航标灯亮度环境自适应智能调节关键技术研究
王俊文+张伟+安小刚
摘 要：现行的航标灯需要人工调节亮度，不能自适应地随能见度的变化而变化。针对这一问题，提出根据自然环境的可见度自适应智能调节航标灯的亮度，研究航标灯亮度自适应调节算法。最后利用该算法推算出根据不同能见度水平，在航行需要的观测距离与人眼观测合适接收照度的综合约束下，亮度自适应调节航标灯可具备200～5000lx的可调节发光照度范围，从而为如何选择航标灯提供参考。
关键词：航标灯；自适应；亮度；能见度
中图分类号：U644.4 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2017）11-0051-02
航标灯是船只安全通航的助航标志，是保障水路运输畅通和船舶安全航行的重要设施。随着现今经济社会发展迅速，自然环境受到一定影响，在航道运输环境中，雾霾等天气时有发生。雾霾严重程度不一，通航环境能见度差别较大。航标灯作为助航标志，亮度太低，导致船员不易辨识；亮度过高，容易对船员造成炫目，影响驾驶，并且电能消耗很大。我国内河受丰水期和枯水期影响较大，当水位发生变化时，通航规则随之发生调整。内河上的航标灯由于助航意义发生变化，灯质也需要随之调整，每年这种人工更换航标灯的工作，造成人力、物力的浪费，同时，也增加了水上作业工作人员的安全隐患。
因此，为了保障航道通航安全，让船员更及时地获得助航信息，本文对航标灯亮度随环境自适应调节的技术进行探索研究，从而解决在雾霾等低能见度航行条件下航标灯可视距离受限的问题。
1 航标灯应用研究现状
上世纪末发达国家开始利用现代通讯技术和计算机技术建立航标遥控遥测系统，从采用无线电发射接收的方式进行通讯，到采用甚高频无线电话接收发射，但这些方式抗干扰性差、遥测距离有限，未被广泛推广应用。随着互联网技术和无线通讯技术的发展，航标遥控遥测技术开始广泛发展，并向着智能化、网络化、标准化发展。
在航标灯硬件设备方面的研究，“航标灯王”郑启湘结合太阳能光电技术、LED照明技术、高能锂电池组合技术、微电脑闪光控制技术等先进技术研制出太阳能一体化航标灯HD 100系列产品。到2008年，该新型航标灯在长江某些航道成功运行，取得非常明显的助航效果，并于2009年又在长江航道上安装3000盏，实现全线覆盖。如今郑启湘团队又研制出“HD155型”太阳能航标灯，达到了国际先进水平。
在航标灯信息化建设方面的研究，提出了基于GSM网络短信业务的自动遥测系统，该系统虽然解决了传统航标灯维护效率低的问题，但是航标的定位问题未得到解决，并且以短信业务传输消息的形式数据量小、费用高。采用卫星定位技术，对硬件系统设计进行改进，解决了智能航标灯的定位问题。结合智能航标灯应用的环境和功能需求，基于无线通信技术和卫星定位技术，设计了一套比较完整的智能航标灯遥测遥控系统，实现对航标灯的定位和监测。
目前，航标灯的研究在遥测遥报技术应用方面比较多，并且已经在航标智能化领域成功应用，但是在光学技术方面的研究并不多见。
本文结合光学特点和光学技术原理，根据大气能见度状况调节灯光亮度的变化，进行亮度自适应智能调节关键技术研究。
2 航标灯亮度自适应调节算法研究
航标灯作为助航标志，其亮度对航运引导起着至关重要的作用。在正常通航环境下，航标灯亮度不宜过高，以免造成船舶驾驶员炫目。但是当遇到能见度较低的天气时，航标灯的可视距离降低，不能满足正常的照度距离航标灯亮度自适应调节技术的起点需要研究灯光亮度在环境亮度与环境能见度的综合影响下的标识效果，多种环境因素变化对人眼辨识航标灯的影响程度，需要通过量化计算探讨环境能见度、航标灯光强度、人眼观察距离与观察效果之间的相对关系，得出调节原理，相当于调节依据的算法逻辑，进而分析自适应调节技术实现方式。。航标灯需要应对大氣能见度状况调节灯光变化，调节原理与算法涉及到的光学物理量包括光强度、光通量与光照度。
灯器均具备参数定光光强与标称射程，可调节亮度的灯光也具有出射光强与可达射程的变化阈值。自适应调节算法需要分析在任意给定的能见度条件下，灯光光强、观测可达距离、观测接收光强之间的函数关系。
本算法主要应用Allard定律、Kosehmieder定律、Lambert-Beer 定律等的光学原理。
方法中通过实时测量可得到大气水平能见度V，根据大气水平能见度公式：
3 航标灯亮度自适应调节技术应用研究
亮度自适应调节技术的应用主要在不同雾天能见度条件下，如何调整相应的航标灯出射光强，使得500～2000米观测距离均能接受到适合辨认的灯光信号。
根据国家标准《雾的预报等级》，将雾的等级划分为轻雾、雾、大雾、浓雾和强浓雾五个等级。航标灯发光强度基本需要满足在强浓雾（大气透光率小于10%）状态下，浓雾（大气透光率大于10%小于30%）状态下，大雾（大气透光率大于30% 小于50%）状态下在500至2000米观测距离内，在低背景亮度条件下，人眼观测接收光线照度在10～50lx之间最为适合观察到航标灯位置。
应用照度推算算法：
列表并计算：
综上，根据不同能见度水平，在航行需要的观测距离与人眼观测合适接收照度的综合约束下，亮度自适应调节航标灯可具备200～5000lx的可调节发光照度范围，并应对能见度变化调节发光需求，可将表1作为应用调节的建议方案。
4 结语
依靠航标灯亮度自适应调节技术可实现助航灯光自适应的灵敏快速响应，替代人力管理劳作，减少工作延误与错误，同时降低了功耗，提高了能源利用率，起到了节能的效果，实现航标灯的高效利用、安全实时监测，进一步促进航标事业的发展，保障特殊航段通航航运安全。
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