智能照明系统在海工装备上的应用与展望

李明昕

（大连中远海运重工有限公司，辽宁大连 116113）

0 引言

在全球各国共同提倡实现低碳减排，节能环保目标的驱动下，对海洋工程装备实施降低能耗逐渐成为行业的普遍要求。照明系统是海洋工程装备上必不可少的重要系统，因海洋工程装备项目作业的安全性要求严格，相关法规、船级社和主管部门对照明系统的使用范围和照明强度也更为严格，照明系统能耗更大。采用智能照明系统，能够根据不同的环境条件和作业工况对相关作业处所的照明系统的功率输出进行控制和调节，从而到达降低照明系统消耗功率，提高能效的目的。

本文对智能照明系统的工作原理、设计和应用情况进行介绍，并以某大型海工装备项目的照明系统为例进行能耗对比分析。

1 智能照明系统的组成及工作原理

智能照明系统包括智能照明控制系统，数字可寻址照明系统（Digital Addressable Lighting Interface，DALI）总线系统和智能型灯具。智能照明控制系统根据需求可配置本地信号采集及控制处理单元、故障预警及维护子系统、灯具亮度及色温自动调节子系统、远程终端控制站等[1]。DALI 总线系统用来实现智能照明控制系统与智能型灯具之间供电和通信，智能照明控制系统通过DALI 总线实现对智能型灯具的可寻址控制。智能型灯具通常为发光二极管（Light Emitting Diode，LED）模块光源类型灯具，灯具内含控制模块与智能照明控制系统连接，具有调节色温和亮度的特性。

智能照明控制系统具备智能操控，拓展型强的特点。如图1 所示。通过网络通信技术，将智能灯具、传感器、本地处理单元、终端处理器、远程操作站等设备集成在一起。传感器用来监测对应区域照度值、有人/无人状态等相关参数，将监测数据传送至本地处理单元，本地处理单元再以通信方式将相关数据传送至终端处理器和远程操作站等。

图1 智能照明控制系统集成

本地处理单元用来实现对传感器和灯具的数据采集，指令控制，自动控制和故障报警，处理单元可根据设计需求进行分层级拓展扩容[1]。各层级处理单元通过网络系统连接至远程操作终端，远程操作终端可直观查看系统运行状态，在控制界面进行远程操作等。

DALI 总线系统将本地处理单元与智能照明灯具之间进行连接。DALI 总线可以实现对智能型灯具镇流器的供电及双向信号通讯功能，单个回路最多可以连接128 个智能型照明灯具的镇流器，控制数量完全能够满足海工装备上照明系统的需求。DALI 总线系统可以实现对每个镇流器能够在DALI 系统中的寻址，系统能够实现在终端操作系统中能够显示每个智能型灯具的位置，工作状态，运行参数等全部信息。

2 智能照明系统的典型设计应用

2.1 智能照明系统在舱室和公共区域的应用

典型智能照明房间布置见图2。与传统照明布置方案相比较，智能照明系统在房间内部安装传感器和本地控处理单元。传感器选型为被动式红外辐射（Passive Infrared Detector，PIR）传感器，该传感器通过检查人体产生热量产生反馈信号来识别房间有人/无人的状态。传感器可安装在房间顶部或墙面，在2.5 m 高度安装时覆盖面积能够达到20 m×6 m。典型智能照明系统示意图见图3。当被动红外（Passive Infra Red，PIR）传感器识别到房间处于无人状态并将状态信息发送至本地处理单元后，处理单元可以通过在预先设定的程序，自动发出指令关闭对应房间或舱室的照明。反之，当此传感器检测到此房间由无人状态变为有人状态时，其能够自动打开对应房间或舱室的照明。本地处理单元经网络通信将数据实时传输到远程终端进行实时状态监控，本地处理单元设置远程操作模式可在远程终端对房间照明系统进行遥控操作。生活楼中部分房间需要通过阳光等外部光源补充房间照明，这些房间可选用照度/动作多功能传感器。通过传感器对房间照度的实时监测和信号反馈，本地处理单元可对应调整本区域照明灯具的输出功率。

图2 典型智能照明房间布置

图3 典型智能照明系统示意图

2.2 智能照明系统在露天区域的应用

在海洋工程项目的室外区域要满足不间断作业的需求，其甲板及安装在甲板的各类模块区域要时刻保持充足的照明条件。传统照明系统设计要满足室外照明灯具保持连续工作状态的要求。智能照明系统配备一个或多个室外照度传感器，照度探测传感器防护等级能够达到IP56，温度范围能够达到-35～70℃，照度测量范围为1～10 000 Lux。传感器紧凑、灵敏、便于安装，可在海工装备恶劣的工作环境中保持可靠运行。该传感器可将对应区域的照度值实时发送至主控制器，主控制器根据光照情况对应调节灯具的开闭状态或亮度。智能照明系统能在阳光充足的时候关闭照明灯具，节省能耗；也能在光照不足的时候自动调节照明输出，以保证生产作业所需的照明条件。

2.3 对直升机机甲板灯具的控制

海洋工程项目大多安装直升机平台，根据相关标准的要求，海工装备上的直升机平台需要安装平台边界指示灯、探照灯、警告灯等各类灯具[2]，这部分灯具需要从不间断电源（Uninterruptible PowerSupply，UPS）进行供电。在设计时要满足直升机平台灯具保持连续运行工作状态的要求，智能照明系统集成设计方案可通过照度传感器和处理器实现对直升机平台灯具的自动开关控制，延长直升机平台灯具的使用寿命。

2.4 对航行灯与信号灯系统、障碍灯系统的监控

根据各船级社规范要求，海洋工程项目中航行灯与信号灯系统、障碍灯系统均为独立系统，独立系统中有专用的控制板对灯具进行控制和状态显示[3]。将控制板与智能照明系统间进行通信连接，可在智能照明的操作站实现对航行灯与信号灯系统、障碍灯系统运行状态的实时监控，提高系统的可靠性。

3 智能照明系统的性能优势

3.1 智能化控制

智能照明系统通过本地处理器完成数据采集处理，通过网络系统进行信号传输、工作站远程监控和自动操作[4]。系统可根据海工装备不同的运行工况切换至对应的照明工作模式。此外，还可根据环境条件自动调节照明系统的功率输出，以降低能耗。

3.2 系统可靠性

智能照明系统具备自动控制、远程遥控、本地手动控制等多种控制方式。自动控制和远程遥控依托处理器和网络系统实现智能控制，本地手动控制是本地控制单元对本区域照明系统的直接控制[4]。控制系统采用分级、冗余式的设计方式，在本地控制单元完成信号的采集和电源输出后，通过冗余网络和上一级处理单元完成系统间的数据通信和逻辑控制工作。各控制层级之间相对独立，单个层级的控制单元故障不会影响其他层级对系统的操控。本地手动控制具有最高优先级的控制权限，可有效保证远程终端故障情况下照明系统的可靠运行。

3.3 远程监测、诊断和维护

海工装备上传统照明系统的维护工作主要依靠船员定期完成。智能照明系统在远程终端能够实时监控每个区域照明回路的工作状态和每个灯具的运行状态参数。当绝缘报警或灯具故障时，智能照明系统能够在远程终端显示相应信息，以便船员第一时间进行排查和处理。智能照明系统可进行周期性远程功能测试，迅速完成诊断和系统维护。

3.4 使用方便、扩展性强

通过对智能灯具的可寻址控制，智能照明系统能够实现对区域照明系统的集中或分散管理[5]。智能控制系统可根据处理器容量增加控制区域接入的灯具数量，实现对更多区域灯具的控制或状态监控。

4 智能照明系统的经济性

4.1 显著降低能耗

某钻井船项目照明系统能耗对照表见表1，该钻井船原照明系统消耗功率为611.51 kW，室外区域布置可持续运行的照明灯具。在使用智能照明系统后，节能系数至少能够达到0.5，若考虑生活楼公共处所使用频率和光照对房间的照明补偿，节能系数可达到0.8。在不考虑机舱区域智能照明效果的前提下，使用智能照明系统后消耗功率为425.61 kW，相较原照明系统降低185.90 kW，节能占比约30%。据此计算,该钻井船每年节约电能162.85 万千瓦时。当前主流品牌大型船用柴发电机组的油耗指标约为0.23 kg/kW·h，即发出每度电需要消耗柴油0.23 kg。当前国际船用柴油价格约为1 200 $/t，即每千克柴油价格为1.2 $，折合人民币约7.6 元。综上所述，该钻井船采用智能照明系统后每年可减少能耗成本约286 万元。

表1 某钻井船项目照明系统能耗对照表

海洋工程设施的设计寿命通常在20年左右，新制项目采用智能照明系统在运营阶段可以显著减少能耗支出。智能照明系统的成本相较传统照明系统高30%左右，项目在运营周期内降低能耗带来的经济效益远远高于初装成本的差距。

4.2 延长灯具使用寿命

目前海工装备项目照明系统普遍使用LED 光源灯具，LED 灯具最大使用寿命通常在5 万小时左右，使用期间可能会出现电压异常、绝缘破损等故障。采用智能照明系统，通过智能控制日常灯具工作时间，实时监测、诊断和维护等方式延长灯具的实际使用时间。在项目运营周期内通过减少更换灯具数量和频率来增加项目的经济效益。

5 智能照明系统应用前景

现阶段智能照明系统在商场、酒店、工厂、医院等场所应用较多，在船舶与海洋工程领域应用仍处于早期阶段。部分国内外新制豪华邮轮项目已有实船应用在海工装备领域，海上浮式生产储卸油装置（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）、钻井船、钻井平台等大型项目照明灯具数量多，照明持续时间长。目前多个新制或改装的海工装备项目在其技术规格书中已明确要求使用智能照明。

相比较于传统照明灯具系统，智能照明系统具有智能操控、节能环保、可靠性高、经济性好等优势，结合当下全球范围内对海洋环境节能减排，低碳环保的整体要求，智能照明系统在未来海洋工程装备上的应用需求将会越来越多。同时将海工装备上传统照明系统升级改造为智能照明系统项目将会逐渐增多，智能照明系统在海工装备的有着广阔的应用前景，因此需要对智能照明系统在海工装备上的应用进行更加深入的研究。

6 结论

本文介绍了智能照明系统的工作原理、设计和应用情况，并以某大型海工装备项目的照明系统为例分析了能耗对比情况。研究表明：智能照明系统在海工装备上具备能效高、经济性好等优势。