航標(biāo)燈亮度環(huán)境自適應(yīng)智能調(diào)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)研究

王俊文+張偉+安小剛

摘 要：現(xiàn)行的航標(biāo)燈需要人工調(diào)節(jié)亮度，不能自適應(yīng)地隨能見(jiàn)度的變化而變化。針對(duì)這一問(wèn)題，提出根據(jù)自然環(huán)境的可見(jiàn)度自適應(yīng)智能調(diào)節(jié)航標(biāo)燈的亮度，研究航標(biāo)燈亮度自適應(yīng)調(diào)節(jié)算法。最后利用該算法推算出根據(jù)不同能見(jiàn)度水平，在航行需要的觀測(cè)距離與人眼觀測(cè)合適接收照度的綜合約束下，亮度自適應(yīng)調(diào)節(jié)航標(biāo)燈可具備200～5000lx的可調(diào)節(jié)發(fā)光照度范圍，從而為如何選擇航標(biāo)燈提供參考。

關(guān)鍵詞：航標(biāo)燈；自適應(yīng)；亮度；能見(jiàn)度

中圖分類號(hào)：U644.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2017）11-0051-02

航標(biāo)燈是船只安全通航的助航標(biāo)志，是保障水路運(yùn)輸暢通和船舶安全航行的重要設(shè)施。隨著現(xiàn)今經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展迅速，自然環(huán)境受到一定影響，在航道運(yùn)輸環(huán)境中，霧霾等天氣時(shí)有發(fā)生。霧霾嚴(yán)重程度不一，通航環(huán)境能見(jiàn)度差別較大。航標(biāo)燈作為助航標(biāo)志，亮度太低，導(dǎo)致船員不易辨識(shí)；亮度過(guò)高，容易對(duì)船員造成炫目，影響駕駛，并且電能消耗很大。我國(guó)內(nèi)河受豐水期和枯水期影響較大，當(dāng)水位發(fā)生變化時(shí)，通航規(guī)則隨之發(fā)生調(diào)整。內(nèi)河上的航標(biāo)燈由于助航意義發(fā)生變化，燈質(zhì)也需要隨之調(diào)整，每年這種人工更換航標(biāo)燈的工作，造成人力、物力的浪費(fèi)，同時(shí)，也增加了水上作業(yè)工作人員的安全隱患。

因此，為了保障航道通航安全，讓船員更及時(shí)地獲得助航信息，本文對(duì)航標(biāo)燈亮度隨環(huán)境自適應(yīng)調(diào)節(jié)的技術(shù)進(jìn)行探索研究，從而解決在霧霾等低能見(jiàn)度航行條件下航標(biāo)燈可視距離受限的問(wèn)題。

1 航標(biāo)燈應(yīng)用研究現(xiàn)狀

上世紀(jì)末發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始利用現(xiàn)代通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)建立航標(biāo)遙控遙測(cè)系統(tǒng)，從采用無(wú)線電發(fā)射接收的方式進(jìn)行通訊，到采用甚高頻無(wú)線電話接收發(fā)射，但這些方式抗干擾性差、遙測(cè)距離有限，未被廣泛推廣應(yīng)用。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無(wú)線通訊技術(shù)的發(fā)展，航標(biāo)遙控遙測(cè)技術(shù)開(kāi)始廣泛發(fā)展，并向著智能化、網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。

在航標(biāo)燈硬件設(shè)備方面的研究，“航標(biāo)燈王”鄭啟湘結(jié)合太陽(yáng)能光電技術(shù)、LED照明技術(shù)、高能鋰電池組合技術(shù)、微電腦閃光控制技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)研制出太陽(yáng)能一體化航標(biāo)燈HD 100系列產(chǎn)品。到2008年，該新型航標(biāo)燈在長(zhǎng)江某些航道成功運(yùn)行，取得非常明顯的助航效果，并于2009年又在長(zhǎng)江航道上安裝3000盞，實(shí)現(xiàn)全線覆蓋。如今鄭啟湘團(tuán)隊(duì)又研制出“HD155型”太陽(yáng)能航標(biāo)燈，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

在航標(biāo)燈信息化建設(shè)方面的研究，提出了基于GSM網(wǎng)絡(luò)短信業(yè)務(wù)的自動(dòng)遙測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)雖然解決了傳統(tǒng)航標(biāo)燈維護(hù)效率低的問(wèn)題，但是航標(biāo)的定位問(wèn)題未得到解決，并且以短信業(yè)務(wù)傳輸消息的形式數(shù)據(jù)量小、費(fèi)用高。采用衛(wèi)星定位技術(shù)，對(duì)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，解決了智能航標(biāo)燈的定位問(wèn)題。結(jié)合智能航標(biāo)燈應(yīng)用的環(huán)境和功能需求，基于無(wú)線通信技術(shù)和衛(wèi)星定位技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套比較完整的智能航標(biāo)燈遙測(cè)遙控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)航標(biāo)燈的定位和監(jiān)測(cè)。

目前，航標(biāo)燈的研究在遙測(cè)遙報(bào)技術(shù)應(yīng)用方面比較多，并且已經(jīng)在航標(biāo)智能化領(lǐng)域成功應(yīng)用，但是在光學(xué)技術(shù)方面的研究并不多見(jiàn)。

本文結(jié)合光學(xué)特點(diǎn)和光學(xué)技術(shù)原理，根據(jù)大氣能見(jiàn)度狀況調(diào)節(jié)燈光亮度的變化，進(jìn)行亮度自適應(yīng)智能調(diào)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)研究。

2 航標(biāo)燈亮度自適應(yīng)調(diào)節(jié)算法研究

航標(biāo)燈作為助航標(biāo)志，其亮度對(duì)航運(yùn)引導(dǎo)起著至關(guān)重要的作用。在正常通航環(huán)境下，航標(biāo)燈亮度不宜過(guò)高，以免造成船舶駕駛員炫目。但是當(dāng)遇到能見(jiàn)度較低的天氣時(shí)，航標(biāo)燈的可視距離降低，不能滿足正常的照度距離航標(biāo)燈亮度自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)的起點(diǎn)需要研究燈光亮度在環(huán)境亮度與環(huán)境能見(jiàn)度的綜合影響下的標(biāo)識(shí)效果，多種環(huán)境因素變化對(duì)人眼辨識(shí)航標(biāo)燈的影響程度，需要通過(guò)量化計(jì)算探討環(huán)境能見(jiàn)度、航標(biāo)燈光強(qiáng)度、人眼觀察距離與觀察效果之間的相對(duì)關(guān)系，得出調(diào)節(jié)原理，相當(dāng)于調(diào)節(jié)依據(jù)的算法邏輯，進(jìn)而分析自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式。。航標(biāo)燈需要應(yīng)對(duì)大氣能見(jiàn)度狀況調(diào)節(jié)燈光變化，調(diào)節(jié)原理與算法涉及到的光學(xué)物理量包括光強(qiáng)度、光通量與光照度。

燈器均具備參數(shù)定光光強(qiáng)與標(biāo)稱射程，可調(diào)節(jié)亮度的燈光也具有出射光強(qiáng)與可達(dá)射程的變化閾值。自適應(yīng)調(diào)節(jié)算法需要分析在任意給定的能見(jiàn)度條件下，燈光光強(qiáng)、觀測(cè)可達(dá)距離、觀測(cè)接收光強(qiáng)之間的函數(shù)關(guān)系。

本算法主要應(yīng)用Allard定律、Kosehmieder定律、Lambert-Beer 定律等的光學(xué)原理。

方法中通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量可得到大氣水平能見(jiàn)度V，根據(jù)大氣水平能見(jiàn)度公式：

3 航標(biāo)燈亮度自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)應(yīng)用研究

亮度自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)的應(yīng)用主要在不同霧天能見(jiàn)度條件下，如何調(diào)整相應(yīng)的航標(biāo)燈出射光強(qiáng)，使得500～2000米觀測(cè)距離均能接受到適合辨認(rèn)的燈光信號(hào)。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《霧的預(yù)報(bào)等級(jí)》，將霧的等級(jí)劃分為輕霧、霧、大霧、濃霧和強(qiáng)濃霧五個(gè)等級(jí)。航標(biāo)燈發(fā)光強(qiáng)度基本需要滿足在強(qiáng)濃霧（大氣透光率小于10%）狀態(tài)下，濃霧（大氣透光率大于10%小于30%）狀態(tài)下，大霧（大氣透光率大于30% 小于50%）狀態(tài)下在500至2000米觀測(cè)距離內(nèi)，在低背景亮度條件下，人眼觀測(cè)接收光線照度在10～50lx之間最為適合觀察到航標(biāo)燈位置。

應(yīng)用照度推算算法：

列表并計(jì)算：

綜上，根據(jù)不同能見(jiàn)度水平，在航行需要的觀測(cè)距離與人眼觀測(cè)合適接收照度的綜合約束下，亮度自適應(yīng)調(diào)節(jié)航標(biāo)燈可具備200～5000lx的可調(diào)節(jié)發(fā)光照度范圍，并應(yīng)對(duì)能見(jiàn)度變化調(diào)節(jié)發(fā)光需求，可將表1作為應(yīng)用調(diào)節(jié)的建議方案。

4 結(jié)語(yǔ)

依靠航標(biāo)燈亮度自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)助航燈光自適應(yīng)的靈敏快速響應(yīng)，替代人力管理勞作，減少工作延誤與錯(cuò)誤，同時(shí)降低了功耗，提高了能源利用率，起到了節(jié)能的效果，實(shí)現(xiàn)航標(biāo)燈的高效利用、安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步促進(jìn)航標(biāo)事業(yè)的發(fā)展，保障特殊航段通航航運(yùn)安全。

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