船用LED航行燈及其控制器設(shè)計(jì)要點(diǎn) 附四島式無艏樓型特種船航行燈、信號(hào)燈等效布置方法

國(guó)際海事組織(IMO)MSC253(83)對(duì)于航行燈及其控制器的性能要求；國(guó)內(nèi)外的船用LED航行燈及其控制器產(chǎn)品現(xiàn)狀；對(duì)比傳統(tǒng)白熾燈作為光源的航行燈及其控制器設(shè)計(jì)不同之處;在船用LED航行燈及其控制器設(shè)計(jì)要點(diǎn)方面的探討。LED航行燈具有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于與傳統(tǒng)白熾燈泡光源航行燈的不同之處，也給LED航行燈及其控制器的設(shè)計(jì)提出了新的要求，本文就其中LED光衰以及LED航行燈由多個(gè)LED燈珠構(gòu)成這兩點(diǎn)不同之處，對(duì)LED航行燈及其控制器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行探討。1、光衰由于芯片結(jié)構(gòu)、環(huán)境溫度、工作電流等原因，LED光衰不可避免。如果LED作為普通照明燈具光源使用，光衰可能不會(huì)帶來太大影響，但是航行燈作為海上避碰的一種重要手段,LED光衰如果不及時(shí)處理的話，就會(huì)導(dǎo)致航行燈能見距離達(dá)不到避碰要求，長(zhǎng)期使用可能會(huì)造成嚴(yán)重后果，帶來很大航行安全隱患。針對(duì)LED航行燈的這一特性，IMO253(83)4.3條款有明確的要求：“LED的發(fā)光強(qiáng)度逐漸減弱，同時(shí)用電量保持不變。發(fā)光強(qiáng)度減弱的速度取決于LED的輸出功率和溫度。為防止LED發(fā)光強(qiáng)度不足：1應(yīng)起動(dòng)報(bào)警功能以通知值班駕駛員發(fā)光強(qiáng)度降低至COLREG要求的水平以下；或2LED應(yīng)僅在制造廠規(guī)定的使用壽命(實(shí)際有效期)內(nèi)使用以保持LED必要的發(fā)光強(qiáng)度。LED的使用壽命應(yīng)由制造廠依據(jù)LED的發(fā)光強(qiáng)度在各種溫度條件下以及在號(hào)燈運(yùn)行中的溫度條件下減弱的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果確定和明確通知，并考慮適當(dāng)裕量?！庇缮峡芍?，IMO253(83)允許兩種不同設(shè)計(jì)以應(yīng)對(duì)LED光衰的問題，下面結(jié)合設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度、國(guó)外產(chǎn)品現(xiàn)狀對(duì)兩種設(shè)計(jì)進(jìn)行分析：(1)“起動(dòng)報(bào)警功能以通知值班駕駛員發(fā)光強(qiáng)度降低至COLREG要求的水平以下L要實(shí)現(xiàn)此要求，需要在航行燈內(nèi)或者航行燈附近布置光強(qiáng)傳感器，通過光強(qiáng)傳感器測(cè)定航行燈發(fā)光強(qiáng)度，當(dāng)發(fā)光強(qiáng)度低于COLREG要求的水平時(shí)，通過航行燈控制板發(fā)出報(bào)警，及時(shí)更換LED光源。這種方案需增加光強(qiáng)傳感器，而且光強(qiáng)傳感器的布置不能遮擋航行燈正常發(fā)光角度與強(qiáng)度，增加材料成本與制造難度。同時(shí)據(jù)筆者了解，目前國(guó)內(nèi)外沒有采取此種方案的成熟產(chǎn)品。(2)“LED的使用壽命應(yīng)由制造廠依據(jù)LED的發(fā)光強(qiáng)度在各種溫度條件下以及在號(hào)燈運(yùn)行中的溫度條件下減弱的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果確定和明確通知”，使用壽命并不是指LED從開始使用到損壞的時(shí)間，根據(jù)美國(guó)ASSIST(AllianceforSolid-stateIlluminationSystemsTechnology)fitl建議，L-壽命以LED光強(qiáng)下降到初始70%為界限，記為L(zhǎng)-70。這個(gè)參數(shù)作為L(zhǎng)ED光源的基本參數(shù)，一般會(huì)標(biāo)注在LED光源的出廠技術(shù)資料中，并可提供相應(yīng)的檢測(cè)報(bào)告。例如某型號(hào)1WLED組件關(guān)于壽命的技術(shù)參數(shù)標(biāo)注：ReportedL-70(7K)>42000hours(55℃)o航行燈制造廠應(yīng)以此為依據(jù)，在使用說明書中注明本制造廠生產(chǎn)的LED航行燈光源使用壽命(考慮適當(dāng)裕量)，并提供相應(yīng)的備件光源。值得設(shè)計(jì)及檢驗(yàn)人員注意的是，LED組件影響壽命的重要因素之一是驅(qū)動(dòng)電流，LED組件關(guān)于使用壽命的檢驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行壽命試驗(yàn)的其中一個(gè)重要的前提是保證驅(qū)動(dòng)電流為穩(wěn)定電流，只有在這個(gè)前提下，LED組件才能達(dá)到標(biāo)稱使用壽命。航行燈制造廠使用的LED組件的驅(qū)動(dòng)模塊可能為自制或者購(gòu)買，都很難達(dá)到在LED組件標(biāo)稱使用壽命階段一直保持穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流,這就需要將驅(qū)動(dòng)與LED組件組裝后進(jìn)行整體試驗(yàn)，以最終確定LED航行燈光源的使用壽命。在實(shí)際使用中如何準(zhǔn)確記錄LED航行燈使用時(shí)間是一個(gè)簡(jiǎn)單但容易在設(shè)計(jì)時(shí)被忽略的問題，這個(gè)問題可通過航行燈控制器來實(shí)現(xiàn)，在航行燈控制器中設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)器，記錄LED航行燈已使用時(shí)間，當(dāng)使用時(shí)間即將達(dá)到使用壽命時(shí)，及時(shí)提醒操作人員更換LED組件。國(guó)外某型號(hào)航行燈控制器在其技術(shù)條件中對(duì)此功能有如下描述："TheNLCwilllearntheprofileofthenavigationlightitissettomonitorandwillfbllowitthroughitslife

,alsoindicatingwhenthelightisgettingtoooldandmustbereplaced「("航行燈控制器可以在航行燈的壽命期間一直監(jiān)視其狀態(tài)，并且當(dāng)航行燈將要達(dá)到其設(shè)定的最大壽命時(shí)指示提醒更換”)。另外，如上所述,LED壽命是指光強(qiáng)下降到初始70%為界限，如果航行燈光強(qiáng)下降30%,能見距離必然達(dá)不到COLREG要求，這就要求出廠檢驗(yàn)時(shí)必須將光強(qiáng)提升到大于COLREG要求的光強(qiáng)，這樣當(dāng)LED光源達(dá)到L-70使用壽命時(shí)，光強(qiáng)仍然能夠滿足要求。某國(guó)外產(chǎn)品取得船級(jí)社證書對(duì)于上述問題的描述如下：表1某品牌LED航行燈使用壽命描述Parameter參數(shù)Measured檢測(cè)Comment備注LuminousIntensity光強(qiáng)2nm=>4.3cd(>5.4cdattest/>5.4cd測(cè)試值)Theminimumcandelareadingismaintainedto±5°verticalsector最小的發(fā)光強(qiáng)度值保持在垂直±5。內(nèi)LightSourceTechnology光源技術(shù)LightEmittingDiode發(fā)光二極管(MultiLEDClusterdesign/多個(gè)發(fā)光二極管設(shè)計(jì))Manufacturerspecifiedlifespan(嫩之戲?3),4.3.2Servicelife50,000HrswithDCLD(DegradationCompensatingLEDDriver)tomaintaincdrating.Builtinendofservicelife,lightindication.制造商按照照C.253(83)4.3.2要求標(biāo)明的使用壽命為50000小時(shí)，但要求使用DCLD(DegradationCompensatingLEDDriver).2、斷絲報(bào)警燈控制板的一個(gè)重要功能，目的是在航行燈出現(xiàn)斷絲故障時(shí)報(bào)警，提醒船員及時(shí)更換光源，保證船舶航行時(shí)的避碰要求。對(duì)此，IMO253(83)5.4條款有明確的要求：“船長(zhǎng)不小于50m的船舶上的NLC應(yīng)為下列故障提供報(bào)警：1NL供電故障；和2故障，包括處于接通狀態(tài)的燈的短路。”對(duì)于電源故障報(bào)警的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)航行燈控制器的設(shè)計(jì)相同，本文不再贅述。但是對(duì)于斷絲故障報(bào)警，因?yàn)閭鹘y(tǒng)航行燈僅有一個(gè)白熾燈，只需檢測(cè)一個(gè)光源的斷絲故障即可，而LED航行燈受單個(gè)LED燈珠功率的限制，需多個(gè)LED燈珠組成航行燈的光源，這就需要檢測(cè)每個(gè)LED燈珠的斷絲故障，而不能采用傳統(tǒng)航行燈控制板的斷絲報(bào)警檢測(cè)方法。本文結(jié)合國(guó)外成熟產(chǎn)品的兩種方案進(jìn)行探討：(1)在LED航行燈內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果傳輸?shù)胶叫袩艨刂瓢暹M(jìn)行報(bào)警，這種方案集成度高、性能可靠，但施工時(shí)需多敷設(shè)一條信號(hào)電纜。這種方案要求LED航行燈的設(shè)計(jì)集成度高，并且由于航行燈工作環(huán)境惡劣，高溫、濕熱、鹽霧等環(huán)境將影響精密檢測(cè)電路的使用壽命，因此采用這種設(shè)計(jì)的方案較少。(2)在航行燈控制板內(nèi)部檢測(cè)，通過檢測(cè)電流判斷光源是否發(fā)生斷絲故障，但是由于LED航行燈額定電流較傳統(tǒng)航行燈小很多，這就增加了檢測(cè)難度。1WLED燈珠額定電流為350mA,某型號(hào)LED舷燈額定電流0.24A(DC24V),桅燈額定電流0.6A(DC24V),可通過霍爾元件等電流檢測(cè)器件，進(jìn)行高精度電流檢測(cè)，檢測(cè)精度至少為單個(gè)LED燈珠的額定電流,精度高的同時(shí)需要避免電路干擾的影響，防止產(chǎn)生誤報(bào)警。某型號(hào)航行燈控制器在其技術(shù)條件中對(duì)此功能有如下描述：€€TheNavigationLightcontroller(NLC)isabletomonitorNavigationlightsveryaccuratelyandwilldetectwhetherthelightisoperational,hasapartialfaultoracompletefault—whateverthereason.”(航行燈控制器可以精確監(jiān)視航行燈狀態(tài)，監(jiān)視其是否處于正常工作狀態(tài)，無論任何原因?qū)е碌牟糠止收线€是全部故障)隨著檢測(cè)元件與電路設(shè)計(jì)的成熟，只要設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)階段認(rèn)識(shí)到上述LED航行燈檢測(cè)電流精度的需求，這種設(shè)計(jì)方案是非?？煽康摹Ｋ膷u式無嬉樓型特種船航行燈、信號(hào)燈等效布置方法。引言全球經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)帶動(dòng)了海運(yùn)業(yè)的發(fā)展，越來越多船舶在全球各處執(zhí)行運(yùn)輸任務(wù)。船舶在航行中需要根據(jù)不同海區(qū)和航線顯示相應(yīng)的號(hào)燈來表示船舶的種類、工作性質(zhì)、大小和動(dòng)態(tài),以確保航行的安全。燈光信號(hào)是直接關(guān)系到船舶安全的可視信號(hào)，船舶燈光信號(hào)應(yīng)嚴(yán)格遵照相關(guān)規(guī)范的要求進(jìn)行設(shè)置，保證燈光能正確地對(duì)外表達(dá)船舶的位置、狀況和動(dòng)向，使外界能一眼識(shí)別船舶并明了其海上航行的意圖。正確選擇和布置滿足規(guī)范要求及相關(guān)海區(qū)的地方要求的航行燈和信號(hào)燈對(duì)船舶的安全行駛尤為重要。1項(xiàng)目概況本文研究基于某四島式無腦樓型特種船，船長(zhǎng)約250m,主甲板腦艦貫通，腦部右舷設(shè)有不可移動(dòng)的邊島式艄樓，艄樓布置有生活區(qū)及其他主要控制室。在脩部左舷及腥部左右舷設(shè)置可移動(dòng)浮箱。本船具備自航能力，航行于無限航區(qū)，需要滿足蘇伊士運(yùn)河航行規(guī)則。本船可用于大型船舶的整體打撈，大型海洋油氣裝備、超大型海上裝備的運(yùn)輸。2航行燈和信號(hào)燈設(shè)計(jì)基礎(chǔ)船舶航行燈的設(shè)計(jì)依據(jù)為《1972年國(guó)際海上避碰規(guī)則公約》，這是在公海和連接于公海的一切通航水域共同遵守的海上交通規(guī)則，也是海船通航水域內(nèi)締約國(guó)共同遵守的海上交通公約，可有效確保船舶航行安全，預(yù)防和減少船舶碰撞事故。船舶在配備航行燈和信號(hào)燈時(shí)，需要滿足不同航線的需求、特殊海域的地方性要求以及運(yùn)河要求。3航行燈和信號(hào)燈配置及布置方案3.1航行燈和信號(hào)燈配置情況本船航行燈和信號(hào)燈的配置情況見表lo表1航行燈和信號(hào)燈的配置情況3.2航行燈和信號(hào)燈布置方案根據(jù)《1972年國(guó)際海上避碰規(guī)則公約》的相關(guān)要求，本船航行燈和信號(hào)燈的布置如下:1)前桅燈布置于右舷邊島式艄樓的前桅桿處，后桅燈布置于羅經(jīng)甲板后部的吊機(jī)平臺(tái),后桅燈布置高度相較前桅燈高約10mo2)左舷燈布置于左舷艄部浮箱頂外側(cè)，右舷燈布置于右舷邊島式艄樓外側(cè)，左右舷燈的安裝高度高于船體，低于前桅燈安裝高度的3/4。3)艄錨燈布置于右舷邊島式艄樓的艄旗桿處，艄錨燈的安裝高度高于主甲板面6m,高于后錨燈布置高度4.5mo4）在右舷艇部浮箱的頂部設(shè)置1個(gè)艦燈架，從上到下分別安裝艦錨燈、蘇伊士運(yùn)河解燈、腥燈。此外，本船還設(shè)置1個(gè)可拆式艦燈架，當(dāng)右舷腿部浮箱移走后，可將此艦燈架安裝在主甲板上。5）操作能力受限燈和失控?zé)艄?盞，垂直布置在右舷邊島式脩樓的左右失控?zé)粑ι?，操作能力受限燈的垂直間距為2m。最下端的操作能力受限燈高于船體4m以上，用于發(fā)出操縱能力受限信號(hào)和失控信號(hào)。6）摩斯兼操縱燈布置于右舷邊島式艄樓的雷達(dá)桅頂部，11盞蘇伊士信號(hào)燈布置于雷達(dá)桅的中下部。航行燈和信號(hào)燈布置情況見圖lo圖1航行燈和信號(hào)燈布置示意圖4等效設(shè)計(jì)分析4.1等效設(shè)計(jì)原因本船為特殊船型，除右舷邊島式艄樓和浮箱外，在整個(gè)船長(zhǎng)范圍內(nèi)不允許存在其他突出甲板的結(jié)構(gòu)物。因此，前后桅燈只能布置在右舷邊島式艄樓頂部，這種布置方式存在以下2點(diǎn)不足：1）前后桅燈中心線連線平行于艄腥中心線，不能滿足“前后桅燈安裝在艄睚中心線上方”的要求。2）后桅燈間水平距離約為44m,不能滿足“當(dāng)機(jī)動(dòng)船按規(guī)定有2盞桅燈時(shí)，兩燈之間的水平距離應(yīng)不小于船長(zhǎng)的一半，但不必大于100m”的要求。4.2等效設(shè)計(jì)方案根據(jù)《1972年國(guó)際海上避碰規(guī)則公約》要求，船舶在航行時(shí)應(yīng)顯示桅燈、舷燈和艦燈。針對(duì)本船前后桅燈布置方案存在的不足，做出如下等效設(shè)計(jì)：1）在左舷腦部浮箱內(nèi)側(cè)和右舷邊島式艄樓內(nèi)側(cè)各設(shè)置1盞150W投光燈，分別從距離主甲板26m處照亮右舷和左舷甲板區(qū)域。2）在左舷腦部浮箱后端和右舷邊島式艄樓后端各設(shè)置1盞1000W投光燈，分別從距離主甲板26m處照亮艦部區(qū)域。3）為每盞投光燈均配備1盞備用投光燈，等效設(shè)計(jì)投光燈配置情況見表2,前后桅燈及等效設(shè)計(jì)投光燈的布置情況見圖2o表2等效設(shè)計(jì)投光燈配置情況圖2等效設(shè)計(jì)投光燈配置情況4）投光燈的控制開關(guān)設(shè)置在航行燈控制板上，等效設(shè)計(jì)航行燈控制板布局情況見圖3。圖3等效設(shè)計(jì)航行燈控制板布局情況4.3等效設(shè)計(jì)后船舶航行分析在本船航行時(shí)，其他船舶可以根據(jù)前后桅燈、舷燈、腥燈及投光燈照亮的腥部區(qū)域和船中甲板區(qū)域來判斷本船的大小和動(dòng)態(tài)。船舶在海水航行相遇時(shí)主要分為追越、對(duì)遇和交叉相遇等3種情況：1）追越。當(dāng)來船從與本船正后方呈22.5。以上方向追越本船時(shí)，來船僅能看見本船尾燈,無法看到任一舷燈，滿足避碰規(guī)則要求。2）對(duì)遇。當(dāng)來船在我船正前方或接近正前方