艦船艙室環(huán)境工程技術(shù)綜述

陳文戰(zhàn)

海軍駐上海江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司軍事代表室，上海201913

0 引 言

隨著艦船隱身性水平的不斷提高，以及集體防護(hù)技術(shù)的采用，現(xiàn)代水面艦船大多采用全封閉結(jié)構(gòu)，艙室通風(fēng)以及微小氣候環(huán)境均靠空調(diào)系統(tǒng)來維持。在海上長期執(zhí)勤時(shí)，不良的艙室環(huán)境（例如，高溫、高濕、振動(dòng)、噪聲以及艙室有害氣體等）不但易使艦員出現(xiàn)疲勞、淺眠、胸悶和惡心等癥狀，而且還有可能導(dǎo)致焦慮不安等心理障礙，將直接影響艦員的工作效率，危及艦船航行安全和作戰(zhàn)能力的有效發(fā)揮［1］。因此，開展艦船艙室環(huán)境工程技術(shù)研究不僅能解決在役艦船現(xiàn)有的問題，而且還可為新一代艦船研制提供依據(jù)和參考。

1 艦船艙室環(huán)境工程概念和內(nèi)涵

艦船“人—機(jī)—環(huán)境”工程學(xué)作為一門新興學(xué)科，其目的是在艦船這個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的人、機(jī)、環(huán)境系統(tǒng)中，立足以人為本，優(yōu)化組合，科學(xué)配置。艙室環(huán)境工程作為其中的重要組成部分，對(duì)于改善艦員海上生活品質(zhì)，提高艦員日常工作效率，長期保持艦員身心健康等具有明顯的意義。

艙室環(huán)境工程是一個(gè)系統(tǒng)工程，是指包括內(nèi)裝環(huán)境、空氣環(huán)境、振動(dòng)與噪聲環(huán)境、消防安全環(huán)境，以及與上述環(huán)境相關(guān)的各種材料、設(shè)備等與人員構(gòu)成的環(huán)境系統(tǒng)工程，如圖1所示［2］。其中，由于艙室消防安全環(huán)境有其自身的特點(diǎn)，本文在此不作討論。

2 國外研究現(xiàn)狀

圖1 艦船艙室環(huán)境組成Fig.1 Composing of cabin environment

各國海軍均十分重視對(duì)艦船艙室環(huán)境的研究，并相應(yīng)地制定了一系列規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。例如，美海軍自1975年便開始關(guān)注艦船艙室環(huán)境，并于1979年制定了海軍艙室環(huán)境相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，1995年制定了《艦艇艙室環(huán)境設(shè)計(jì)規(guī)范》。其主要是通過融入最新的艙室環(huán)境工程設(shè)計(jì)理念，在艦船方案設(shè)計(jì)階段便對(duì)艙室環(huán)境進(jìn)行綜合考慮。即在對(duì)艙室進(jìn)行分隔布置設(shè)計(jì)時(shí)，綜合考慮艙室絕緣、空調(diào)分區(qū)、噪聲控制和材料安全等方面；在對(duì)艙室進(jìn)行布置時(shí)，綜合考慮艙室功能、艙室色彩環(huán)境與光環(huán)境、家具設(shè)施的功能、空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的布置以及降噪措施等。

2.1 艙室內(nèi)裝環(huán)境工程

居住性是艙室內(nèi)裝環(huán)境的首要內(nèi)容，將直接影響到艦員的戰(zhàn)斗力。隨著新技術(shù)、新材料的應(yīng)用和艦用設(shè)備、武器裝備自動(dòng)化程度的不斷提高，艦船的居住性也將不斷改善。

在艙室形態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)方面，因水面艦船的艙室空間相對(duì)較狹窄，因此，如何合理地利用這有限的空間，使艦員在視覺、心理感覺和觸覺等方面都能達(dá)到舒適的程度是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)［3］。

1）艙室色彩環(huán)境設(shè)計(jì)

色彩設(shè)計(jì)的功能是創(chuàng)造與自然和諧的環(huán)境，營造出輕松、宜人、舒適的生活環(huán)境，用以調(diào)節(jié)艦員情緒并使其保持良好的心理狀態(tài)。艙室的色彩設(shè)計(jì)主要包括居住艙和公共活動(dòng)艙的設(shè)計(jì)，根據(jù)艙室功能的不同，其設(shè)計(jì)理念也有所區(qū)別。在設(shè)計(jì)中，主要是通過調(diào)節(jié)色彩明度，改變光線和色彩的反射率來改善艙室采光效果，從而調(diào)節(jié)其對(duì)艦員視覺的刺激和在心理方面的刺激。

2）艙室光環(huán)境設(shè)計(jì)

艙室燈光環(huán)境的主要作用是為艦員提供良好的光照條件，以獲得最佳視覺效果，并使室內(nèi)環(huán)境具有某種氣氛和意境，增加艙室環(huán)境的美感與舒適感，其同時(shí)具有實(shí)用和藝術(shù)兩方面的作用。通過艦上艙室對(duì)燈光照度和強(qiáng)度光譜的不同要求設(shè)計(jì)不同的光照，對(duì)艙室還具有裝飾及虛擬劃分空間的作用。

2.2 艙室空氣環(huán)境工程

為滿足艦船艙室對(duì)優(yōu)質(zhì)空氣環(huán)境的要求，歐美等發(fā)達(dá)國家紛紛引入了先進(jìn)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法、設(shè)計(jì)理念和管理模式，不斷對(duì)船用設(shè)備進(jìn)行研發(fā)和升級(jí)換代，使艙室空氣環(huán)境得到了明顯的改善。具體包括：

1）采用先進(jìn)的空調(diào)通風(fēng)設(shè)計(jì)技術(shù)。

國外積極嘗試將艦船各艙室作為一個(gè)整體，采用基于數(shù)值方法、圖論和最優(yōu)化理論的流體網(wǎng)絡(luò)法來分析和解算全船空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)，以對(duì)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)和選型方法進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化。

在大型艦船通風(fēng)設(shè)計(jì)中，國外針對(duì)不同的航行狀態(tài)和氣候條件有針對(duì)性地制定了通風(fēng)方案，在艦船的縱、橫向剖面均設(shè)計(jì)了壓力梯度和氣流走向，以保證艙室內(nèi)的氣流通暢。如圖2所示，在高溫、高濕、無風(fēng)的天氣情況下，設(shè)計(jì)采用加熱或者增加局部動(dòng)力的方式來加強(qiáng)和引導(dǎo)氣流流動(dòng)，保證了通風(fēng)效果［4］。

圖2 不同情況下某艙段縱剖面的氣流走向設(shè)計(jì)方案Fig.2 Design ofdifferentaeration for given section

2）注重細(xì)節(jié)和特點(diǎn)。

艦船上艙室眾多，且各艙室都有其自身的功用和特點(diǎn)。為了獲得各艙室內(nèi)良好的空氣環(huán)境，國外根據(jù)艙室的特點(diǎn)進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)。例如，美國在洗衣房等纖維濃度較高的地方安裝了局部排風(fēng)設(shè)備；在廚房內(nèi)采用一體化設(shè)備，減少了廚房設(shè)備的數(shù)量和空間以及通風(fēng)系統(tǒng)的復(fù)雜性和維修費(fèi)用。

3）采用高效節(jié)能的智能化空調(diào)設(shè)備。

隨著船舶行業(yè)的不斷發(fā)展和對(duì)艦船空氣環(huán)境要求的不斷提高，相關(guān)船用設(shè)備也向著高效節(jié)能、安全可靠、壽命長、無污染，以及自動(dòng)化、智能化、集成化、模塊化和系列化等方向發(fā)展。

4）提高空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行管理質(zhì)量。

美國針對(duì)大型艦船，結(jié)合輔助運(yùn)行管理系統(tǒng)（CMMS），通過建立相應(yīng)的計(jì)算模型和數(shù)據(jù)庫，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行管理實(shí)行了模塊化和程序化的監(jiān)督與控制，即通過建立嚴(yán)格的運(yùn)行參數(shù)及相應(yīng)處理措施的數(shù)據(jù)庫，結(jié)合智能和自動(dòng)化的調(diào)控手段，可以隨時(shí)根據(jù)反饋的參數(shù)變化情況，模塊化和有針對(duì)性地管理空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行。這不僅使空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行管理擺脫了單憑經(jīng)驗(yàn)和手工操作的傳統(tǒng)模式，提高了運(yùn)行管理質(zhì)量，而且也降低了艦船空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

5）注重通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的減振降噪，并與防排煙措施相結(jié)合。

在空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，采取各種措施降低系統(tǒng)的振動(dòng)與噪聲，并注意與消防系統(tǒng)結(jié)合，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，能起到防排煙的作用。

2.3 艙室噪聲環(huán)境工程

西方國家非常重視艦船艙室的聲學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)，形成了先進(jìn)的噪聲預(yù)報(bào)方法和試驗(yàn)驗(yàn)證方法、系統(tǒng)的減振降噪措施和系列化的噪聲控制產(chǎn)品，以及艙室噪聲試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)等。目前，在發(fā)達(dá)國家，大型艦船居住艙和公共活動(dòng)艙的噪聲基本控制在55 dB以下，且隨著技術(shù)的進(jìn)步還在不斷降低。

2.4 艦船內(nèi)裝新材料的研究與應(yīng)用

在艦船新材料的應(yīng)用方面，國外早已開展了廣泛研究。歐洲開展了EUCLID計(jì)劃（歐洲長期防御計(jì)劃），提出了海洋復(fù)合材料的生存性、耐久性和實(shí)用性，而艦船內(nèi)裝材料作為海洋復(fù)合材料的一類，也得到了重視。美國海軍研究院（USNA）通過使用先進(jìn)的艦船復(fù)合材料來滿足實(shí)際需求，并于上世紀(jì)90年代開始建立專門從事艦船復(fù)合材料設(shè)計(jì)的海軍研究隊(duì)伍。

3 國內(nèi)現(xiàn)狀

隨著我國海軍裝備事業(yè)的不斷發(fā)展，艦船生活保障水平不斷提高，艦船艙室環(huán)境工程研究工作也取得了較大進(jìn)展。但我國艦船設(shè)計(jì)因長期受前蘇聯(lián)的影響，對(duì)生活艙室環(huán)境的重視不足，對(duì)艦員生活條件的關(guān)注力度不夠，導(dǎo)致現(xiàn)役艦船的艙室環(huán)境未能達(dá)到理想狀態(tài)，具體表現(xiàn)為艙室的溫、濕度不適宜、振動(dòng)噪聲條件差、艙室微環(huán)境不理想等。針對(duì)艙室的環(huán)境問題，組織對(duì)某支隊(duì)進(jìn)行了調(diào)研，其中約有1/3的艦員認(rèn)為艙室內(nèi)噪聲問題嚴(yán)重，其次便是室內(nèi)溫度與異味，以及濕度與衛(wèi)生條件（圖3）。調(diào)查結(jié)果顯示，現(xiàn)役艦船的艙室環(huán)境與艦員的實(shí)際需求還有一定的差距，仍存在一定的改善空間。

圖3 某艦船艙室環(huán)境總體狀況調(diào)查Fig.3 Statisticsof cabin environmentofa real ship

首先，艦船艙室環(huán)境的綜合研究水平還有待提高。

目前，我國艦船艙室環(huán)境研究主要著眼于各項(xiàng)單一性能的研究，如空氣環(huán)境、噪聲控制、內(nèi)裝等，并已在所關(guān)心的研究方面取得了一定的突破，如利用CAE手段實(shí)現(xiàn)船舶人員聚集區(qū)空調(diào)送風(fēng)模式的優(yōu)選［5］、應(yīng)用多孔材料進(jìn)行艙室的減振降噪［6］、提出從防火角度出發(fā)的船舶內(nèi)裝設(shè)計(jì)方法等［7］。但因各研究之間相對(duì)孤立，導(dǎo)致各方面優(yōu)化后的綜合效果并未達(dá)到期望的目標(biāo)。特別是在振動(dòng)噪聲及艙內(nèi)空氣環(huán)境方面，大多只能滿足規(guī)范的要求［8-9］，仍存在噪聲較大、空氣品質(zhì)較差等問題，會(huì)對(duì)艦員的新陳代謝、中樞神經(jīng)和心理造成影響，從而直接影響到艦員的健康和部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力［10］。因此，需要借鑒國外的艦船艙室環(huán)境設(shè)計(jì)理念［11］，在結(jié)合我國人員的生活習(xí)慣及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，從艦員的心理出發(fā)，應(yīng)用人機(jī)工程學(xué)的方法來綜合改善我國艦船艙室環(huán)境。

其次，艦船內(nèi)裝材料的研究水平落后。主要表現(xiàn)在以下幾方面：

1）所使用的材料單一。目前，我國內(nèi)裝材料大多采用復(fù)合巖棉板，該材料的容重較大，導(dǎo)熱性能一般，與國外同類內(nèi)裝材料相比，不僅占用了更多寶貴的內(nèi)部空間，而且在一定程度上還增加了艦船的重量。

2）缺少適用于艦船的內(nèi)裝材料。我國艦船目前所采用的內(nèi)裝材料主要為成熟的市場(chǎng)品，缺少專門針對(duì)艦船的應(yīng)用需求而開發(fā)的新材料，使得艦船輕量化設(shè)計(jì)系統(tǒng)理論和優(yōu)化手段與艦船的實(shí)際要求有一定的差距。

3）目前，我國艦船艙室涂料仍以傳統(tǒng)的溶劑型產(chǎn)品為主，在這些傳統(tǒng)的溶劑型涂料中，含有大量的苯類、酮類等溶劑，在涂料的固化和干燥過程中，這些溶劑會(huì)不斷揮發(fā)，若艙室通風(fēng)不良，就會(huì)導(dǎo)致艙內(nèi)空氣質(zhì)量不合格，影響健康。

4 改進(jìn)意見及建議

1）開展艙室環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研究，從根本上提出新的艙室環(huán)境要求。

近年來，隨著“以人為本”觀念的不斷深入人心，以及針對(duì)有關(guān)艙室環(huán)境涌現(xiàn)出的大量新技術(shù)、新材料和新工藝，使得艦船艙室環(huán)境的設(shè)計(jì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也提出了新的要求。要達(dá)到以人為本的要求，就應(yīng)根據(jù)新的情況，從根本上對(duì)舊有的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行研究，提出新的艦船居住性指標(biāo)體系，規(guī)范艙室設(shè)計(jì)。

2）積極開展對(duì)現(xiàn)役艦船的調(diào)研工作，有針對(duì)性地提出艙室環(huán)境改進(jìn)工作。

隨著現(xiàn)役艦船服役時(shí)間的增長，都將面臨現(xiàn)代化改裝的局面，可結(jié)合現(xiàn)代化改裝來改善艙室環(huán)境條件。為此，應(yīng)有針對(duì)性地對(duì)現(xiàn)役艦船進(jìn)行全面、深入的調(diào)研，聽取使用部隊(duì)的意見，發(fā)現(xiàn)在設(shè)計(jì)過程中未注意到的使用問題，提出改進(jìn)意見和措施。

3）積極借鑒、引進(jìn)國外先進(jìn)的艙室環(huán)境設(shè)計(jì)理念、技術(shù)及施工工藝，提高設(shè)計(jì)制造水平。

借鑒和引進(jìn)國外先進(jìn)的艙室環(huán)境設(shè)計(jì)理念、技術(shù)及施工工藝是快速提高我國艙室環(huán)境設(shè)計(jì)水平的一條捷徑，例如，可以有針對(duì)性地對(duì)國外的設(shè)計(jì)理念、技術(shù)及施工工藝進(jìn)行專題研究，按照輕重緩急的程度，有目的、有重點(diǎn)地引進(jìn)一部分國外成功的先進(jìn)技術(shù)。

4）運(yùn)用現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)手段和工具，提高設(shè)計(jì)效率。

艙室環(huán)境是一個(gè)客觀現(xiàn)實(shí)的環(huán)境，但又離不開人的主觀判斷。為解決艙室環(huán)境的設(shè)計(jì)問題，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，將計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)與艙室環(huán)境工程相結(jié)合已成為現(xiàn)實(shí)。例如，對(duì)于設(shè)計(jì)過程中的艦船，可根據(jù)設(shè)計(jì)方案建立一系列的模型（如空氣流通模型），利用模型計(jì)算出氣流的流量及新風(fēng)的比例等，然后對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求提出氣流優(yōu)化組織方案，對(duì)原設(shè)計(jì)方案提出改進(jìn)建議［12］；對(duì)于艙室環(huán)境的空間、色彩和燈光照度，可通過計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境并結(jié)合圖像處理技術(shù)，較真實(shí)地再現(xiàn)艙室環(huán)境的設(shè)計(jì)成果，為人們提供一種較直觀的視覺效果，然后再根據(jù)人們的判斷以及對(duì)設(shè)計(jì)成果的意見和建議對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改和完善［13-14］。這樣一方面可節(jié)省大量的人力、物力和財(cái)力，另一方面還可減少不必要的失誤，大大提高設(shè)計(jì)效率。

5）運(yùn)用環(huán)保型新型高性能內(nèi)裝材料，改善艦船艙室環(huán)境。

隨著我國海軍藍(lán)海戰(zhàn)略目標(biāo)的逐步實(shí)現(xiàn)，一方面，艦船在海上持續(xù)航行的時(shí)間會(huì)越來越長，另一方面，有關(guān)國際嚴(yán)苛的法律也將對(duì)我國艦船提出較高要求。在艙室內(nèi)裝方面，應(yīng)采用環(huán)保型新型高性能內(nèi)裝材料，例如，新型的降噪和隔音材料可以極大地降低艙室噪聲，改善艦上聲環(huán)境；硅化納米熱絕緣材料具有很好的隔熱效果，并且沒有毒性；新型環(huán)保型板材及家具等釋放出的有害氣體極低。環(huán)保型新材料的應(yīng)用一方面可以減少對(duì)艦員身心健康的影響，另一方面也符合相關(guān)法律法規(guī)的要求。

6）加大科研和制造工作的管理力度，保證艙室內(nèi)裝質(zhì)量。

首先，要加強(qiáng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和新技術(shù)理論的學(xué)習(xí)，在進(jìn)行工程質(zhì)量監(jiān)督時(shí)能以理服人，以數(shù)據(jù)說明問題。同時(shí)，面對(duì)工程中出現(xiàn)的問題，還可以為相關(guān)廠家提供解決參考方案。

其次，要加大監(jiān)管力度，嚴(yán)把設(shè)計(jì)關(guān)、科研關(guān)、設(shè)備關(guān)和質(zhì)量關(guān)。

再次，要加強(qiáng)對(duì)艦船內(nèi)裝材料的安全性檢測(cè)和生產(chǎn)，以及使用期間的跟蹤與管理。

最后，要積極溝通聯(lián)系。一方面，可以及時(shí)掌握現(xiàn)役艦船在實(shí)際使用過程中出現(xiàn)的一些問題，避免老問題在新造艦船中重復(fù)出現(xiàn)；另一方面，可及時(shí)了解部隊(duì)需求，以便在新建艦船中予以落實(shí)。

6 結(jié) 語

我國針對(duì)新一代艦船開展了生活設(shè)施改進(jìn)提高等工作，使其艙室環(huán)境有了大幅提高，但與國外海軍相比，仍有差距。要徹底解決艙室環(huán)境問題，就要本著“以人為本”的原則，既要從工程設(shè)計(jì)與藝術(shù)設(shè)計(jì)相結(jié)合的角度進(jìn)行綜合、系統(tǒng)的研究，也要從材料與工藝相結(jié)合的角度進(jìn)行系統(tǒng)化、專業(yè)化的研究。綜合考慮，均衡協(xié)調(diào)各因素間的關(guān)系，全局把握艦船整體艙室環(huán)境問題，并最終依靠科學(xué)的方法、先進(jìn)的工藝設(shè)備來解決我國艦船面臨的艙室環(huán)境問題。

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