电线路在传输这些谐波的过程中会辐射一定强度的信号干扰源，对公区的无线网络通讯将极为不利。

1.2 （0～10 V）调光技术的局限性

与切相调光技术不同，0～10 V调光技术是采用独立的控制信号对LED驱动设备进行调光控制，避免了供电线路切相调制带来的谐波影响，但是0～10 V电压型模拟信号极易受到强电传输线路的影响，尤其在邮轮复杂的布线环境中，照明供电和调光信号不仅需要彼此独立的电缆传输，还需要区分电缆敷设路径，具体原因如图2所示。

按照船舶电缆传统敷设工艺，照明相关线路将会和其他强电线路一起敷设在同一个电缆托架中，而一些大型电子设备和电机类负载的供电线路在启动或工作过程中会产生畸变或突变电流。这类电流产生的电磁感应在距离较长的主干线路中沿途叠加后会形成明显的磁通突变量，而磁通的突变会让处于其电磁干扰范围内的信号传输导线在此期间形成显著的共模感生电动势。该感生电动势沿途叠加于0～10 V电压型调光控制信后，会导致电压信号瞬时变化，甚至高于上限10 V或低于下限0 V，这将导致调光照明线路会短时失灵，照明区域会出现突亮、突暗或闪烁，较大地影响乘客体验。

图2 照明调光信号干扰成因示意图

因此采用0～10 V调光技术时需要额外的电缆和敷设路径用于0～10 V电压信号的传输，而这对于调光照明线路总长动辄数万米的大型邮轮项目将是庞大的成本和工时消耗，不适合广泛使用。

传统的切相调光技术和0～10 V调光技术除了上述的局限性外，还因它们本质属于模拟信号调光技术而具有共同的功能缺陷，即无法通过数字网络实现集成化远程控制且无法通过程序控制实现LED光源的色温和色彩变化，只能使用就地调光装置设定LED照明的出光亮度。这于邮轮高端化和集成化的发展趋势是相悖的，因此一种更为适用的调光技术亟待引入。

2 DALI调光技术的引入及其原理说明

本文引入的DALI调光技术是一种典型的数字调光技术，它的全称是Digital Addressable Lighting Interface，它是一种全球统一开放的照明控制协议，其最大特点是采用曼彻斯特通信编码方式和柔性渐变的程序调光逻辑。结合CIE标准色坐标混光算法，标准的DALI调光设备可以实现LED光源色温、亮度以及色彩的准确控制和柔性变化；结合数字寻址技术和网络通信技术，DALI调光技术可以对LED照明设备进行大范围地分组/分场景个性化调光。

2.1 DALI调光的技术原理

如下图3所示， DALI调光技术的基本原理是DALI类型的LED调光驱动接收DALI总线上传输的数字调光指令，该驱动内部的逻辑控制模块MCU按程序预设的光学色坐标（如图4所示）混光逻辑将色彩或色温的调光指令转化为控制三原色（红、绿、蓝）出光比例（x, y, z）的具体PWM信号，利用不同占空比的PWM信号控制灯具内部不同LED光源模组（X，Y，Z）的工作电流。由于工作电流决定LED出光亮度，因此LED灯具将在DALI驱动的逻辑算法控制下实现精确混光，最终完成数字指令调光的目的[2]。

图3 DALI调光基本原理框图

图4 （红、绿、蓝）光学三原色的CIE色坐标

2.2 DALI调光的通信原理

DALI调光技术的通信本质是数字式可寻址总线通信，其基本架构如图5所示，一条DALI总线可容纳64个LED调光驱动和就地调光控制器，DALI总线通过主控单元（Master）的网口与上位机PC相连，可程序预设16个灯组和16个照明场景[3]。此外多个DALI主控单元可通过网络路由器组网，强大的网络扩展功能可以实现一个上位机PC对多个照明区域集中调光设置和管理，十分适用于邮轮繁杂的公区照明调光管理。

图5 DALI调光系统基本架构示意图

DALI调光总线通信采用的是曼彻斯特编码方式，如图6所示，其信号抗干扰能力大幅提高，在靠近220 V供电线路时调光控制信号的传输几乎不受影响，十分适合船舶复杂的电缆敷设环境。

图6 DALI总线曼彻斯特通信编码示意图

3 DALI调光在邮轮项目中的应用优势

3.1 DALI调光在邮轮项目中的功能优势

由于大型邮轮内部功能区域种类繁多，各个区域的环境照明都需要独立不同的调光设置，若沿用传统的就地控制管理模式则十分繁琐。而作为数字调光的典型代表，DALI调光具有良好的寻址控制和网络扩展能力，让网络集成化调光控制成为可能。如果邮轮照明调光采用网络集成化控制的新模式，则会大幅增强系统功能、提高工作效率并降低运营成本。下文将详细介绍这种调光技术在邮轮项目中的应用方案及其功能优势。

3.1.1 DALI调光网络单元的组成及其功能优势

基于数字通信技术的DALI调光设备，除最末端的DALI调光驱动（LED driver）外还包含很多标准成熟的DALI通信转换模块或网络扩展模块，这些DALI调光设备的综合应用可以使多个组别的调光线路进行网络集成化控制。在本次方案中，就地调光机柜作为DALI调光网络的基础单元，如图7所示（仅显示控制网络），其内部配置了主控网络模块和路由器设备，主控网络模块将末端DALI总线通信转化为网络TCP/IP通信后与上游路由器的LAN口进行网络交互通信，然后路由器设备的WAN口与上位机PC连接或者与其他配置相同的就地调光机柜进行网络连接，如此，DALI调光系统具备了良好的网络扩展能力。

图7 DALI调光网络基础单元架构图

不同于只能就地调节亮度的切相调光技术和0～10 V调光技术，这种具有网络扩展特性的DALI调光网络基础单元可以通过上位机PC实现远程调光控制和程序设定，结合网络通信IP寻址控制技术，在上位机客户端软件中，可以为调光机柜（网络基础单元）所覆盖区域的每一条DALI调光线路设置各种不同色温、色彩和亮度的照明场景以及它们的自动触发时序，调光功能全面且易于操作，对于调光照明效果的更新升级提供了一个优质的平台。

3.1.2 DALI调光全船网络化方案及其功能优势

在大型邮轮项目中，数量众多的公区分布在全船不同的甲板和主竖区（MVZ1～n），每一个公区具有不同的娱乐功能，为了分类调光管理，不同的公区将设置独立的就地调光机柜来实现该区域调光照明不同风格的设定。如上文所述，作为调光网络基础单元的就地调光柜可以通过DALI主控网络模块（master）执行各个照明末端支路的DALI总线调光，而就地调光机柜的网络接口配置使其具有优秀的网络扩展能力。本次方案为了实现整船调光线路的远程集中管理，采用就地调光机柜网络互联的方式形成一个完整的调光控制网络。如图8所示，就地调光机柜（dimmer rack）内多个主控网络模块（Master）作为最末端网络用户与上游网络路由器（Router）呈星型连接，而每个就地调光柜的路由器之间则采用级联扩展技术可以形成网络链式连接[4]，各个公区的就地调光机柜相互链接后再与客户端调光电脑相连，整船调光网络最后呈现出混合型网络拓扑结构。

图8 DALI调光网络的混合型网络拓扑结构图

以上这种基于DALI调光技术的全船网络控制方案，从功能使用方面分析，其具有如下显著优点：

1） 全船调光照明能实现集中管控

由于每个就地调光机柜都包含一个路由器设备，在客户端电脑的人机交互界面中可通过路由器的IP地址识别每一个调光机柜，因此每个就地调光机柜可以按照它所对应公区的照明需求，通过网络终端上位机预设各种调光程序。如图9所示，在客户端调光电脑的人机界面中，根据不同区域的静态照明配光需求，集中设定各类色温、亮度及色彩不同的照明场景，然后进一步根据照明场景变化的动态需求，按照时序自动触发的逻辑预设调光程序，所有的照明场景编辑完成并确认后，调光指令将通过调光主干网络实时传输至对应的就地调光机柜。全船调光设定工作只需要一个管理人员在客户端远程调光电脑上集中编辑完成，相对于传统的就地管理模式，极大提高了工作效率。

图9 DALI调光网络客户端软件调光设定示意图

2）在故障工况下能及时做出响应

当就地调光柜出现软件控制功能故障时，通过主网络通信的寻址技术就能及时反馈故障点位置，方便技术人员及时排查故障，节省人工日常巡查维护的人力成本。而当调光机柜出现设备故障或者失电状况时，由UPS供电的路由器（router）通过网络TCP/IP通信来识别机柜内部网络末端设备的不正常状态，同时转发客户端电脑的处理指令。如图10所示，当公区2对应的就地调光机柜2内部的主控模块master B或master C故障/失电时，其状态信号由机柜路由器经调光主网络反馈给客户端调光电脑，再由调光电脑将逻辑处理后的指令经主网络传送至相关联的就地调光机柜1（公区1），并由它内部的主控模块master A接收和转化指令，之后输出DALI调光信号将公区之间交叉互补设计的调光照明支路从艺术调光工作状态即刻跳转至100%的额定亮度，保障丢失部分照明的公区2能够维持基础的视觉照明。这种基于网络集成控制技术的DALI调光照明系统将能够实现就地调光柜之间的彼此关联与互补，提高了系统的可靠性和安全性。

基于上面的分析可以看出，DALI调光技术的网络化集成控制方案不仅能够明显提高整船调光系统的管理和维护效率，减少邮轮运营过程中的人力成本，而且还能提高调光系统的可靠性与安全性。此外，这种具有网络扩展特性的集成化控制方案，还为邮轮照明的功能更新与技术升级提供了良好的平台。

图10 调光设备故障状态下交叉互补的网络控制示意图

3.2 DALI调光对邮轮照明效果改善的优势

邮轮是游客休闲度假的选择，邮轮内部的光环境对乘客的感官最为直接，而目前邮轮上的调光照明主要还是以0～10 V或切相调光技术为基础的亮度调节，配光相对单调且控制不够灵活，提供给游客视觉光学方面的舒适感受及新奇体验都极为有限。

而DALI调光系统的功能如上文所述，可以按照不同公区的光环境需求连续精确地调节LED光源的色温或色彩，如图11所示，休闲娱乐场所的DALI调光照明可以根据特殊时段或特殊需求对基础照明（白光光源）进行色温冷暖变化调节或者对氛围照明（彩色光源）进行色彩的连续调节，不同光色按照DALI的调光逻辑呈现出柔和舒适的变化效果，视觉体验十分友好.

图11 DALI调光技术的光学效果展示图

这种色温和色彩变化特点能够让公区的光环境变得丰富多彩，使乘客在邮轮航行旅途中感受不同的光学视觉效果，避免产生单调疲倦的感受。因此基于这种数字调光技术营造的舒适多变的光学环境可以促进乘客新奇愉悦的感受，增强乘客的娱乐体验，对提升邮轮的经济效益具有很重要的意义。

4 DALI调光系统在邮轮工程实施中的适用性分析

4.1 DALI调光系统网络集成化架构在邮轮工程中的适用性

由于本文引入的DALI调光系统其主干网络采用的是总线链式结构，如上图8所示，任意两个调光机柜之间采取“手拉手”的网络链接方式，集体以一种接力的方式将调光主干网络遍布全船，因此对于分布在各个公区的就地调光机柜而言，它们之间总能找出一条最佳的主干网络贯穿全船。

由于每个主竖区都需要配置调光机柜为各自的公区服务，主干网络跨竖区时只需考虑调光机柜在相邻主竖区之间的网络链接。由于邮轮单个主竖区沿纵向长度一般不超过60米，任意两个调光机柜在相邻主竖区之间链接时所需网络电缆一般不会超过100米，工程实施时能够避免单根网络电缆过长而影响信号传输的隐患。此外，这种简洁的链式网络架构可以最大限度减少电缆在主竖区A60分隔之间的穿越次数，减少电缆和穿舱件的使用数量，在降低施工成本的同时还能最大限度保障主竖区防火隔离的完整性。

4.2 DALI调光系统末端支路在邮轮工程中的适用性

本文引入的调光系统其末端支路是DALI总线通信，由于DALI数字信号的传输采用曼彻斯特编码方式，其抗干扰能力较强，经照明行业大量实践验证，DALI信号线路和照明220 V供电线路可以共用同一根电缆而不受影响[5]。因此，在实际工程项目中通常采用5芯电缆用于DALI调光系统的末端支路，如图12所示。

图12 DALI调光系统末端支路电缆示意图

按照调光与供电线路共用同一根电缆的方式，整船大量的DALI调光照明末端支路可以按照传统非调光照明电缆的敷设工艺，无需额外的信号电缆也无需独立的电缆路径和电缆托架来保障控制信号不受干扰，十分有利于船舶现场施工。在灯点数量以万为单位的邮轮项目中，该方案可极大节省物料和人工成本。

综上所述，DALI调光系统不论是它的全船网络架构还是末端照明支路，在工程实施方面都具有很强的适用性，适合在邮轮项目中进一步应用和推广。

5 结论

针对传统切相调光技术和0～10 V调光技术在功能特性和电气特性方面存在的各种不足，本文引入了一种DALI调光技术。相较于传统的调光技术和控制方式，DALI调光技术具有更好的调光性能，具有完善的网络扩展和集成控制功能，同时还具有良好的工程实施适用性。DALI调光技术的全船网络化应用不仅可以改善邮轮调光照明的光学效果，提高调光系统的管理和维护效率，而且还能够为邮轮调光系统的功能更新与技术升级提供网络化平台，这些都为邮轮照明技术的发展起到了积极推动作用。由此可以得出，DALI调光技术对于邮轮项目是一项十分适用的技术，具有广泛的应用和推广价值。

[1] 沙占友,王彦朋, 马洪涛, 等. LED照明驱动电源优化设计[M].第2版. 北京: 中国电力出版社, 2014: 164-170.

[2] 张静宇. DALI智能照明系统技术的介绍与应用[J]. 科技展望, 2016, 26(2): 139.

[3] 张玉杰, 李鹏飞, 丁小洁. 基于扩展DALI总线的智能照明系统设计[J]. 计算机测量与控制, 2015, 23(11): 3813-3815.

[4] 阳宪惠. 网络化控制系统: 现场总线技术[M]. 第2版. 北京: 清华大学出版社, 2014: 179-197.

[5] 文尚胜. LED照明应用技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2016: 225-260.

Application of DALI dimming technology in cruise project

Tao Zhichao, Gong Ji, Lan Tian

(R&D Department, CSSC Cruise Technology Development Co., Ltd., Shanghai 200137, China)

U674

A

1003-4862（2023）09-0051-06

2023-03-13

陶志超（1985-），男，高级工程师，研究方向：船舶电气系统设计。E-mail：tao7960@126.com