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航标有效配布中基于能见度的性能评估
Tae Hyun Fang1, Yeon-Gyu Kim1, In-Young Gong2, Sekil Park1 and Ah-Young Kim1
1Korea Research Institute of Ships amp; Ocean Engineering (KRISO), Daejeon, Korea
2SafeT ech Research Inc., Daejeon, Korea
2014年9月19日2015年2月13日修订;2015年4月1日
摘要:为了发展放置助航设施这一具有挑战性的过程，我们提出了量化航标设置效果的性能指标。航标布置的最佳位置是航行人员能够最好地识别由航标提供信息的位置。航标的可见性能主要取决于光源、天气状况和航行人员的位置。视觉识别是通过在航标光源和背景光之间存在足够的对比度来实现的。因此，性能度量可以通过这两种光之间的差异量来制定。为实现方便简化，这一方法是根据国际航海和灯塔主管当局海事协助协会(IALA)所提出的人为因素的价值。航标布置的性能测量可以通过航标模拟器进行评估，该模拟器由韩国KIOST/KRISO开发，并由韩国国家研究项目启动。并在韩国釜山港航道进行了仿真评估。
AtoN：（Aids to Navigation导航设备，航标）
关键词:航标;布置;可见性;性能的测量;航标模拟器。
介绍：航标是一种附加的导航设备，它利用人类的视觉来通知航行人员，并能引导航行人员到达安全的水道。关于布置航标的问题，根据以前为安全航行所作调查定的标准，选定水道后应将航标放在何处。规则和专家的经验只是放置航标的指导原则。本文描述了一个放置航标所在的位置有何影响的初步的实验调查。航行人员对海图最大的要求是能见度，因为海图是人类视觉的附加装置。在这篇论文中，我们主要研究的是正在使用的大多数肉眼可以观察到的航标。
航标的能见度取决于光源、天气状况和航行人员在海上的位置。根据光源的发光强度，导航仪能够探测和识别的可见范围增大。与有雾的天气状况相比，晴朗的天气状况可以扩大可视范围。根据航行人员的位置(包括视平线)，由于地球的曲率，航标可能会受到地理范围背景光的干扰或视平线附近的其他卫星的影响。
从航标灯中发出的光在通过空气和空气中的微粒的过程中被弥散和吸收而减弱。因此，空气条件以及航标和导航仪之间的距离决定了衰减的实际水平。为了估计能见度，到达航行人员的光线被量化为光的入射或照度，并被称为“获得照度”时，可以通过肉眼来感知。
视觉识别是通过在目标光和背景光之间实现足够的对比度来实现的(ITU-R, 2007;Waldman和Wootton, 1992)。因此，两盏灯之间的照度差异使得目标光可以被识别出来。在这一事实的基础上，如果确定照度的阈值以包括背景光的影响，则可以将其作为与获得的照度进行比较的标准。照度的阈值可由识别所需的最低照度定义，称为“所需要的照度”。因此，如果获得的照度大于所需的照度，航行人员可以在视觉上识别出航标。
航标的布置效果可以通过可见性的性能度量来量化，可见性必须包含所有航标的可见性，这取决于它们的布置。能见度可以用获得的照度超过所需照度来描述。因此，可见性的性能度量可以包括所有航标考虑的照度差异的总量。
对于可见性性能指标的评价，通过Simulator航标公司(Kim et al.2013)和韩国KIOST/KRISO公司开发、韩国国家研究计划(Korea National Research Program)启动的航标布置进行了对性能指标的仿真计算(航标放置)。为了进行合理的模拟，航标是从韩国釜山港预先安装的航标中选择的。之后将仿真结果应用于实例，对该方法进行了评价。
本文是根据前人研究的拓展(Fang, et al.,2013;2014)。
所需照度的预测
国际航海及灯塔辅助协会(IALA)推荐的识别航标所需的照度(IALA推荐，2008)。它不是指航行人员能够计算出航标存在的数量，而是指一个能够计算出航标的指令的数量。航标的可见性是假设如果航行人员视觉上获得的照度大于所需的照度，航行人员就可以识别航标所通知的内容。
夜间所需要的照度为2times;10-7lux（勒克斯，照明单位），白天为1times;10-3lux。一个晚上是基于没有背景光的假设情况。1天是根据气象条件晴朗有云的假设情况。
由于视觉识别是通过有效的光源与背景光之间的光对比度来进行的，所以需要通过包含背景光的效果来补偿夜间所需的照度。所需的照度必须根据背景光的状态来确定。背景光的状态主要随着背景光的存在、分布面积和光源强度的变化而变化。
在没有背景光的情况下，所需提供的照度为2times;10-7lux，而对于较小的背景光，建议使用2times;10-6lux，对于较大的背景光，则建议使用2times;10-5lux(IALA建议书，2008)。设Et为lux所需的照度，prb为背景光的比值。prb定义为利用背景光的影响，其范围为0到1。定义无背景光时对应prb =0;小背景光和大背景光分别对应prb=0.5 和prb =1.0 。根据图1所示的关系，采用线性插值的方法，利用背景光的比值，求出所需照度的对数
Log(Et)=log(2times;10-7) log(2times;10-5)prn-log(2times;10-7)prn
图1所需照度与背景光的关系。
Logarithm of required illuminance所需照度的对数
Background light背景光 None 一点没有的 Minor 较小的 Substantial 较大的
然后重新排列(1)得到所需的照度得出
Et=2times;10(2prb-7)
由于背景光的状态可以用背景光的比值来表示，需要解决的问题是如何构造背景比的模型。考虑到在航道航行的过程可能会干扰到航迹与背景光的交叠及其存在。也就是说，当船舶上的航行人员沿着航道移动时，能见度会随着背景光的重叠程度而改变。在没有重叠的情况下，背景光对能见度没有影响，即使背景光的强度非常高，也不会造成眩光效果。因此，可以用重叠prbo的比值与背景光的亮度比值的乘积来表示prbt即背景光的比值
Prb=prboprbl
背景光的亮度比率表示光源强度在该比率中可能的最大值。可以通过研究港区上空可能存在的背景光，来实现这一比例。
航标可能会被背景光隐藏，如港口或港区建筑物的照明、其他船舶或船舶上的照明灯。图2显示了许多航标可能出现的重叠情况。从图2中可以看出，船舶导航仪观测到的航标1可能受到航标 3的干扰，而航标2可能受到来自港口的背景光的干扰。
图2背景光对航行人员的干扰
Ship 船舶
heading 船首向
Background light from port 从港口来的背景光
背景光的交叠干扰由航行人员的相对位置和航行人员的所处的高度决定。此外，重叠的比例可以通过观测到的航标与背景光之间的面积重叠来决定。如图3所示，如果Si为第i个航标灯光的面积，Sb为来自其他航标或光源的背景光的面积，则两个光源相交Scs的面积可通过几何关系求出。当用重叠比来表示航标的干涉时，可以用相交面积与航标灯面积之比来定义
其中表示第i个航标的重叠率。在后面将使用上标，为了简化而省略上标。
图3背景光干涉下的交点面积
为了获得交点面积的几何性质，侧视图如图4所示。在图4中，ho、hi和hb分别表示航行人员的眼睛高度、第i个航标的高度和背景光的高度。Ri和Rb分别表示航行人员到第i个航标的距离和航行人员到背景光的距离。其中∆hi和∆hb分别表示垂直方向上航标的长度和背景光的长度。然后，将背景光投射到包括航标在内的垂直面上，如图5所示。
图4横向视图中导航仪、航标和背景光的放置。
Background light from port 导航器的视角
Light source of AtoN AtoN的光源
Light source of background 背景光的光源
Sea surface海平面
图5为背景光重叠的航标。左上圆代表航标的位置，右下圆代表投射在航标所在的平面上的背景光。航标平面是指与航行人员与航标相连的直线的垂直平面，包括航标所在的平面。利用几何关系可以得到图5的性质。
图5 航标重叠的几何关系。
在theta;表示光源的中心的仰角。Theta;表示航行人员所对应的角度∆h
psi;i角是从航行人员到航标矢量的航向角，psi;b是从航行人员到背景光矢量的航向角。如果航行人员所在的纬度和经度,航标和背景光是已知的,psi;i和psi;b可以利用地球几何学来计算(Stidwill and Fletcher,2010)。让ϕ和lambda;分别为纬度和经度,那么航行人员和航标之间的位置的变化可以近似局部切平面
其中，Rm和Rn分别表示地球的子午线曲率半径和地球的质点垂直曲率半径，则
其中a、e为地球椭球半长轴和地球的偏心距。然后psi;可以计算出
为了检测重叠，需要获得两个圆的原点之间的距离。利用(13)的航向角和图5，可得距离dib
获得的dib可以使我们检测重叠的发生。也就是说，如果dib小于ri和rb之和，则可以判断是否发生重叠。
图6相交面积表示
从而求出交点的面积
其中lbi是用海伦公式得到的
因此，可以使用(14)来计算交集的总面积。
由于Si很容易得到，因此可以确定(4)的重叠率
获得的照度
IALA介绍了从航行人员视角计算并获得的照度公式，该公式基于被称为阿拉德定律的物理定律(Dickson and Hales, 1963;国际航标协会推荐,2008)。IALA获得的照度取决于光源的发光强度、相对距离和大气透过率。IALA建议的获得照度由
其中I为candela（发光强度单位）中航标光源的发光强度。R是航行人员与航标之间的距离(以海里为单位)。T为大气透过率。
大气透过率是在单位距离内由大气传输的光通过的量与在真空中沿同一路径传输的光通过的量之比(Waldman and Wootton, 1992)。气象能见度是另一种用来描述物体中大气消失的方法。它是能看到和辨认出合适大小的黑色物体在地平线上的最大距离。通过定义，给出了透射率与气象能见度之间的关系.
确定气象能见度后，利用式(19)可确定透射率。国际电信联盟(ITU)是联合国(UN)信息和通信技术机构，推荐了表1的国际能见度代码(ITU建议，2007)。表1为气象能见度对应的透射率。
表1 各种天气条件下的国际能见度代码
|
天气条件 |
气象能见度[M] |
透光度 |
|
浓雾 |
0.03 |
4.29E-44 |
|
较浓的雾 |
0.16 |
7.39E-9 |
|
轻雾 |
0.35 |
1.92E-4 |
|
很轻的雾 |
0.54 ~ 1.03 |
3.90E-3 ~ 5.46E-2 |
|
薄雾 |
1.08 ~ 2.16 |
6.24E-2 ~ 0.2498 |
|
lt;
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