譚志榮 屈文鵬 陳國成 張義軍 明洋林

(武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院1) 武漢 430063) (內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2) 武漢 430063)

(湄洲灣引航站3) 莆田 351100) (長江航務(wù)管理局4) 武漢 430014)

0 引 言

當(dāng)船舶航行至橋區(qū)時(shí)，容易發(fā)生撞橋事故，夜間能見度低，也會(huì)影響船舶航行安全．山區(qū)河段一般沒有布設(shè)景觀燈，橋區(qū)視線暗，加之駕駛員可視距離受山體、復(fù)雜通航條件等因素影響，給船舶航行帶來較大安全隱患．

在山區(qū)設(shè)置橋梁燈光引導(dǎo)系統(tǒng)，可有效提高船舶的通航安全，減少水上交通事故．郭辰等[1]研究了橋區(qū)燈光與船舶航行安全之間的關(guān)系，分析了南京長江二橋和蘇通長江大橋兼顧美觀與通航安全的燈光設(shè)計(jì)特點(diǎn)，提出了橋梁景觀燈的設(shè)計(jì)要點(diǎn)．

目前，針對(duì)光學(xué)引導(dǎo)的應(yīng)用主要包括菲涅爾光學(xué)引導(dǎo)系統(tǒng)和艾科爾斯光學(xué)引導(dǎo)系統(tǒng)，使用LED光源引導(dǎo)登陸艇進(jìn)艙[2-3]．艾科爾斯光學(xué)引導(dǎo)系統(tǒng)是目前最先進(jìn)的光學(xué)助降引導(dǎo)系統(tǒng)[4-5]，該系統(tǒng)由用于遠(yuǎn)程引導(dǎo)的激光助降系統(tǒng)及用于近程引導(dǎo)的常規(guī)光學(xué)助降系統(tǒng)組成，通過兩類助降系統(tǒng)的結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)長達(dá)18 km的艦載機(jī)助降引導(dǎo)．李永娟等[6]針對(duì)艦船受海浪影響起伏對(duì)艦載機(jī)起落的高要求，基于應(yīng)用最為廣泛的“菲涅爾”透鏡光學(xué)助降系統(tǒng)，采取一種基于小波變換算法的信號(hào)分析模塊，針對(duì)艦載機(jī)駕駛員對(duì)FLOLS光學(xué)引導(dǎo)信息感知的模糊特性建立了新型的光學(xué)助降系統(tǒng)．陳晨等[7]通過模糊控制理論建立了駕駛員感知模型，根據(jù)FLOLS得到高度偏差，向艦載機(jī)發(fā)出對(duì)應(yīng)的控制指令．

LED在獲得大功率及更大亮度的同時(shí)，且尺寸小，被視為下一代照明的最佳潛在光源[8-9]．二次光學(xué)設(shè)計(jì)是形成窄LED光束的主要方法之一．Allen等[10]設(shè)計(jì)用于LED均勻照明的自由曲面透鏡，系統(tǒng)顯示出均勻的照明，且發(fā)散半角為6°，效率為70%～92%[11-14]．劉國強(qiáng)等[15]基于朗伯型光強(qiáng)分布特性，計(jì)算了自由曲面的反射部分的坐標(biāo)，進(jìn)行TIR曲面建模，仿真證明光能利用率可以達(dá)到90.6%以上．劉未華等[16]通過對(duì)LED與LD進(jìn)行功率、定位的穩(wěn)定性等方面分析了白光LED的準(zhǔn)直性，結(jié)果表明白光LED功率穩(wěn)、發(fā)熱少、適用于準(zhǔn)直測量．

文中在考慮到山區(qū)河段橋梁燈光對(duì)船舶通航的引導(dǎo)作用的基礎(chǔ)上，兼顧節(jié)能減排的效果，結(jié)合大橋?qū)嵗治?，利用LED光源設(shè)計(jì)輔助橋區(qū)助航的燈光引導(dǎo)系統(tǒng)．

1 視覺導(dǎo)航方法

目前，燈光助航大多采用環(huán)形燈，船員很難找到觀察亮點(diǎn)來確定航行路線，并且，橋區(qū)水域較短，船舶可能無法確定正確航路．使用不同顏色LED燈(紅色、黃綠色和藍(lán)色)劃分目標(biāo)水域，并且設(shè)置黃綠色燈光慢閃，其余兩種顏色燈光快閃．每種顏色的光都通過特殊的方式限制在很小的發(fā)散角上．在船舶進(jìn)入橋區(qū)水域之前，船員通過觀察這一水域燈光顏色判斷自己的位置，這種方法可以幫助船員夜間在橋區(qū)行駛時(shí)及時(shí)、準(zhǔn)確找到正確的船舶航路，進(jìn)一步保證了船舶的航行安全．

視覺導(dǎo)航流程見圖1．當(dāng)船舶進(jìn)入橋區(qū)水域之前，先會(huì)看到燈光覆蓋水域，值班船員觀察光線，不同顏色的光代表船舶在不同的航路．其中，黃綠色的光代表航向正確，紅色代表航向偏右，藍(lán)色代表航向偏左．在行駛過程中不斷觀察燈光顏色及閃爍頻率，以調(diào)整行駛方向并在進(jìn)入橋區(qū)水域之前航行到正確的航路上．

圖1 視覺導(dǎo)航流程圖

2 導(dǎo)航方案及光路設(shè)計(jì)

2.1 導(dǎo)航方案

此導(dǎo)航方案需要在橋梁通航孔上方安裝三個(gè)不同顏色的燈具，照亮進(jìn)入橋區(qū)水域之前的一段水域，行駛在不同區(qū)域的船舶可觀察到不同顏色的引導(dǎo)燈光，以此來判斷航路是否最優(yōu)．此導(dǎo)航方案的視覺示意圖見圖2．ABCD是一個(gè)平行四邊形，代表橋區(qū)水域．船舶向Q方向行駛，值班船員觀察前方水域，視覺導(dǎo)航系統(tǒng)位于橋梁通航孔Q上方的橋側(cè)面P點(diǎn)照射水面．照射區(qū)域EFGH，光線顏色為紅色，黃綠色和藍(lán)色．其中，夜間人眼最為敏感的黃綠色燈代表最佳行駛路線．紅色燈在最佳路線右側(cè)，藍(lán)色在左側(cè)，并且紅色及藍(lán)色燈光快閃、黃綠色燈光慢閃．通過觀察光顏色及閃爍頻率，船員可以判斷船舶正在哪個(gè)區(qū)域行駛，及時(shí)調(diào)整航向使他們能夠在進(jìn)入橋區(qū)水域之前行駛到正確的航路，并且接下來根據(jù)橋區(qū)航標(biāo)的指示，安全的通過橋區(qū)水域．

圖2 視覺示意圖

2.2 光路設(shè)計(jì)

為了保證行駛安全，安全通過橋區(qū)，船舶需要在進(jìn)入橋區(qū)水域之前找到正確的船舶航路，因此需要光線引導(dǎo)船舶駛?cè)霕騾^(qū)水域，依據(jù)導(dǎo)航方案可以確定導(dǎo)航系統(tǒng)的光斑形狀．為了滿足對(duì)進(jìn)入橋區(qū)船舶的引航需求，需要垂直方向光束有一定的發(fā)散角，照亮較長距離光路．同時(shí)水平方向光束保持準(zhǔn)直，以減少光束的漫反射．

根據(jù)對(duì)多數(shù)橋梁下水方向橋區(qū)航標(biāo)的調(diào)查，選取距離橋梁1 400～2 000 m范圍作為設(shè)計(jì)燈光引導(dǎo)距離，同時(shí)選取合適的通航凈高18 m以及目標(biāo)處光路寬度240 m作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)可以計(jì)算出理論上垂直方向光線的最大出射角度17.1°，水平方向上發(fā)散角不超過6.8°，此時(shí)的光學(xué)系統(tǒng)可以滿足設(shè)計(jì)要求．

3 光學(xué)系統(tǒng)

根據(jù)上述光路設(shè)計(jì)，考慮使用大功率LED、線性菲涅耳透鏡和矩形聚光鏡建立光學(xué)元件，形成光學(xué)系統(tǒng)，產(chǎn)生矩形光區(qū)域．光路圖見圖3．

圖3 光學(xué)系統(tǒng)光路圖

矩形集光器由四個(gè)拋物面組成，兩個(gè)相對(duì)的拋物面具有相同的焦距，用來保證水平方向和垂直方向產(chǎn)生發(fā)散角度不同的均勻光線．內(nèi)部矩形集光器上覆蓋有反射材料的內(nèi)襯，菲涅耳透鏡可以把僅在水平方向上的發(fā)散光變?yōu)槠叫泄猓?/p>

LED光源發(fā)出發(fā)散角大的光束進(jìn)入矩形集光器．光束穿過菲涅爾透鏡水平發(fā)散角角度變得比進(jìn)入集光器之前小，光束可以近似為平行光．矩形區(qū)域具有大的長寬比，因?yàn)榇怪卑l(fā)散角較大，使得光照區(qū)域近似為長距離的矩形區(qū)域，滿足導(dǎo)航方案的需求．

在參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，LED光通量設(shè)為1 000 W，發(fā)光面積為20 mm×20 mm．菲涅爾透鏡尺寸為100 mm×150 mm，焦距300 mm．矩形集光器的兩個(gè)相對(duì)面的拋物線焦距分別為5和7 mm，深度為200 mm，設(shè)置接收面距離LED光源2 000 m．根據(jù)物理建模及參數(shù)設(shè)置，此光學(xué)元件的水平方向出射光線應(yīng)為近似平行光，垂直方向光線最大出射角度應(yīng)為17.1°．

為了驗(yàn)證此光學(xué)元件的有效性，使用TracePro軟件構(gòu)建并模擬了此光學(xué)系統(tǒng)．通過仿真結(jié)果及照度分析，驗(yàn)證實(shí)際生成的矩形光斑范圍，以此判斷此系統(tǒng)的可行性．

仿真結(jié)果見圖4．光束清楚地在接收面上形成一個(gè)矩形亮光表面，中央條帶明亮，兩邊逐漸變暗，為了便于分析，減少雜散光等對(duì)照度圖的影響，對(duì)照度圖進(jìn)行了平滑處置，因此矩形光斑邊緣雜散光點(diǎn)不清晰．

圖4 光照度曲線變化圖

圖4右側(cè)圖為左側(cè)圖中十字線位置處的水平方向及垂直方向光通量分布曲線，由圖4可知：①2 000 m處有效燈光寬度達(dá)到180 m；②2 000 m處有效燈光長度達(dá)到500 m．

根據(jù)設(shè)計(jì)光線最大出射角度17.1°，理論傳播距離最大為600 m；結(jié)合實(shí)際仿真結(jié)果光線有效照射長度約為500 m，因此此燈光系統(tǒng)在垂直方向上的實(shí)際有效發(fā)散角角度約為14.3°．

結(jié)合實(shí)際仿真結(jié)果光線接收面上水平方向的燈光寬度約為180 m，則實(shí)際此光學(xué)系統(tǒng)的橫向發(fā)散角約為5.2°，可以滿足水平方向設(shè)計(jì)光線為近似平行光束，最大出射角度不超過6.8°的設(shè)計(jì)要求．

考慮到雜散光、光線損失、邊緣范圍光通量不足等因素，水平方向、垂直方向上的光線發(fā)散角度均在合理范圍內(nèi)，仿真結(jié)果表明此燈光引導(dǎo)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)1 500～2 000 m范圍內(nèi)形成180 m×500 m的矩形光斑．

4 實(shí)例設(shè)計(jì)

以奉節(jié)長江公路大橋?yàn)槔?，根?jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行LED引導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)．奉節(jié)長江公路大橋右岸上田至左岸十里村聯(lián)線，長江上游航道里程213.3 km處．奉節(jié)長江公路大橋?qū)儆诘湫偷纳絽^(qū)橋梁、橋梁沒有布設(shè)景觀燈，橋區(qū)河段通航環(huán)境復(fù)雜，橋區(qū)水域上游，距離大橋約2 km處便是河口水域，船舶流量大．

以下水方向?yàn)槔罟?jié)長江公路大橋下水方向橋區(qū)水域開端——夔門橋右#3距離奉節(jié)長江公路大橋約1 300 m．設(shè)計(jì)最高通航水位為175 m，通航凈空高度18 m．

經(jīng)過仿真計(jì)算，在光通量不變的條件下此光學(xué)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在1 500～2 000 m距離范圍內(nèi)對(duì)船舶的清晰引導(dǎo)；其次，引導(dǎo)燈光的縱向發(fā)散角約為14.3°．考慮到此橋區(qū)水域通航環(huán)境較為復(fù)雜，并且夔門橋右#3橋區(qū)水域起始浮標(biāo)距離橋梁較近，結(jié)合河口位置，確定此引導(dǎo)系統(tǒng)布設(shè)范圍見圖5．

圖5 奉節(jié)長江公路大橋LED燈光布設(shè)距離示意圖

ABCD代表從上游河口到大橋之間的河段．QG長2 000 m，P點(diǎn)為橋梁通航孔最佳通過點(diǎn)，PQ距離18 m，LED燈光在垂直方向上發(fā)散角E為14.3°，根據(jù)三角函數(shù)公式計(jì)算得F為75°，即此引導(dǎo)系統(tǒng)布設(shè)時(shí)于垂直方向的夾角；在船舶進(jìn)入橋區(qū)水域之前，在HG水域可觀察到引導(dǎo)燈光，船舶及時(shí)調(diào)整航向準(zhǔn)確進(jìn)入橋區(qū)水域，然后便可根據(jù)橋區(qū)水域航標(biāo)指示安全通過橋區(qū)河段．此系統(tǒng)可以滿足通航船舶對(duì)于燈光引導(dǎo)的需求．

5 結(jié) 束 語

文中提出了使用不同顏色LED視覺導(dǎo)航方法．此方法基于不同顏色、閃爍頻率的燈光(紅色，黃綠色和藍(lán)色)以劃分目標(biāo)水域．船員根據(jù)觀察到的燈光顏色確定位置和方向．進(jìn)行了光學(xué)系統(tǒng)的建模和分析，通過模擬結(jié)果的實(shí)際發(fā)散角度,對(duì)比水平、垂直兩個(gè)方向的設(shè)計(jì)最大發(fā)散角度約為5.2°,光束水平發(fā)散角滿足設(shè)計(jì)要求．同時(shí)垂直發(fā)散角為14.3°，也滿足設(shè)計(jì)要求．確保了此引導(dǎo)系統(tǒng)可以完成1 500～2 000 m范圍內(nèi)的光路照射，從而對(duì)于即將進(jìn)入橋區(qū)水域的船舶進(jìn)行提前引導(dǎo)．以奉節(jié)長江公路大橋進(jìn)行了實(shí)例分析，通過數(shù)理分析評(píng)估了布設(shè)此光學(xué)引導(dǎo)系統(tǒng)的合理性．本系統(tǒng)的優(yōu)勢在于布設(shè)成本小、難度低，同時(shí)又有較高的可靠性，小范圍的光線也不會(huì)造成燈光污染．

文中在進(jìn)行物理建模之后，便采用Tracepro進(jìn)行仿真，并沒有制造實(shí)物模型進(jìn)行實(shí)船實(shí)驗(yàn)．而且建模過程太過理想化，缺乏溫度、濕度等傳播介質(zhì)對(duì)光線影響的思考，有待后續(xù)作進(jìn)一步深入研究．