基于物元法的船舶夜航光環(huán)境評價

黃 成，阮光輝，馬 野，朱金善

(大連海事大學(xué)航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

基于物元法的船舶夜航光環(huán)境評價

黃 成，阮光輝，馬 野，朱金善

(大連海事大學(xué)航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

為了科學(xué)、合理地評價船舶夜航光環(huán)境質(zhì)量，更好地治理海上光污染、保障船舶夜航安全。通過文獻(xiàn)分析并結(jié)合專家訪談結(jié)果，篩選出相應(yīng)的評價指標(biāo)，引入李克特量表法構(gòu)建船舶夜航光環(huán)境評價量表，采用物元綜合評價法對船舶夜航光環(huán)境進(jìn)行客觀評價，即在確定船舶夜航光環(huán)境經(jīng)典域和節(jié)域的基礎(chǔ)上，根據(jù)待評光環(huán)境中評價指標(biāo)的具體數(shù)值，計算對應(yīng)評價區(qū)間的關(guān)聯(lián)度大小以確定海上光污染等級。然后，選取杭州灣跨海大橋水域進(jìn)行實例評價，得出主航道橋區(qū)水域光污染等級為III，海中平臺水域光污染等級為III，南、北引橋水域光污染等級為II。本文建立的船舶夜航光環(huán)境評價體系，不僅適用于跨海大橋水域，還可廣泛應(yīng)用于港口、航道等其他水域的光環(huán)境評價。

船舶夜航；物元法；光環(huán)境評價；跨海大橋水域；海上光污染

引言

相比于水污染、土壤污染和空氣污染等研究較成熟的物理性污染，光污染問題的研究滯后了許多[1]。光污染問題的首次提出是在20世紀(jì)30年代，由于夜間天空強(qiáng)烈的背景燈光對天文家觀測星空造成了負(fù)面影響，光污染逐漸受到人們的重視[2]。在陸地上，光污染是指過量的光輻射對人類生活和生產(chǎn)環(huán)境造成不良影響的現(xiàn)象[3]。隨著濱海城市景觀燈光建設(shè)進(jìn)程加快和燈光捕魚技術(shù)的廣泛應(yīng)用，光污染問題也就延伸到了海上，形成了海上光污染。

信號燈是船舶夜航避碰的主要信息來源之一。通過對他船信號燈的識別，可以獲取其船舶類型、尺度以及航行動態(tài)等信息，并且還可以作為判斷他船航向、兩船間會遇局面以及是否存在碰撞危險的依據(jù)之一[4]。

由于夜間燈具亮度、色彩及布置位置的不合理，其產(chǎn)生的海上光污染嚴(yán)重影響信號燈的可識別性和駕駛?cè)藛T視覺績效，繼而無法保障船舶夜間航行的安全，因此對船舶夜航光環(huán)境的評價顯得尤為必要，而現(xiàn)有光環(huán)境評價的研究多為道路照明或生活居住區(qū)照明，如：文獻(xiàn)[5-6]用層次分析法對教室光環(huán)境和住宅室內(nèi)光環(huán)境進(jìn)行了評價，該方法簡單實用，缺點是主觀性強(qiáng)，難有很強(qiáng)的說服力；文獻(xiàn)[7-8]用模糊綜合評價法對天津市居住區(qū)和蘇州道路照明進(jìn)行了光污染評價，該方法將模糊指標(biāo)量化，可以利用隸屬度大小直觀地得出評價結(jié)果，缺點是計算復(fù)雜，對指標(biāo)權(quán)重矢量的確定主觀性較強(qiáng)。相比于上述兩種方法，物元法將模糊集理論的[0,1]閉區(qū)間連續(xù)取值，拓寬到[-∞，+∞]實數(shù)軸，將物元量值表述為實數(shù)軸上的某一點，更能客觀地反映事物的實質(zhì)，從而減弱主觀因素的影響。文獻(xiàn)[2]以對行車安全的影響程度為評價目標(biāo)，采用物元法對城市光污染進(jìn)行了客觀地評價，在成都市四條道路的光污染評價中與實際情況取得了較好的一致性。因此，本文從影響信號燈可識別性和駕駛?cè)藛T視覺績效的光環(huán)境因素出發(fā)，引入李克特量表法構(gòu)建船舶夜航光環(huán)境的評價量表，并采用物元綜合評價法對每個特征指標(biāo)進(jìn)行定量分析，通過計算關(guān)聯(lián)度確定評價等級，力求評價結(jié)果更客觀、準(zhǔn)確。

1 光污染對船舶夜航安全的影響

1.1 海上光污染的來源

海上光污染是指海濱城市夜間照明、海上燈光捕魚等作業(yè)照明所產(chǎn)生的逸散光、反射光和眩光等對人、海洋生物造成干擾或負(fù)面影響的現(xiàn)象[9]。

海上光污染主要發(fā)生在海上或與之相連接且可供海船航行的水域，其污染源主要有濱海城市的夜景燈光、漁船的誘魚燈光、船舶的錨泊燈光、碼頭作業(yè)照明、橋梁照明以及海上工程作業(yè)照明等[10]，其影響對象包括船舶夜航安全和海洋生物。

1.2 光污染對船舶夜航安全的影響

相對于船舶白天的通航安全而言，海上光環(huán)境質(zhì)量是影響船舶夜航安全的主要因素。海上光污染對船舶夜航安全的影響主要體現(xiàn)在對信號燈可識別性和駕駛?cè)藛T視覺績效的影響兩個方面，其主要影響形式如下：

1)亮度、色彩及形狀相似的干擾燈具會造成駕駛?cè)藛T對信號燈的誤認(rèn)；

2)由于空間亮度對比過大產(chǎn)生的眩光會使駕駛?cè)藛T短暫性的失明從而影響船舶夜航駕駛?cè)藛T正常的視覺瞭望；

3)高頻率閃爍的燈光會影響駕駛?cè)藛T的視覺績效；

4)亮度不均勻和色彩種類過多的光環(huán)境會導(dǎo)致駕駛?cè)藛T視覺疲勞；

5)海面高亮度的反射光會影響駕駛?cè)藛T的暗適應(yīng)時間。

此外，上述污染光源形成的強(qiáng)烈背景燈光會降低信號燈的亮度對比度與顏色對比度，從而影響信號燈的可識別性[11]。

2 船舶夜航光環(huán)境評價模型

2.1 評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

船舶夜航光環(huán)境是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，由許多相互影響相互制約的因素組成。隨著濱海城市夜間活動的增多、碼頭夜間作業(yè)的繁忙以及海上工程船舶數(shù)量的增多，致使光環(huán)境中污染因素更為復(fù)雜。為了篩選出能全面反映海上光污染程度的船舶夜航光環(huán)境評價指標(biāo)，在遵循“主導(dǎo)性、可操作性及覆蓋面廣”的評價指標(biāo)選取原則上[12]，引入李克特量表法來構(gòu)建船舶夜航光環(huán)境的評價量表，見表1。

表1 船舶夜航光環(huán)境評價量表

以對信號燈的可識別性和駕駛?cè)藛T視覺績效的影響程度為評價目標(biāo)，將各項目評價分為“影響可忽略”、“影響輕微”、“影響一般”、“影響較大”、“影響嚴(yán)重”共5個評價等級，分別對應(yīng)“5”、“4”、“3”、“2”、“1”這5個分值。通過查閱其他領(lǐng)域關(guān)于光環(huán)境評價指標(biāo)權(quán)重的確定可知，文獻(xiàn)[2、3、5、9]在陸上光污染和海上光污染評價方面取得了較好的成果。因此我們借鑒上述文獻(xiàn)已有的研究成果進(jìn)行對比分析，并結(jié)合專家訪談結(jié)果，最終確定各指標(biāo)的權(quán)重和等級，如表2所示。

2.2 物元理論評價模型

物元分析(Matter Element Analysis)是解決在某些特定條件下無法達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的不相容問題的一種分析方法。它是根據(jù)某個事物特征值的大小來判斷所屬某個集合的程度，用關(guān)聯(lián)函數(shù)的大小來衡量元素和集合的關(guān)系[13]。

事物N具有特征c，其值為x，則由N，c，x構(gòu)成的有序三元組R=(N,c,x)作為描述事物的基本元，簡稱物元。事物的名稱N，特征c和量值x稱為物元R的三要素。如果事物N具有多個特征，可用n個特征C=[c1,…,cn]及相應(yīng)的量值X=[x1,…,xn]描述，則稱物元R為n維物元，C是特征向量，X是特征向量的量值，可表示為

表2 評價指標(biāo)權(quán)重和評價等級

2.2.1 確定經(jīng)典域物元矩陣

經(jīng)典域物元矩陣可表示為

式中Nj為所劃分的j個光環(huán)境對應(yīng)船舶夜航安全的評價等級(j=1～5)，Ci為評價光環(huán)境的5個特征指標(biāo)，分別為信號燈誤導(dǎo)、眩光干擾、閃頻污染、光導(dǎo)致疲勞及反射光。xji=〈aji,bji〉分別為每個評價等級Nj關(guān)于特征指標(biāo)Ci所規(guī)定的量值范圍，即光環(huán)境評價等級對應(yīng)每個特征指標(biāo)所取得的數(shù)值范圍(經(jīng)典域)。

2.2.2 確定節(jié)域

節(jié)域是指篩選的評價指標(biāo)能滿足的基本要求，包括標(biāo)準(zhǔn)事物和可轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)事物的事物。其物元矩陣為

式中P表示海上光環(huán)境評價等級的全體；Ci表示評價等級全體的特征指標(biāo)；xpi表示P關(guān)于Ci所取得量值的范圍，即節(jié)域〈api,bpi〉，xpi的取值包括光環(huán)境不同等級的量值范圍。

2.2.3 確定待評物元

對于待評價的海上光環(huán)境，可將現(xiàn)場實測的定量數(shù)據(jù)和無法量化的定性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為“5分制”后用物元R0表示，可得到待評物元，如下：

式中，P0表示光環(huán)境評價等級；Xi表示P0關(guān)于Ci的量值，即評價海上光環(huán)境等級時所得到的具體數(shù)據(jù)。

2.2.4 計算關(guān)聯(lián)函數(shù)

海上光環(huán)境對應(yīng)評價等級的關(guān)聯(lián)度如下：

式中，

確定海上光環(huán)境對應(yīng)評價等級的綜合關(guān)聯(lián)度如下：

式中，Kj(P0)為待評光環(huán)境P0關(guān)于船舶夜航安全評價第j級的綜合關(guān)聯(lián)度；wi為評價等級i的權(quán)重分配系數(shù)，其具體數(shù)值見表2。

2.2.5 評價等級的確定

若Kj=max{Kj(P0)}(j=1,2,…，n),則P0的光環(huán)境等級為第j級。當(dāng)0≤Kj(P0)<1時，表示被評價光環(huán)境符合標(biāo)準(zhǔn)對象要求的程度，數(shù)值越大吻合度越高；當(dāng)-1

3 杭州灣跨海大橋水域光環(huán)境評價

3.1 杭州灣跨海大橋概況

杭州灣跨海大橋北起浙江嘉興海鹽鄭家埭，南至浙江寧波慈溪水陸灣，橫跨杭州灣水域，全長36 km[14]。大橋兩側(cè)共有路燈1 800余盞，按40米左右的間隔分布在大橋的各個地段，每隔5千米左右，噴涂不同顏色的防撞欄桿，按赤橙黃綠青藍(lán)紫的順序依次排列[15]。此外，為了突顯出跨海大橋的氣勢和雄姿，以“跨海銀龍”為主題，景觀燈的布置主要表現(xiàn)在3部分：銀龍?zhí)胶?南、北引橋)、金三角之門(主航道橋)、海上明珠(海中平臺)[16]，其光環(huán)境如圖1、圖2所示[4]。

圖1 南北引橋及主航道橋光環(huán)境Fig.1 The light environment of the main channel bridge with the south and north bridge

圖2 海中平臺光環(huán)境Fig.2 The light environment of the sea platform

為了塑造雄偉的跨海大橋形象，杭州灣跨海大橋在景觀燈的設(shè)計上得到了廣泛的認(rèn)可，但對于航經(jīng)該大橋附近水域的船舶而言并非如此，進(jìn)出杭州港、上虞港以及乍浦港的船舶都需要經(jīng)過或穿越跨海大橋[17]，而燈火輝煌的跨海大橋?qū)σ购酱暗男盘枱艨勺R別性和駕駛?cè)藛T視覺績效都造成了不良影響。因此，作為海上光污染來源之一，對杭州灣跨海大橋水域的光環(huán)境評價具有一定的代表性。

3.2 光環(huán)境評價

根據(jù)杭州灣跨海大橋的光環(huán)境布置情況，可將杭州灣跨海大橋分為三部分，即銀龍?zhí)胶?南、北引橋)、海上明珠(海中平臺)和金三角之門(主航道橋)，進(jìn)行各橋段的光環(huán)境對船舶夜航安全的影響評價，其評價結(jié)果如表3所示。

表3 杭州灣跨海大橋光環(huán)境評價結(jié)果

根據(jù)船舶夜航光環(huán)境評價模型，分別對各個橋段的光環(huán)境污染程度進(jìn)行計算，得出跨海大橋3個橋段的光環(huán)境對船舶夜航安全影響的評價結(jié)果如表4所示。

表4 各評價等級的關(guān)聯(lián)度

由表4可知，杭州灣跨海大橋各橋段光環(huán)境對船舶夜航安全的影響程度如下：主航道橋的光環(huán)境對船舶夜航安全影響程度為III級；海中平臺的光環(huán)境對船舶夜航安全影響程度為III級；南、北引橋的光環(huán)境對船舶夜航安全影響程度為II級。

比較各橋段對應(yīng)所屬關(guān)聯(lián)度可知，由于展示夜間跨海大橋形象的“海上明珠”這一景點光環(huán)境色彩與亮度突出、主航道橋兩側(cè)的扇形燈光亮度過大，因此這兩處的光環(huán)境對船舶夜航安全影響的程度比南、北引橋更為嚴(yán)重。雖然主航道橋和海中平臺的評價等級都為III，但海中平臺的關(guān)聯(lián)度比主航道橋高，這說明在相同條件下海中平臺比主航道橋產(chǎn)生的光環(huán)境對船舶夜航安全的影響要大。此結(jié)果與實際的景觀燈布置情況相符，有較好的一致性。

4 結(jié)論

在分析海上光環(huán)境對船舶夜航安全的影響形式的基礎(chǔ)上，我們結(jié)合文獻(xiàn)對比與專家訪談結(jié)果確定相應(yīng)評價指標(biāo)，引入李克特量表法將定性數(shù)據(jù)定量化，使得船舶夜航光環(huán)境的評價更加直觀、準(zhǔn)確；將物元綜合評價法應(yīng)用到船舶夜航光環(huán)境的評價，通過計算光環(huán)境指標(biāo)的量值對應(yīng)所屬區(qū)間的關(guān)聯(lián)度，從而判斷光環(huán)境對船舶夜航安全的影響等級。

通過對杭州灣跨海大橋水域的船舶夜航光環(huán)境評價，得出南、北引橋的光環(huán)境對船舶夜航安全的影響等級為II，主航道橋和海中平臺對船舶夜航安全的影響等級為III；可以根據(jù)評價結(jié)果找出跨海大橋照明設(shè)計中對船舶夜航安全有影響的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)而為規(guī)避這一影響、改進(jìn)跨海大橋燈具照明提供參考依據(jù)。本文建立的船舶夜航光環(huán)境評價模型，可廣泛應(yīng)用于其他水域的船舶夜航光環(huán)境評價，進(jìn)而控制海上光污染對船舶夜航安全的影響，具有一定的理論意義與實用價值。

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LightEnvironmentEvaluationofShipsNavigationatNightBasedonMatterElementMethod

HUANG Cheng，RUAN Guanghui，MA Ye，ZHU Jinshan
(NavigationCollege，DalianMaritimeUniversity，Dalian116026，China)

To the purpose of scientifically and rationally evaluating the light environment quality of the ships navigation at night is to control the light pollution at sea and ensure the safety of the ships navigation at night.Through the literature analysis and expert advices，the corresponding evaluation indexes were screened out.The Likert scale and Matter Element method was used to evaluate the light environment of the ships navigation at night objectively,based on the classical and regional domains of the light environment，the correlation grade of the corresponding evaluation interval was calculated according to the specific value of the evaluation index in the light environment to determine the pollution level of the sea.Then，the Hangzhou Bay Bridge is selected as the example，whose light pollution level of the main channel bridge is III，and the pollution level of the sea platform is III，and the light pollution level in the south and north bridge is II.The light environment of ships navigation at night evaluation system not only applies to the waters of cross-sea bridge，but also can widely be used in port，waterway and other waters of the light environment evaluation.

ships navigation at night；matter element；light environment evaluation；cross-sea bridge waters；light pollution at sea

國家自然科學(xué)基金項目(項目編號51309043)

朱金善，E-mail：zjinshan888@126.com

X828

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.06.014

第十四屆中國國際半導(dǎo)體照明論壇暨2017國際第三代半導(dǎo)體論壇在北京舉辦

2017年11月1日，第十四屆中國國際半導(dǎo)體照明論壇暨 2017國際第三代半導(dǎo)體論壇開幕大會在北京順義隆重召開。大會緊扣時代發(fā)展脈搏與產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，以“協(xié)同創(chuàng)新 融通發(fā)展”為主題，來自海內(nèi)外半導(dǎo)體照明，第三代半導(dǎo)體及相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者、企業(yè)領(lǐng)袖、行業(yè)機(jī)構(gòu)領(lǐng)導(dǎo)以及相關(guān)政府官員的積極參與，共同論道產(chǎn)業(yè)發(fā)展。會期持續(xù)兩天半，開幕式當(dāng)天近千人參與。

作為半導(dǎo)體照明領(lǐng)域一年一度的國際盛會，SSLCHINA系列論壇到2017年已是第十四屆，論壇緊扣時代發(fā)展脈搏與產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，具有極高的知名度，更是行業(yè)發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)，引領(lǐng)全球半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展新趨勢。國際第三代半導(dǎo)體論壇(IFWS)是第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在中國地區(qū)的年度盛會，也是引領(lǐng)全球第三代半導(dǎo)體新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)、技術(shù)、人才、資金、政策合力發(fā)展的全球性、全產(chǎn)業(yè)鏈合作的高端平臺和高層次綜合性論壇。大會由國際半導(dǎo)體照明聯(lián)盟(ISA)主席、中國科技部原副部長曹健林擔(dān)任大會中方主席。國際照明委員會(CIE)主席、美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所傳感器科學(xué)部首席研究員Yoshi OHNO擔(dān)任大會外方主席。科技部高新司副司長曹國英主持了開幕式第一環(huán)節(jié)。

此次兩大國際論壇由北京市順義區(qū)人民政府、第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟(CASA)和國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(CSA)主辦，中關(guān)村科技園區(qū)順義園管理委員會、北京半導(dǎo)體照明科技促進(jìn)中心、北京麥肯橋新材料生產(chǎn)力促進(jìn)中心有限公司承辦，得到了科技部、發(fā)改委、國標(biāo)委和北京市科委等主管部門的大力支持。

出席開幕式的領(lǐng)導(dǎo)嘉賓有：北京市委常委、副市長、市政府黨組成員陰和俊，大會中方主席、國際半導(dǎo)體照明聯(lián)盟主席，科技部原副部長曹健林，大會外方主席、國際照明委員會CIE主席、美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所傳感器科學(xué)補(bǔ)首席研究員Yoshi Ohno，北京市政府副秘書長劉印春，科技部國際合作司司長葉冬柏，發(fā)改委國家節(jié)能中心主任徐強(qiáng)，科技部火炬中心副主任盛延林，科技部高技術(shù)中心副主任卞曙光，中國科學(xué)院院士、南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院教授鄭有炓，中國科學(xué)院院士、中科院徽電子所研究員劉明，悉尼大學(xué)名譽教授、ISA理事會成員Warren Julian，美國智能照明工程技術(shù)研究中心主任、美國倫斯勒理工學(xué)院教授Robert F. Karlicek，北京市科委黨組成員、副主任張繼紅，中關(guān)村管委會委員、河北保定市委常委、副市長劉航，北京市經(jīng)信委黨組成員、副主任孔磊，北京市順義區(qū)黨委書記王剛，北京市順義區(qū)委副書、順義區(qū)政府黨組書記、區(qū)長高朋，北京市順義區(qū)委常委、副區(qū)長、中關(guān)村科技園順義區(qū)管委會主任初軍威，廣東省科技廳黨組成員、副廳長楊軍，中國照明學(xué)會理事長邴樹奎，副理事長高飛，秘書長竇林平，中國光學(xué)光電子行業(yè)協(xié)會秘書長王琳。