雷 毅

常規(guī)潛艇照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

雷 毅

（海軍駐701所軍事代表室，武漢 430063）

常規(guī)潛艇傳統(tǒng)照度不變、單一模式的照明系統(tǒng)，已經(jīng)不適應(yīng)總體的發(fā)展需求。結(jié)合常規(guī)潛艇照明特點(diǎn)，分析了照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)要素，提出了照明系統(tǒng)的總體方案架構(gòu)，給出了照明效果的驗(yàn)證方法，可為水面艦船照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

潛艇 照明 優(yōu)化 設(shè)計(jì)

0 引言

照明系統(tǒng)是常規(guī)潛艇的重要組成部分，良好的光環(huán)境不僅可以改善艇員的視覺(jué)條件及工作環(huán)境，而且可以減少艇員的誤操作，降低事故的發(fā)生率，在保護(hù)潛艇總體的安全方面起著重要的作用。與傳統(tǒng)常規(guī)潛艇相比，新型常規(guī)潛艇續(xù)航力大幅度提升，艇員在水下連續(xù)工作的時(shí)間更長(zhǎng)，傳統(tǒng)的固定色溫、照度不變的照明系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足總體作戰(zhàn)及艇員生理的需求，如何構(gòu)建一個(gè)合理的照明系統(tǒng)，采用照明發(fā)展的新技術(shù)新理念，從人性化角度進(jìn)行合理科學(xué)照明，減小艇員長(zhǎng)時(shí)間封閉照明環(huán)境中的疲憊感，提高舒適性和戰(zhàn)斗力，成為潛艇照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)迫切需要解決的問(wèn)題。

本文結(jié)合常規(guī)潛艇照明特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)潛艇各種航行狀態(tài)下操作艙室、居住艙室、活動(dòng)艙室環(huán)境光的需求研究，以及對(duì)人體在各種光照條件下的生理反應(yīng)研究，提出照明系統(tǒng)的總體方案，并在此基礎(chǔ)上研究了照明效果驗(yàn)證的方法和手段。

1 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)要素分析

1.1概述

照明是以滿(mǎn)足工作和生活等需要為目的而設(shè)立的。一方面是給周?chē)膶?duì)象以適宜的光分布，艇員通過(guò)視覺(jué)能夠正確識(shí)別欲知的對(duì)象和確切的了解自身所處的環(huán)境狀況，另一方面則要?jiǎng)?chuàng)造與生理心理要求相適應(yīng)的室內(nèi)空間環(huán)境，滿(mǎn)足艇員長(zhǎng)期在水下生活作戰(zhàn)的需求。依據(jù)上述原則，照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要素可以從光照明環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)和光生物安全性設(shè)計(jì)兩方面進(jìn)行分析。

1.2光照明環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

目前，潛艇艙室光環(huán)境設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)主要以照度量化指標(biāo)為主，但對(duì)其它指標(biāo)如亮度、眩光等重視不夠，必須突破傳統(tǒng)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，以“按需照明”為原則，緊密結(jié)合總體布置，對(duì)艙內(nèi)各區(qū)域工作面、生活面的不同照明需求及復(fù)雜照射面開(kāi)展細(xì)化分析，合理配置燈具，從而保證各照明區(qū)域的需求得到滿(mǎn)足。

1）照度

目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有給出潛艇各功能艙室具體的照度要求，但通過(guò)對(duì)實(shí)艇進(jìn)行照明實(shí)測(cè)調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，諸如通道、住室、指揮艙、廚房等部位普遍存在燈光色溫偏高等問(wèn)題。因此艙室照度并非越亮越好，過(guò)高的照度不僅浪費(fèi)能耗，還會(huì)帶來(lái)視覺(jué)的不適感。

2）亮度

環(huán)境亮度就對(duì)視覺(jué)效能有著顯著影響，過(guò)亮的視覺(jué)環(huán)境會(huì)對(duì)視覺(jué)目標(biāo)造成干擾，從而導(dǎo)致能見(jiàn)度的損失，如圖1所示。

3）眩光

由于燈具配置不合理，導(dǎo)致艙室亮度分布不合理、眩光突出，引起人員視覺(jué)下降。根據(jù)CIE標(biāo)準(zhǔn)可采用不舒適眩光評(píng)價(jià)指標(biāo)UGR進(jìn)行分析。如果艙室眩光指標(biāo)UGR超過(guò)上限值，則提出改善燈具的遮光角和配光方案，并采取優(yōu)化燈具布置位置等措施，改善艙室不舒適眩光評(píng)價(jià)指標(biāo)UGR。

1.3光生物安全性設(shè)計(jì)

隨著人們對(duì)人體生物鐘系統(tǒng)的深入研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)人體受到光照時(shí)，人體內(nèi)的生物鐘系統(tǒng)將導(dǎo)引并啟動(dòng)從光信號(hào)到生理信號(hào)的連鎖放大過(guò)程，從而調(diào)節(jié)人的行為和生理活動(dòng)，影響人體的生理節(jié)律。其中以光照與褪黑素之間的關(guān)系最為明顯，不同光照強(qiáng)度對(duì)人體褪黑素的抑制作用不盡相同。通常低照度照明對(duì)褪黑素的抑制較少，因此冬季早起的人們?cè)谄鸫埠髸?huì)感到疲憊，沒(méi)有精神，這是由于人體缺少光的照射，體內(nèi)的褪黑素濃度不能迅速降低的緣故；而高照度照明則褪黑素的抑制較多。因此在夏季，自然光會(huì)較早地照射到人體，使體內(nèi)的褪黑素迅速分解，使人們能夠較早地起床，且精神較好。其次不同波長(zhǎng)的光線(xiàn)對(duì)褪黑素的抑制效果也不一，藍(lán)色光線(xiàn)對(duì)的褪黑素抑制效果最強(qiáng)，黃色光線(xiàn)對(duì)褪黑素的抑制效果最弱。因此通過(guò)設(shè)計(jì)不同光色的照明，可以使人體的生理節(jié)律時(shí)間人為發(fā)生變化，進(jìn)而更快的進(jìn)入相應(yīng)行為模式。

對(duì)于潛艇而言，由于絕大多數(shù)艙室位于封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)，無(wú)法自然采光，因而僅利用固定光色和強(qiáng)度的照明燈具，是無(wú)法實(shí)現(xiàn)光照和人體生理節(jié)律匹配的。長(zhǎng)時(shí)間的單一照明模式，將對(duì)艇上官兵的身心產(chǎn)生可能產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致工作效率降低，影響部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力。因此在設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)時(shí)，還應(yīng)充分考慮不同的照明光環(huán)境對(duì)人的生理產(chǎn)生的不同影響，開(kāi)展符合人體生理節(jié)律的照明設(shè)計(jì)，將不同時(shí)段或場(chǎng)景的照明需求同人體生理節(jié)律結(jié)合起來(lái)，從而在水下創(chuàng)造一個(gè)有益健康的光環(huán)境。

2 照明系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

根據(jù)潛艇各艙室功能使用需求，按照明區(qū)域采取不同的照明方案。指揮艙采用情景照明，專(zhuān)業(yè)房間、住艙及作戰(zhàn)值班部位等采用仿生照明，其余區(qū)域如機(jī)艙等采用一般照明。

指揮艙是潛艇的核心部位，是最重要的工作區(qū)域，因此專(zhuān)門(mén)針對(duì)指揮艙開(kāi)展照明設(shè)計(jì)工作。由于指揮室除具備正常工作照明外，還需具備夜光作戰(zhàn)等特殊照明模式。因此在指揮艙中采用色溫可調(diào)的LED艙頂燈作為主照明，同時(shí)配備海圖燈、作戰(zhàn)工作燈、低照度燈等輔助照明。并通過(guò)各類(lèi)燈具的狀態(tài)開(kāi)閉組合開(kāi)關(guān)具備夜光作戰(zhàn)、手動(dòng)和全關(guān)等控制模式，從而實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景的高、低色溫可變、明暗混合燈光照明控制。

1）夜光作戰(zhàn)：打開(kāi)所有低照度燈和作戰(zhàn)工作燈。

2）手動(dòng)：在該模式下，可獨(dú)立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制指揮室的各路燈具。對(duì)滿(mǎn)意的照明場(chǎng)景可直接保存為用戶(hù)設(shè)定場(chǎng)景，方便后續(xù)重復(fù)使用。

3）全關(guān)：關(guān)閉所有燈具。

住艙等部位的仿生照明通過(guò)色溫可調(diào)的LED燈和具備不同控制模式的燈具控制開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)。

a）全關(guān)：關(guān)閉艙內(nèi)所有燈具電源。

b）夜光：開(kāi)啟艙內(nèi)低照度燈。

c）自動(dòng)：模式開(kāi)啟后，LED燈自動(dòng)從每天早上七點(diǎn)至晚上八點(diǎn)實(shí)現(xiàn)5000 K的冷白光，而從晚上八點(diǎn)后到第二天早上七點(diǎn)實(shí)現(xiàn)3500 K的暖白光。

4）手動(dòng)：LED燈照明狀態(tài)由面板手動(dòng)控制，對(duì)滿(mǎn)意的照明場(chǎng)景可直接保存為用戶(hù)設(shè)定場(chǎng)景，方便后續(xù)重復(fù)使用。

機(jī)艙等無(wú)人作戰(zhàn)值班部位則在目前已有的照明方案的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，在滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)照度的同時(shí)進(jìn)行理論計(jì)算，為該區(qū)域配置數(shù)量合理的LED燈具，形成一般照明方案。

3 照明系統(tǒng)效果設(shè)計(jì)驗(yàn)證

為支撐照明系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)驗(yàn)證，可根據(jù)潛艇典型艙室的功能和環(huán)境，在陸上試驗(yàn)場(chǎng)地通過(guò)設(shè)計(jì)典型艙室的情景照明控制方案，并對(duì)實(shí)測(cè)效果進(jìn)行測(cè)量、驗(yàn)證和分析。

驗(yàn)證系統(tǒng)主要由模型艙室、試驗(yàn)燈光控制系統(tǒng)以及試驗(yàn)配套保障三部分組成。

模型艙室是驗(yàn)證研究的物理環(huán)境和對(duì)象。根據(jù)前期完成的照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證方案，確定會(huì)議室、通道、指揮艙等典型艙室驗(yàn)證系統(tǒng)。為確保研究結(jié)論能作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效輸入，需對(duì)試驗(yàn)艙室進(jìn)行結(jié)構(gòu)和舾裝的實(shí)艇環(huán)境匹配性設(shè)計(jì)；并且在艙室構(gòu)建過(guò)程中，為對(duì)不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比分析，保留艙室結(jié)構(gòu)、舾裝、色彩等更改設(shè)計(jì)的可行性。

試驗(yàn)燈光控制系統(tǒng)是驗(yàn)證研究的核心設(shè)備，由主機(jī)、艙室燈光集中控制器、艙室燈光分控器以及受控可調(diào)光燈具組成。其主要功能是根據(jù)試驗(yàn)方案研究?jī)?nèi)容，靈活的設(shè)定和調(diào)整各艙室內(nèi)燈具的光色參數(shù)和開(kāi)關(guān)狀態(tài)，創(chuàng)造出不同的燈光組合，開(kāi)展相應(yīng)的舒適性照明優(yōu)化技術(shù)、模擬自然光照明控制技術(shù)、艙室分時(shí)照明控制技術(shù)和情景照明優(yōu)化設(shè)計(jì)驗(yàn)證研究。通過(guò)試驗(yàn)燈光控制系統(tǒng)，能快捷靈活的設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，減少參試試驗(yàn)設(shè)備數(shù)量，提高試驗(yàn)工作效率。

此外，在驗(yàn)證研究中還需完成各類(lèi)光學(xué)儀器儀表、試驗(yàn)測(cè)量、受試人員等試驗(yàn)配套保障的準(zhǔn)備工作，為試驗(yàn)工作提供支撐。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)常規(guī)潛艇照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要素進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上給出了照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，并給出了照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能驗(yàn)證的方法。也可為水面艦船照明系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

[1] 彭智勇時(shí)粉周，等.模擬潛艇環(huán)境白光LED照明對(duì)視覺(jué)功能功效影響的初步探討[J]. 海軍醫(yī)學(xué)雜志,2012, 1（23）:45-47.

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Optimized Design of Conventional Submarine’s Lighting System

Lei Yi

（Naval Representatives Office in No.701 Research Institute, Wuhan 430063,China）

TN212

A

1003-4862（2017）05-0030-03

2016-12-15

雷毅(1986-), 男，工程師，碩士。研究方向：艦船電氣。