智能照明系統(tǒng)在海工裝備上的應(yīng)用與展望

李明昕

（大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

在全球各國共同提倡實(shí)現(xiàn)低碳減排，節(jié)能環(huán)保目標(biāo)的驅(qū)動下，對海洋工程裝備實(shí)施降低能耗逐漸成為行業(yè)的普遍要求。照明系統(tǒng)是海洋工程裝備上必不可少的重要系統(tǒng)，因海洋工程裝備項(xiàng)目作業(yè)的安全性要求嚴(yán)格，相關(guān)法規(guī)、船級社和主管部門對照明系統(tǒng)的使用范圍和照明強(qiáng)度也更為嚴(yán)格，照明系統(tǒng)能耗更大。采用智能照明系統(tǒng)，能夠根據(jù)不同的環(huán)境條件和作業(yè)工況對相關(guān)作業(yè)處所的照明系統(tǒng)的功率輸出進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，從而到達(dá)降低照明系統(tǒng)消耗功率，提高能效的目的。

本文對智能照明系統(tǒng)的工作原理、設(shè)計(jì)和應(yīng)用情況進(jìn)行介紹，并以某大型海工裝備項(xiàng)目的照明系統(tǒng)為例進(jìn)行能耗對比分析。

1 智能照明系統(tǒng)的組成及工作原理

智能照明系統(tǒng)包括智能照明控制系統(tǒng)，數(shù)字可尋址照明系統(tǒng)（Digital Addressable Lighting Interface，DALI）總線系統(tǒng)和智能型燈具。智能照明控制系統(tǒng)根據(jù)需求可配置本地信號采集及控制處理單元、故障預(yù)警及維護(hù)子系統(tǒng)、燈具亮度及色溫自動調(diào)節(jié)子系統(tǒng)、遠(yuǎn)程終端控制站等[1]。DALI 總線系統(tǒng)用來實(shí)現(xiàn)智能照明控制系統(tǒng)與智能型燈具之間供電和通信，智能照明控制系統(tǒng)通過DALI 總線實(shí)現(xiàn)對智能型燈具的可尋址控制。智能型燈具通常為發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）模塊光源類型燈具，燈具內(nèi)含控制模塊與智能照明控制系統(tǒng)連接，具有調(diào)節(jié)色溫和亮度的特性。

智能照明控制系統(tǒng)具備智能操控，拓展型強(qiáng)的特點(diǎn)。如圖1 所示。通過網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，將智能燈具、傳感器、本地處理單元、終端處理器、遠(yuǎn)程操作站等設(shè)備集成在一起。傳感器用來監(jiān)測對應(yīng)區(qū)域照度值、有人/無人狀態(tài)等相關(guān)參數(shù)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送至本地處理單元，本地處理單元再以通信方式將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送至終端處理器和遠(yuǎn)程操作站等。

圖1 智能照明控制系統(tǒng)集成

本地處理單元用來實(shí)現(xiàn)對傳感器和燈具的數(shù)據(jù)采集，指令控制，自動控制和故障報(bào)警，處理單元可根據(jù)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行分層級拓展擴(kuò)容[1]。各層級處理單元通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連接至遠(yuǎn)程操作終端，遠(yuǎn)程操作終端可直觀查看系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，在控制界面進(jìn)行遠(yuǎn)程操作等。

DALI 總線系統(tǒng)將本地處理單元與智能照明燈具之間進(jìn)行連接。DALI 總線可以實(shí)現(xiàn)對智能型燈具鎮(zhèn)流器的供電及雙向信號通訊功能，單個(gè)回路最多可以連接128 個(gè)智能型照明燈具的鎮(zhèn)流器，控制數(shù)量完全能夠滿足海工裝備上照明系統(tǒng)的需求。DALI 總線系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對每個(gè)鎮(zhèn)流器能夠在DALI 系統(tǒng)中的尋址，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在終端操作系統(tǒng)中能夠顯示每個(gè)智能型燈具的位置，工作狀態(tài)，運(yùn)行參數(shù)等全部信息。

2 智能照明系統(tǒng)的典型設(shè)計(jì)應(yīng)用

2.1 智能照明系統(tǒng)在艙室和公共區(qū)域的應(yīng)用

典型智能照明房間布置見圖2。與傳統(tǒng)照明布置方案相比較，智能照明系統(tǒng)在房間內(nèi)部安裝傳感器和本地控處理單元。傳感器選型為被動式紅外輻射（Passive Infrared Detector，PIR）傳感器，該傳感器通過檢查人體產(chǎn)生熱量產(chǎn)生反饋信號來識別房間有人/無人的狀態(tài)。傳感器可安裝在房間頂部或墻面，在2.5 m 高度安裝時(shí)覆蓋面積能夠達(dá)到20 m×6 m。典型智能照明系統(tǒng)示意圖見圖3。當(dāng)被動紅外（Passive Infra Red，PIR）傳感器識別到房間處于無人狀態(tài)并將狀態(tài)信息發(fā)送至本地處理單元后，處理單元可以通過在預(yù)先設(shè)定的程序，自動發(fā)出指令關(guān)閉對應(yīng)房間或艙室的照明。反之，當(dāng)此傳感器檢測到此房間由無人狀態(tài)變?yōu)橛腥藸顟B(tài)時(shí)，其能夠自動打開對應(yīng)房間或艙室的照明。本地處理單元經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通信將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程終端進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控，本地處理單元設(shè)置遠(yuǎn)程操作模式可在遠(yuǎn)程終端對房間照明系統(tǒng)進(jìn)行遙控操作。生活樓中部分房間需要通過陽光等外部光源補(bǔ)充房間照明，這些房間可選用照度/動作多功能傳感器。通過傳感器對房間照度的實(shí)時(shí)監(jiān)測和信號反饋，本地處理單元可對應(yīng)調(diào)整本區(qū)域照明燈具的輸出功率。

圖2 典型智能照明房間布置

圖3 典型智能照明系統(tǒng)示意圖

2.2 智能照明系統(tǒng)在露天區(qū)域的應(yīng)用

在海洋工程項(xiàng)目的室外區(qū)域要滿足不間斷作業(yè)的需求，其甲板及安裝在甲板的各類模塊區(qū)域要時(shí)刻保持充足的照明條件。傳統(tǒng)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)要滿足室外照明燈具保持連續(xù)工作狀態(tài)的要求。智能照明系統(tǒng)配備一個(gè)或多個(gè)室外照度傳感器，照度探測傳感器防護(hù)等級能夠達(dá)到IP56，溫度范圍能夠達(dá)到-35～70℃，照度測量范圍為1～10 000 Lux。傳感器緊湊、靈敏、便于安裝，可在海工裝備惡劣的工作環(huán)境中保持可靠運(yùn)行。該傳感器可將對應(yīng)區(qū)域的照度值實(shí)時(shí)發(fā)送至主控制器，主控制器根據(jù)光照情況對應(yīng)調(diào)節(jié)燈具的開閉狀態(tài)或亮度。智能照明系統(tǒng)能在陽光充足的時(shí)候關(guān)閉照明燈具，節(jié)省能耗；也能在光照不足的時(shí)候自動調(diào)節(jié)照明輸出，以保證生產(chǎn)作業(yè)所需的照明條件。

2.3 對直升機(jī)機(jī)甲板燈具的控制

海洋工程項(xiàng)目大多安裝直升機(jī)平臺，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，海工裝備上的直升機(jī)平臺需要安裝平臺邊界指示燈、探照燈、警告燈等各類燈具[2]，這部分燈具需要從不間斷電源（Uninterruptible PowerSupply，UPS）進(jìn)行供電。在設(shè)計(jì)時(shí)要滿足直升機(jī)平臺燈具保持連續(xù)運(yùn)行工作狀態(tài)的要求，智能照明系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)方案可通過照度傳感器和處理器實(shí)現(xiàn)對直升機(jī)平臺燈具的自動開關(guān)控制，延長直升機(jī)平臺燈具的使用壽命。

2.4 對航行燈與信號燈系統(tǒng)、障礙燈系統(tǒng)的監(jiān)控

根據(jù)各船級社規(guī)范要求，海洋工程項(xiàng)目中航行燈與信號燈系統(tǒng)、障礙燈系統(tǒng)均為獨(dú)立系統(tǒng)，獨(dú)立系統(tǒng)中有專用的控制板對燈具進(jìn)行控制和狀態(tài)顯示[3]。將控制板與智能照明系統(tǒng)間進(jìn)行通信連接，可在智能照明的操作站實(shí)現(xiàn)對航行燈與信號燈系統(tǒng)、障礙燈系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高系統(tǒng)的可靠性。

3 智能照明系統(tǒng)的性能優(yōu)勢

3.1 智能化控制

智能照明系統(tǒng)通過本地處理器完成數(shù)據(jù)采集處理，通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行信號傳輸、工作站遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動操作[4]。系統(tǒng)可根據(jù)海工裝備不同的運(yùn)行工況切換至對應(yīng)的照明工作模式。此外，還可根據(jù)環(huán)境條件自動調(diào)節(jié)照明系統(tǒng)的功率輸出，以降低能耗。

3.2 系統(tǒng)可靠性

智能照明系統(tǒng)具備自動控制、遠(yuǎn)程遙控、本地手動控制等多種控制方式。自動控制和遠(yuǎn)程遙控依托處理器和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能控制，本地手動控制是本地控制單元對本區(qū)域照明系統(tǒng)的直接控制[4]。控制系統(tǒng)采用分級、冗余式的設(shè)計(jì)方式，在本地控制單元完成信號的采集和電源輸出后，通過冗余網(wǎng)絡(luò)和上一級處理單元完成系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信和邏輯控制工作。各控制層級之間相對獨(dú)立，單個(gè)層級的控制單元故障不會影響其他層級對系統(tǒng)的操控。本地手動控制具有最高優(yōu)先級的控制權(quán)限，可有效保證遠(yuǎn)程終端故障情況下照明系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)測、診斷和維護(hù)

海工裝備上傳統(tǒng)照明系統(tǒng)的維護(hù)工作主要依靠船員定期完成。智能照明系統(tǒng)在遠(yuǎn)程終端能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控每個(gè)區(qū)域照明回路的工作狀態(tài)和每個(gè)燈具的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。當(dāng)絕緣報(bào)警或燈具故障時(shí)，智能照明系統(tǒng)能夠在遠(yuǎn)程終端顯示相應(yīng)信息，以便船員第一時(shí)間進(jìn)行排查和處理。智能照明系統(tǒng)可進(jìn)行周期性遠(yuǎn)程功能測試，迅速完成診斷和系統(tǒng)維護(hù)。

3.4 使用方便、擴(kuò)展性強(qiáng)

通過對智能燈具的可尋址控制，智能照明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對區(qū)域照明系統(tǒng)的集中或分散管理[5]。智能控制系統(tǒng)可根據(jù)處理器容量增加控制區(qū)域接入的燈具數(shù)量，實(shí)現(xiàn)對更多區(qū)域燈具的控制或狀態(tài)監(jiān)控。

4 智能照明系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性

4.1 顯著降低能耗

某鉆井船項(xiàng)目照明系統(tǒng)能耗對照表見表1，該鉆井船原照明系統(tǒng)消耗功率為611.51 kW，室外區(qū)域布置可持續(xù)運(yùn)行的照明燈具。在使用智能照明系統(tǒng)后，節(jié)能系數(shù)至少能夠達(dá)到0.5，若考慮生活樓公共處所使用頻率和光照對房間的照明補(bǔ)償，節(jié)能系數(shù)可達(dá)到0.8。在不考慮機(jī)艙區(qū)域智能照明效果的前提下，使用智能照明系統(tǒng)后消耗功率為425.61 kW，相較原照明系統(tǒng)降低185.90 kW，節(jié)能占比約30%。據(jù)此計(jì)算,該鉆井船每年節(jié)約電能162.85 萬千瓦時(shí)。當(dāng)前主流品牌大型船用柴發(fā)電機(jī)組的油耗指標(biāo)約為0.23 kg/kW·h，即發(fā)出每度電需要消耗柴油0.23 kg。當(dāng)前國際船用柴油價(jià)格約為1 200 $/t，即每千克柴油價(jià)格為1.2 $，折合人民幣約7.6 元。綜上所述，該鉆井船采用智能照明系統(tǒng)后每年可減少能耗成本約286 萬元。

表1 某鉆井船項(xiàng)目照明系統(tǒng)能耗對照表

海洋工程設(shè)施的設(shè)計(jì)壽命通常在20年左右，新制項(xiàng)目采用智能照明系統(tǒng)在運(yùn)營階段可以顯著減少能耗支出。智能照明系統(tǒng)的成本相較傳統(tǒng)照明系統(tǒng)高30%左右，項(xiàng)目在運(yùn)營周期內(nèi)降低能耗帶來的經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于初裝成本的差距。

4.2 延長燈具使用壽命

目前海工裝備項(xiàng)目照明系統(tǒng)普遍使用LED 光源燈具，LED 燈具最大使用壽命通常在5 萬小時(shí)左右，使用期間可能會出現(xiàn)電壓異常、絕緣破損等故障。采用智能照明系統(tǒng)，通過智能控制日常燈具工作時(shí)間，實(shí)時(shí)監(jiān)測、診斷和維護(hù)等方式延長燈具的實(shí)際使用時(shí)間。在項(xiàng)目運(yùn)營周期內(nèi)通過減少更換燈具數(shù)量和頻率來增加項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。

5 智能照明系統(tǒng)應(yīng)用前景

現(xiàn)階段智能照明系統(tǒng)在商場、酒店、工廠、醫(yī)院等場所應(yīng)用較多，在船舶與海洋工程領(lǐng)域應(yīng)用仍處于早期階段。部分國內(nèi)外新制豪華郵輪項(xiàng)目已有實(shí)船應(yīng)用在海工裝備領(lǐng)域，海上浮式生產(chǎn)儲卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO）、鉆井船、鉆井平臺等大型項(xiàng)目照明燈具數(shù)量多，照明持續(xù)時(shí)間長。目前多個(gè)新制或改裝的海工裝備項(xiàng)目在其技術(shù)規(guī)格書中已明確要求使用智能照明。

相比較于傳統(tǒng)照明燈具系統(tǒng)，智能照明系統(tǒng)具有智能操控、節(jié)能環(huán)保、可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)勢，結(jié)合當(dāng)下全球范圍內(nèi)對海洋環(huán)境節(jié)能減排，低碳環(huán)保的整體要求，智能照明系統(tǒng)在未來海洋工程裝備上的應(yīng)用需求將會越來越多。同時(shí)將海工裝備上傳統(tǒng)照明系統(tǒng)升級改造為智能照明系統(tǒng)項(xiàng)目將會逐漸增多，智能照明系統(tǒng)在海工裝備的有著廣闊的應(yīng)用前景，因此需要對智能照明系統(tǒng)在海工裝備上的應(yīng)用進(jìn)行更加深入的研究。

6 結(jié)論

本文介紹了智能照明系統(tǒng)的工作原理、設(shè)計(jì)和應(yīng)用情況，并以某大型海工裝備項(xiàng)目的照明系統(tǒng)為例分析了能耗對比情況。研究表明：智能照明系統(tǒng)在海工裝備上具備能效高、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)勢。