航標燈亮度環境自適應智能調節關鍵技術研究

王俊文+張偉+安小剛

摘 要：現行的航標燈需要人工調節亮度，不能自適應地隨能見度的變化而變化。針對這一問題，提出根據自然環境的可見度自適應智能調節航標燈的亮度，研究航標燈亮度自適應調節算法。最后利用該算法推算出根據不同能見度水平，在航行需要的觀測距離與人眼觀測合適接收照度的綜合約束下，亮度自適應調節航標燈可具備200～5000lx的可調節發光照度范圍，從而為如何選擇航標燈提供參考。

關鍵詞：航標燈；自適應；亮度；能見度

中圖分類號：U644.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）11-0051-02

航標燈是船只安全通航的助航標志，是保障水路運輸暢通和船舶安全航行的重要設施。隨著現今經濟社會發展迅速，自然環境受到一定影響，在航道運輸環境中，霧霾等天氣時有發生。霧霾嚴重程度不一，通航環境能見度差別較大。航標燈作為助航標志，亮度太低，導致船員不易辨識；亮度過高，容易對船員造成炫目，影響駕駛，并且電能消耗很大。我國內河受豐水期和枯水期影響較大，當水位發生變化時，通航規則隨之發生調整。內河上的航標燈由于助航意義發生變化，燈質也需要隨之調整，每年這種人工更換航標燈的工作，造成人力、物力的浪費，同時，也增加了水上作業工作人員的安全隱患。

因此，為了保障航道通航安全，讓船員更及時地獲得助航信息，本文對航標燈亮度隨環境自適應調節的技術進行探索研究，從而解決在霧霾等低能見度航行條件下航標燈可視距離受限的問題。

1 航標燈應用研究現狀

上世紀末發達國家開始利用現代通訊技術和計算機技術建立航標遙控遙測系統，從采用無線電發射接收的方式進行通訊，到采用甚高頻無線電話接收發射，但這些方式抗干擾性差、遙測距離有限，未被廣泛推廣應用。隨著互聯網技術和無線通訊技術的發展，航標遙控遙測技術開始廣泛發展，并向著智能化、網絡化、標準化發展。

在航標燈硬件設備方面的研究，“航標燈王”鄭啟湘結合太陽能光電技術、LED照明技術、高能鋰電池組合技術、微電腦閃光控制技術等先進技術研制出太陽能一體化航標燈HD 100系列產品。到2008年，該新型航標燈在長江某些航道成功運行，取得非常明顯的助航效果，并于2009年又在長江航道上安裝3000盞，實現全線覆蓋。如今鄭啟湘團隊又研制出“HD155型”太陽能航標燈，達到了國際先進水平。

在航標燈信息化建設方面的研究，提出了基于GSM網絡短信業務的自動遙測系統，該系統雖然解決了傳統航標燈維護效率低的問題，但是航標的定位問題未得到解決，并且以短信業務傳輸消息的形式數據量小、費用高。采用衛星定位技術，對硬件系統設計進行改進，解決了智能航標燈的定位問題。結合智能航標燈應用的環境和功能需求，基于無線通信技術和衛星定位技術，設計了一套比較完整的智能航標燈遙測遙控系統，實現對航標燈的定位和監測。

目前，航標燈的研究在遙測遙報技術應用方面比較多，并且已經在航標智能化領域成功應用，但是在光學技術方面的研究并不多見。

本文結合光學特點和光學技術原理，根據大氣能見度狀況調節燈光亮度的變化，進行亮度自適應智能調節關鍵技術研究。

2 航標燈亮度自適應調節算法研究

航標燈作為助航標志，其亮度對航運引導起著至關重要的作用。在正常通航環境下，航標燈亮度不宜過高，以免造成船舶駕駛員炫目。但是當遇到能見度較低的天氣時，航標燈的可視距離降低，不能滿足正常的照度距離航標燈亮度自適應調節技術的起點需要研究燈光亮度在環境亮度與環境能見度的綜合影響下的標識效果，多種環境因素變化對人眼辨識航標燈的影響程度，需要通過量化計算探討環境能見度、航標燈光強度、人眼觀察距離與觀察效果之間的相對關系，得出調節原理，相當于調節依據的算法邏輯，進而分析自適應調節技術實現方式。。航標燈需要應對大氣能見度狀況調節燈光變化，調節原理與算法涉及到的光學物理量包括光強度、光通量與光照度。

燈器均具備參數定光光強與標稱射程，可調節亮度的燈光也具有出射光強與可達射程的變化閾值。自適應調節算法需要分析在任意給定的能見度條件下，燈光光強、觀測可達距離、觀測接收光強之間的函數關系。

本算法主要應用Allard定律、Kosehmieder定律、Lambert-Beer 定律等的光學原理。

方法中通過實時測量可得到大氣水平能見度V，根據大氣水平能見度公式：

3 航標燈亮度自適應調節技術應用研究

亮度自適應調節技術的應用主要在不同霧天能見度條件下，如何調整相應的航標燈出射光強，使得500～2000米觀測距離均能接受到適合辨認的燈光信號。

根據國家標準《霧的預報等級》，將霧的等級劃分為輕霧、霧、大霧、濃霧和強濃霧五個等級。航標燈發光強度基本需要滿足在強濃霧（大氣透光率小于10%）狀態下，濃霧（大氣透光率大于10%小于30%）狀態下，大霧（大氣透光率大于30% 小于50%）狀態下在500至2000米觀測距離內，在低背景亮度條件下，人眼觀測接收光線照度在10～50lx之間最為適合觀察到航標燈位置。

應用照度推算算法：

列表并計算：

綜上，根據不同能見度水平，在航行需要的觀測距離與人眼觀測合適接收照度的綜合約束下，亮度自適應調節航標燈可具備200～5000lx的可調節發光照度范圍，并應對能見度變化調節發光需求，可將表1作為應用調節的建議方案。

4 結語

依靠航標燈亮度自適應調節技術可實現助航燈光自適應的靈敏快速響應，替代人力管理勞作，減少工作延誤與錯誤，同時降低了功耗，提高了能源利用率，起到了節能的效果，實現航標燈的高效利用、安全實時監測，進一步促進航標事業的發展，保障特殊航段通航航運安全。

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