张 政，杨放青，赵梓安，张 斌

（江南造船（集团）有限责任公司，上海201913）

0 引 言

船舶机舱等大型舱室内的灯具规格和数量众多，以往都是根据对应的经验公式和工作经验布置的。由于各型船舱室的实际环境不尽相同，加上灯具的种类繁杂，根据经验布置灯具工作繁重且计算不精确，易导致局部区域出现暗淡和光照不足等现象，进而影响船员对设备的操作和维修，影响船舶的正常运转。此外，船用照明设备在舱室内出现照明过亮的情况易损伤船员的眼睛，并造成能源浪费。对船舶舱室的照明系统进行仿真计算，就是利用计算机仿真程序快速、直观地获取空间内任意一点的光照强度，这相对于传统方法能使计算工作量大大减少，且计算机仿真程序的使用极为方便，计算精确度较高，易修改，可重用，具有更强的系统适应能力，同时可通过二次开发拓展运用到其他船型的舱室光场计算中。因此，对船上的照明系统进行仿真验证计算尤为重要。随着技术的进步，船舶建造逐渐朝着智能化和数字化方向发展，船舶舱室的光场优化布置已成为舱室环境发展的重点方向。

本文主要研究照明计算方法和多光源在同一点的光线迭代的问题，验证机舱灯具布置的合理性；同时，开发一套通用型光场验证界面程序，为设计人员提供一款便捷的光场计算工具，提高船舶建造的效率和质量，提高船舶的舒适度，降低船舶建造成本，节约船舶能源。

1 舱室光场仿真数值模拟方法

1.1 研究对象

动力系统性能是衡量船舶性能的重要参数之一，机舱是动力系统能量转换的重要场所。动力系统运转主要通过对机舱内的设备和阀门进行有效操作实现，而机舱第一格栅层中包含多个主设备（如主锅炉、主机），该区域是工作人员对设备和阀门进行检测、调试和维修的主要场所。因此，可将机舱右舷第一格栅层作为机舱光场仿真的典型区域，将该格栅层的灯具作为仿真对象，主要照明灯具有独立式应急灯（明装式）、强光灯（黄色）、LED（Light-Emiting Diode）长方形舱顶灯（带LED应急照明）、LED长方形舱顶灯和LED圆柱形舱顶灯。各灯具的性能参数和数量见表1。

表1 各灯具的性能参数和数量

光通量是指光源在单位时间内发射出的光量，单位为lm。光效是指光源发出的总光通量与该光源消耗的电功率的比值，单位为lm／W。配光曲线是指光源在空间内各方向的光强分布。极坐标配光曲线是一种常见的灯具配光曲线表示方法，通过该曲线可得出距离灯具不同高度和不同角度的光强值。各灯具极坐标配光曲线见图1，LED圆柱型舱顶灯的配光曲线是旋转对称的，另外3种灯具的配光曲线不是旋转对称的，而是分为横向和纵向2组，其中的90°差值，以每2°为1组数据进行差值计算。

图1 各灯具极坐标配光曲线

1.2 数学模型建立

第一格栅层长22.7 m，宽14.0 m，高3.4 m，该区域的照明系统支持在各种工况下对机舱进行照明，其主要照明灯具有应急灯、强光灯和舱顶灯。为方便计算，不同种类的光源均近似为点源。由于各类型灯具在垂直一格栅层平面方向的厚度为100 mm，相对于一格栅层的高度（3.4 m）可忽略不计，因此可认为点源是在舱室顶板平面上的。各类型灯具的外形（长方形或圆形）较为规则，可将光源进一步近似看作灯具在顶板投影图形中的中心坐标。灯具光源简化之后在舱室顶板平面上的布置见图2。

图2 一格栅层内各型灯的布置图

1.3 数值模拟方法

照度是指物体被照亮的程度，用单位面积接受的光通量表示，单位为lm／m。船舶照明计算方法主要有利用系数法、概算曲线法、比功率法和逐点法等4种。

1）利用系数法是指根据预先确定的灯具数量、灯具类型和房间的特性，按所需的平均照度计算所需的光通量的方法。该方法法考虑了反射光的效应，适于计算舱室内部的平均照度。

2）概算曲线法是指利用已做好的概算曲线（即当被照面上的平均照度为100 lx时，房间面积与所用灯具数量的关系曲线），根据舱室大小直接求得所需灯具的数量的方法。该方法适于进行大量样品分析，但易出现较大的误差。

3）比功率法是指根据舱室的最低平均照度要求、舱室面积所需照明功率和舱室具体布置确定照明灯具的类型和数量的方法。

4）逐点法是根据光源形状、灯具配光曲线和被照面上某点要求的照度值进行照明计算的方法。光源直射被照面，不考虑天花板、墙壁的反射等因素。这种方法多用于室外、走道和机舱等处的照明计算中。

人工照明灯光和舱室舱壁及设备反射光线是机舱内光线的主要来源，根据GB／T 3458—1993《船舶舱室照度计算与测量方法》的要求，在对机舱的照度进行计算时，往往只需计算其来自光源的直射光通，而不考虑墙壁和天花板的反射等因素。因此，本文选择采用逐点法对机舱照明进行仿真。

图3为光源与照度示意图，其中：S为光源；P为所求照度点；M为过P点的水平面。

图3 光源与照度示意图

P点的照度为

式（1）～式（3）中：I为光源与被照点P之间的距离，m；θ为由光源至被照点的射线与光源垂直高度线的夹角，（°）；I为θ角方向的发光强度，由灯具的配光曲线查得，cd；E为P点法向平面照度，lx；E为P点水平面照度，lx；E为P点垂直面照度，lx。

一般情况下，只需计算水平面照度。假如P点不是由1盏灯照射的，而是由若干盏灯照射的，则P点的照度为各盏灯在其该点照度的总和，即

由于设备制作厂提供的灯具光强分布数据是按其光通量1 000 lm给出的，在照度计算中引用光强数据时，若实际光通量不足1 000 lm，则光强的计算公式应换算为

式（5）中：I为灯具在θ角方向的发光强度，由灯具的配光曲线查得，cd；I为灯具光通量为1 000 lm时在θ角方向的发光强度，cd；I为灯具在θ角方向上考虑灯具的光通量偏差的纠正发光强度；F为最低光通量，lm。

若考虑灯具维护系数M，则实际照度参考公式应为

1.4 指标分析

该船机舱照明系统的照度在满足GJB 4000—2000《舰船通用规范》的基础上，根据同型船的设计经验进行适当的优化调整，舱室照度优化设计参考值见表2。

表2 舱室照度优化设计参考值

机舱主要包含机械设备舱室和电子设备舱室，对应的GJB 4000—2000《舰船通用规范》标准分别是150 lx和175 lx。考虑到总体设计所在初步设计对该船机舱的设计参考值为200 lx，机舱内的照度应在200 lx以上。

2 计算结果分析

基于逐点法，在不考虑反射的情况下，将光源近似看作顶板平面上的点源，参考灯具配光曲线，根据对应的计算公式，利用编程语言计算多光源在某一点多次迭代之后的照度值，利用仿真模拟程序对该机舱光场进行仿真。本文选取照明系统最常用的工况作为典型状态，即独立式应急灯在非应急状态下处于关闭状态，其他灯具均处于开启状态。为更好地观察舱室内光场的分布，选取距离舱室第一格栅层0 m、0.8 m、1.6 m和2.4 m的高度面作为参考面，所取平面上每一点的光场强度都是多个灯源在该点的效果叠加，相应得出以下结果。

光场分布云图中的横坐标表示一格栅层的长度为22.7 m，纵坐标表示一格栅层的宽度为14 m。根据光场分布云图，机舱中距离第一格栅层2.4 m的区域的照度较大。图4为h＝2.4 m时的光场分布三维云图，可看出该区域出现了峰群。这是由于该区域距离灯具较近，导致局部区域的照度较大，距离灯源最近的地方会出现最大的照度值，因此每个灯具都能产生一个峰，且峰的位置与灯具的坐标一一对应，其中2个照度较大的峰是由2个强光灯引起的。

图4 h＝2.4 m时的光场分布三维云图

同样地，观测机舱中距离第一格栅层1.6 m的区域，由其光场分布云图和光场分布三维云图（见图5）可知，该区域相对于距离第一格栅层2.4 m的区域，峰群的照度值略微减小。

图5 h＝1.6 m时的光场分布三维云图

对机舱中距离第一格栅层0.8 m的区域进行观测，获取光场分布云图和光场分布三维云图见图6。由图6可知，该区域峰群已消失，只剩下2个照度值较大的峰，这是由于距离进一步增大引起照度急剧减小，再加上其他光源的干涉影响，导致峰群消失。

图6 h＝0.8 m时的光场分布三维云图

同理，对机舱中距离第一格栅层0 m的区域进行观测，获取其光场分布云图和光场分布三维云图见图7。由图7可知，剩下2个峰的照度值明显减小，照度低于200 lx的区域的面积相对于距离第一格栅层0.8 m的区域明显增加，这是由于距离继续增大引起照度进一步减小。

图7 h＝0 m时的光场分布三维云图

根据GB／T 3458—1993《船舶舱室照度计算与测量方法》的要求，测量平面一般为距离地面800 mm的水平面。由距离舱室第一格栅层0.8 m的仿真结果可知，机舱大部分区域的照度都能满足指标的要求（≥200 lx），仅机舱的前后两端靠外侧区域（距离一格栅层0.8 m以内）等局部边角区域的照度较弱，考虑该区域实际上是某大型设备基座的安放区域，几乎无设备操作和维护需求，对灯光的需求较低，机舱照明系统满足设计要求。由于该船还处于前期工程建造阶段，目前无法对机舱的光场照度进行实船测量，因此暂时无法通过理论结合实际进行验证。后期可根据实测数据对理论计算结果进行修改。

根据前述分析，考虑光场仿真的实际需求，立足于能方便地预测光场照度和验证灯具布置的合理性，针对分析的舱室开发一套可用于进行舱室配光和光照计算的可视化界面程序，仿真界面见图8。该界面程序首先在后台设置好舱室主尺度参数，以及灯具的种类、数量和位置，其次通过下拉菜单设置不同类型灯具的开闭情况，最后输入选测平面的高度，通过计算及时获取舱室内的照度分布数据，并通过界面中的窗口将光场分布等值线图和光场分布云图直观地展现出来。通过运用该界面程序，可快速获取特定舱室光场的各种现象和状态，降低配光难度，使相关舱室能准确、高效地获得预定的灯光布置方案，大幅提升船舶舱室配光设计工作的准确性和效率。

图8 仿真界面

3 结 语

本文为验证舱室灯具布置的合理性，以多种灯具为研究对象，利用计算机仿真技术，通过自编程序构建了一种舱室光场仿真计算方法，得到了不同高度平面内的光照强度分布；同时，结合机舱光照强度的实际需求分析了局部区域光照强度能否满足设计要求，验证了机舱照明系统设计的合理性，开发了一套适于进行船舶舱室灯光照度计算的可视化界面程序。计算分析结果表明：机舱一格栅层的照明系统具有良好的照明性能，灯光布置方案满足设计要求。采用的数值计算方法和模型处理方式适用于同类型舱室的照明系统设计和灯具布置方案优化中。开发的可视化界面程序具有良好的实用价值，支持参数调整和二次脚本开发，可在不对实船造成任何损伤的前提下，以极低的成本重复地展现光场的分布状态，大幅度提升船舶建造质量和舱室配光效率。