常規潛艇照明系統設計優化研究

雷 毅

常規潛艇照明系統設計優化研究

雷 毅

（海軍駐701所軍事代表室，武漢 430063）

常規潛艇傳統照度不變、單一模式的照明系統，已經不適應總體的發展需求。結合常規潛艇照明特點，分析了照明系統設計的相關要素，提出了照明系統的總體方案架構，給出了照明效果的驗證方法，可為水面艦船照明系統的設計提供參考。

潛艇 照明 優化 設計

0 引言

照明系統是常規潛艇的重要組成部分，良好的光環境不僅可以改善艇員的視覺條件及工作環境，而且可以減少艇員的誤操作，降低事故的發生率，在保護潛艇總體的安全方面起著重要的作用。與傳統常規潛艇相比，新型常規潛艇續航力大幅度提升，艇員在水下連續工作的時間更長，傳統的固定色溫、照度不變的照明系統已經無法滿足總體作戰及艇員生理的需求，如何構建一個合理的照明系統，采用照明發展的新技術新理念，從人性化角度進行合理科學照明，減小艇員長時間封閉照明環境中的疲憊感，提高舒適性和戰斗力，成為潛艇照明系統設計迫切需要解決的問題。

本文結合常規潛艇照明特點，通過對潛艇各種航行狀態下操作艙室、居住艙室、活動艙室環境光的需求研究，以及對人體在各種光照條件下的生理反應研究，提出照明系統的總體方案，并在此基礎上研究了照明效果驗證的方法和手段。

1 照明系統設計要素分析

1.1概述

照明是以滿足工作和生活等需要為目的而設立的。一方面是給周圍的對象以適宜的光分布，艇員通過視覺能夠正確識別欲知的對象和確切的了解自身所處的環境狀況，另一方面則要創造與生理心理要求相適應的室內空間環境，滿足艇員長期在水下生活作戰的需求。依據上述原則，照明系統的設計要素可以從光照明環境適應性設計和光生物安全性設計兩方面進行分析。

1.2光照明環境適應性設計

目前，潛艇艙室光環境設計標準主要以照度量化指標為主，但對其它指標如亮度、眩光等重視不夠，必須突破傳統照明系統設計技術，以“按需照明”為原則，緊密結合總體布置，對艙內各區域工作面、生活面的不同照明需求及復雜照射面開展細化分析，合理配置燈具，從而保證各照明區域的需求得到滿足。

1）照度

目前相關標準并沒有給出潛艇各功能艙室具體的照度要求，但通過對實艇進行照明實測調研后發現，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題。因此艙室照度并非越亮越好，過高的照度不僅浪費能耗，還會帶來視覺的不適感。

2）亮度

環境亮度就對視覺效能有著顯著影響，過亮的視覺環境會對視覺目標造成干擾，從而導致能見度的損失，如圖1所示。

3）眩光

由于燈具配置不合理，導致艙室亮度分布不合理、眩光突出，引起人員視覺下降。根據CIE標準可采用不舒適眩光評價指標UGR進行分析。如果艙室眩光指標UGR超過上限值，則提出改善燈具的遮光角和配光方案，并采取優化燈具布置位置等措施，改善艙室不舒適眩光評價指標UGR。

1.3光生物安全性設計

隨著人們對人體生物鐘系統的深入研究，發現當人體受到光照時，人體內的生物鐘系統將導引并啟動從光信號到生理信號的連鎖放大過程，從而調節人的行為和生理活動，影響人體的生理節律。其中以光照與褪黑素之間的關系最為明顯，不同光照強度對人體褪黑素的抑制作用不盡相同。通常低照度照明對褪黑素的抑制較少，因此冬季早起的人們在起床后會感到疲憊，沒有精神，這是由于人體缺少光的照射，體內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，自然光會較早地照射到人體，使體內的褪黑素迅速分解，使人們能夠較早地起床，且精神較好。其次不同波長的光線對褪黑素的抑制效果也不一，藍色光線對的褪黑素抑制效果最強，黃色光線對褪黑素的抑制效果最弱。因此通過設計不同光色的照明，可以使人體的生理節律時間人為發生變化，進而更快的進入相應行為模式。

對于潛艇而言，由于絕大多數艙室位于封閉結構內，無法自然采光，因而僅利用固定光色和強度的照明燈具，是無法實現光照和人體生理節律匹配的。長時間的單一照明模式，將對艇上官兵的身心產生可能產生不利影響，導致工作效率降低，影響部隊戰斗力。因此在設計照明系統時，還應充分考慮不同的照明光環境對人的生理產生的不同影響，開展符合人體生理節律的照明設計，將不同時段或場景的照明需求同人體生理節律結合起來，從而在水下創造一個有益健康的光環境。

2 照明系統優化設計方案

根據潛艇各艙室功能使用需求，按照明區域采取不同的照明方案。指揮艙采用情景照明，專業房間、住艙及作戰值班部位等采用仿生照明，其余區域如機艙等采用一般照明。

指揮艙是潛艇的核心部位，是最重要的工作區域，因此專門針對指揮艙開展照明設計工作。由于指揮室除具備正常工作照明外，還需具備夜光作戰等特殊照明模式。因此在指揮艙中采用色溫可調的LED艙頂燈作為主照明，同時配備海圖燈、作戰工作燈、低照度燈等輔助照明。并通過各類燈具的狀態開閉組合開關具備夜光作戰、手動和全關等控制模式，從而實現多場景的高、低色溫可變、明暗混合燈光照明控制。

1）夜光作戰：打開所有低照度燈和作戰工作燈。

2）手動：在該模式下，可獨立點對點控制指揮室的各路燈具。對滿意的照明場景可直接保存為用戶設定場景，方便后續重復使用。

3）全關：關閉所有燈具。

住艙等部位的仿生照明通過色溫可調的LED燈和具備不同控制模式的燈具控制開關實現。

a）全關：關閉艙內所有燈具電源。

b）夜光：開啟艙內低照度燈。

c）自動：模式開啟后，LED燈自動從每天早上七點至晚上八點實現5000 K的冷白光，而從晚上八點后到第二天早上七點實現3500 K的暖白光。

4）手動：LED燈照明狀態由面板手動控制，對滿意的照明場景可直接保存為用戶設定場景，方便后續重復使用。

機艙等無人作戰值班部位則在目前已有的照明方案的基礎上進一步優化，在滿足標準照度的同時進行理論計算，為該區域配置數量合理的LED燈具，形成一般照明方案。

3 照明系統效果設計驗證

為支撐照明系統性能設計驗證，可根據潛艇典型艙室的功能和環境，在陸上試驗場地通過設計典型艙室的情景照明控制方案，并對實測效果進行測量、驗證和分析。

驗證系統主要由模型艙室、試驗燈光控制系統以及試驗配套保障三部分組成。

模型艙室是驗證研究的物理環境和對象。根據前期完成的照明系統設計驗證方案，確定會議室、通道、指揮艙等典型艙室驗證系統。為確保研究結論能作為系統設計的有效輸入，需對試驗艙室進行結構和舾裝的實艇環境匹配性設計；并且在艙室構建過程中，為對不同設計方案進行試驗對比分析，保留艙室結構、舾裝、色彩等更改設計的可行性。

試驗燈光控制系統是驗證研究的核心設備，由主機、艙室燈光集中控制器、艙室燈光分控器以及受控可調光燈具組成。其主要功能是根據試驗方案研究內容，靈活的設定和調整各艙室內燈具的光色參數和開關狀態，創造出不同的燈光組合，開展相應的舒適性照明優化技術、模擬自然光照明控制技術、艙室分時照明控制技術和情景照明優化設計驗證研究。通過試驗燈光控制系統，能快捷靈活的設計試驗方案，減少參試試驗設備數量，提高試驗工作效率。

此外，在驗證研究中還需完成各類光學儀器儀表、試驗測量、受試人員等試驗配套保障的準備工作，為試驗工作提供支撐。

4 結語

本文通過對常規潛艇照明系統的設計要素進行了分析，在此基礎上給出了照明系統的設計優化方案，并給出了照明系統設計性能驗證的方法。也可為水面艦船照明系統的優化設計提供參考。

[1] 彭智勇時粉周，等.模擬潛艇環境白光LED照明對視覺功能功效影響的初步探討[J]. 海軍醫學雜志,2012, 1（23）:45-47.

[2] 李宏李蔚燕. 綠色照明光源—高亮度白光LED[J].燈與照明, 2007, 1（43）:23-25.

[3] 顧益敏,周健等. 熒光燈閃爍和視疲勞關系的實驗研究[J]. 照明工程學報, 2000,1（54）:27-29.

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。