黄 成，阮光辉，马 野，朱金善

(大连海事大学航海学院，辽宁 大连 116026)

基于物元法的船舶夜航光环境评价

黄 成，阮光辉，马 野，朱金善

(大连海事大学航海学院，辽宁 大连 116026)

为了科学、合理地评价船舶夜航光环境质量，更好地治理海上光污染、保障船舶夜航安全。通过文献分析并结合专家访谈结果，筛选出相应的评价指标，引入李克特量表法构建船舶夜航光环境评价量表，采用物元综合评价法对船舶夜航光环境进行客观评价，即在确定船舶夜航光环境经典域和节域的基础上，根据待评光环境中评价指标的具体数值，计算对应评价区间的关联度大小以确定海上光污染等级。然后，选取杭州湾跨海大桥水域进行实例评价，得出主航道桥区水域光污染等级为III，海中平台水域光污染等级为III，南、北引桥水域光污染等级为II。本文建立的船舶夜航光环境评价体系，不仅适用于跨海大桥水域，还可广泛应用于港口、航道等其他水域的光环境评价。

船舶夜航；物元法；光环境评价；跨海大桥水域；海上光污染

引言

相比于水污染、土壤污染和空气污染等研究较成熟的物理性污染，光污染问题的研究滞后了许多[1]。光污染问题的首次提出是在20世纪30年代，由于夜间天空强烈的背景灯光对天文家观测星空造成了负面影响，光污染逐渐受到人们的重视[2]。在陆地上，光污染是指过量的光辐射对人类生活和生产环境造成不良影响的现象[3]。随着滨海城市景观灯光建设进程加快和灯光捕鱼技术的广泛应用，光污染问题也就延伸到了海上，形成了海上光污染。

信号灯是船舶夜航避碰的主要信息来源之一。通过对他船信号灯的识别，可以获取其船舶类型、尺度以及航行动态等信息，并且还可以作为判断他船航向、两船间会遇局面以及是否存在碰撞危险的依据之一[4]。

由于夜间灯具亮度、色彩及布置位置的不合理，其产生的海上光污染严重影响信号灯的可识别性和驾驶人员视觉绩效，继而无法保障船舶夜间航行的安全，因此对船舶夜航光环境的评价显得尤为必要，而现有光环境评价的研究多为道路照明或生活居住区照明，如：文献[5-6]用层次分析法对教室光环境和住宅室内光环境进行了评价，该方法简单实用，缺点是主观性强，难有很强的说服力；文献[7-8]用模糊综合评价法对天津市居住区和苏州道路照明进行了光污染评价，该方法将模糊指标量化，可以利用隶属度大小直观地得出评价结果，缺点是计算复杂，对指标权重矢量的确定主观性较强。相比于上述两种方法，物元法将模糊集理论的[0,1]闭区间连续取值，拓宽到[-∞，+∞]实数轴，将物元量值表述为实数轴上的某一点，更能客观地反映事物的实质，从而减弱主观因素的影响。文献[2]以对行车安全的影响程度为评价目标，采用物元法对城市光污染进行了客观地评价，在成都市四条道路的光污染评价中与实际情况取得了较好的一致性。因此，本文从影响信号灯可识别性和驾驶人员视觉绩效的光环境因素出发，引入李克特量表法构建船舶夜航光环境的评价量表，并采用物元综合评价法对每个特征指标进行定量分析，通过计算关联度确定评价等级，力求评价结果更客观、准确。

1 光污染对船舶夜航安全的影响

1.1 海上光污染的来源

海上光污染是指海滨城市夜间照明、海上灯光捕鱼等作业照明所产生的逸散光、反射光和眩光等对人、海洋生物造成干扰或负面影响的现象[9]。

海上光污染主要发生在海上或与之相连接且可供海船航行的水域，其污染源主要有滨海城市的夜景灯光、渔船的诱鱼灯光、船舶的锚泊灯光、码头作业照明、桥梁照明以及海上工程作业照明等[10]，其影响对象包括船舶夜航安全和海洋生物。

1.2 光污染对船舶夜航安全的影响

相对于船舶白天的通航安全而言，海上光环境质量是影响船舶夜航安全的主要因素。海上光污染对船舶夜航安全的影响主要体现在对信号灯可识别性和驾驶人员视觉绩效的影响两个方面，其主要影响形式如下：

1)亮度、色彩及形状相似的干扰灯具会造成驾驶人员对信号灯的误认；

2)由于空间亮度对比过大产生的眩光会使驾驶人员短暂性的失明从而影响船舶夜航驾驶人员正常的视觉瞭望；

3)高频率闪烁的灯光会影响驾驶人员的视觉绩效；

4)亮度不均匀和色彩种类过多的光环境会导致驾驶人员视觉疲劳；

5)海面高亮度的反射光会影响驾驶人员的暗适应时间。

此外，上述污染光源形成的强烈背景灯光会降低信号灯的亮度对比度与颜色对比度，从而影响信号灯的可识别性[11]。

2 船舶夜航光环境评价模型

2.1 评价指标体系的构建

船舶夜航光环境是一个复杂的系统，由许多相互影响相互制约的因素组成。随着滨海城市夜间活动的增多、码头夜间作业的繁忙以及海上工程船舶数量的增多，致使光环境中污染因素更为复杂。为了筛选出能全面反映海上光污染程度的船舶夜航光环境评价指标，在遵循“主导性、可操作性及覆盖面广”的评价指标选取原则上[12]，引入李克特量表法来构建船舶夜航光环境的评价量表，见表1。

表1 船舶夜航光环境评价量表

以对信号灯的可识别性和驾驶人员视觉绩效的影响程度为评价目标，将各项目评价分为“影响可忽略”、“影响轻微”、“影响一般”、“影响较大”、“影响严重”共5个评价等级，分别对应“5”、“4”、“3”、“2”、“1”这5个分值。通过查阅其他领域关于光环境评价指标权重的确定可知，文献[2、3、5、9]在陆上光污染和海上光污染评价方面取得了较好的成果。因此我们借鉴上述文献已有的研究成果进行对比分析，并结合专家访谈结果，最终确定各指标的权重和等级，如表2所示。

2.2 物元理论评价模型

物元分析(Matter Element Analysis)是解决在某些特定条件下无法达到预期目标的不相容问题的一种分析方法。它是根据某个事物特征值的大小来判断所属某个集合的程度，用关联函数的大小来衡量元素和集合的关系[13]。

事物N具有特征c，其值为x，则由N，c，x构成的有序三元组R=(N,c,x)作为描述事物的基本元，简称物元。事物的名称N，特征c和量值x称为物元R的三要素。如果事物N具有多个特征，可用n个特征C=[c1,…,cn]及相应的量值X=[x1,…,xn]描述，则称物元R为n维物元，C是特征向量，X是特征向量的量值，可表示为

表2 评价指标权重和评价等级

2.2.1 确定经典域物元矩阵

经典域物元矩阵可表示为

式中Nj为所划分的j个光环境对应船舶夜航安全的评价等级(j=1～5)，Ci为评价光环境的5个特征指标，分别为信号灯误导、眩光干扰、闪频污染、光导致疲劳及反射光。xji=〈aji,bji〉分别为每个评价等级Nj关于特征指标Ci所规定的量值范围，即光环境评价等级对应每个特征指标所取得的数值范围(经典域)。

2.2.2 确定节域

节域是指筛选的评价指标能满足的基本要求，包括标准事物和可转化为标准事物的事物。其物元矩阵为

式中P表示海上光环境评价等级的全体；Ci表示评价等级全体的特征指标；xpi表示P关于Ci所取得量值的范围，即节域〈api,bpi〉，xpi的取值包括光环境不同等级的量值范围。

2.2.3 确定待评物元

对于待评价的海上光环境，可将现场实测的定量数据和无法量化的定性数据转化为“5分制”后用物元R0表示，可得到待评物元，如下：

式中，P0表示光环境评价等级；Xi表示P0关于Ci的量值，即评价海上光环境等级时所得到的具体数据。

2.2.4 计算关联函数

海上光环境对应评价等级的关联度如下：

式中，

确定海上光环境对应评价等级的综合关联度如下：

式中，Kj(P0)为待评光环境P0关于船舶夜航安全评价第j级的综合关联度；wi为评价等级i的权重分配系数，其具体数值见表2。

2.2.5 评价等级的确定

若Kj=max{Kj(P0)}(j=1,2,…，n),则P0的光环境等级为第j级。当0≤Kj(P0)<1时，表示被评价光环境符合标准对象要求的程度，数值越大吻合度越高；当-1

3 杭州湾跨海大桥水域光环境评价

3.1 杭州湾跨海大桥概况

杭州湾跨海大桥北起浙江嘉兴海盐郑家埭，南至浙江宁波慈溪水陆湾，横跨杭州湾水域，全长36 km[14]。大桥两侧共有路灯1 800余盏，按40米左右的间隔分布在大桥的各个地段，每隔5千米左右，喷涂不同颜色的防撞栏杆，按赤橙黄绿青蓝紫的顺序依次排列[15]。此外，为了突显出跨海大桥的气势和雄姿，以“跨海银龙”为主题，景观灯的布置主要表现在3部分：银龙探海(南、北引桥)、金三角之门(主航道桥)、海上明珠(海中平台)[16]，其光环境如图1、图2所示[4]。

图1 南北引桥及主航道桥光环境Fig.1 The light environment of the main channel bridge with the south and north bridge

图2 海中平台光环境Fig.2 The light environment of the sea platform

为了塑造雄伟的跨海大桥形象，杭州湾跨海大桥在景观灯的设计上得到了广泛的认可，但对于航经该大桥附近水域的船舶而言并非如此，进出杭州港、上虞港以及乍浦港的船舶都需要经过或穿越跨海大桥[17]，而灯火辉煌的跨海大桥对夜航船舶的信号灯可识别性和驾驶人员视觉绩效都造成了不良影响。因此，作为海上光污染来源之一，对杭州湾跨海大桥水域的光环境评价具有一定的代表性。

3.2 光环境评价

根据杭州湾跨海大桥的光环境布置情况，可将杭州湾跨海大桥分为三部分，即银龙探海(南、北引桥)、海上明珠(海中平台)和金三角之门(主航道桥)，进行各桥段的光环境对船舶夜航安全的影响评价，其评价结果如表3所示。

表3 杭州湾跨海大桥光环境评价结果

根据船舶夜航光环境评价模型，分别对各个桥段的光环境污染程度进行计算，得出跨海大桥3个桥段的光环境对船舶夜航安全影响的评价结果如表4所示。

表4 各评价等级的关联度

由表4可知，杭州湾跨海大桥各桥段光环境对船舶夜航安全的影响程度如下：主航道桥的光环境对船舶夜航安全影响程度为III级；海中平台的光环境对船舶夜航安全影响程度为III级；南、北引桥的光环境对船舶夜航安全影响程度为II级。

比较各桥段对应所属关联度可知，由于展示夜间跨海大桥形象的“海上明珠”这一景点光环境色彩与亮度突出、主航道桥两侧的扇形灯光亮度过大，因此这两处的光环境对船舶夜航安全影响的程度比南、北引桥更为严重。虽然主航道桥和海中平台的评价等级都为III，但海中平台的关联度比主航道桥高，这说明在相同条件下海中平台比主航道桥产生的光环境对船舶夜航安全的影响要大。此结果与实际的景观灯布置情况相符，有较好的一致性。

4 结论

在分析海上光环境对船舶夜航安全的影响形式的基础上，我们结合文献对比与专家访谈结果确定相应评价指标，引入李克特量表法将定性数据定量化，使得船舶夜航光环境的评价更加直观、准确；将物元综合评价法应用到船舶夜航光环境的评价，通过计算光环境指标的量值对应所属区间的关联度，从而判断光环境对船舶夜航安全的影响等级。

通过对杭州湾跨海大桥水域的船舶夜航光环境评价，得出南、北引桥的光环境对船舶夜航安全的影响等级为II，主航道桥和海中平台对船舶夜航安全的影响等级为III；可以根据评价结果找出跨海大桥照明设计中对船舶夜航安全有影响的薄弱环节，进而为规避这一影响、改进跨海大桥灯具照明提供参考依据。本文建立的船舶夜航光环境评价模型，可广泛应用于其他水域的船舶夜航光环境评价，进而控制海上光污染对船舶夜航安全的影响，具有一定的理论意义与实用价值。

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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

国家自然科学基金项目(项目编号51309043)

朱金善，E-mail：zjinshan888@126.com

X828

A

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

第十四届中国国际半导体照明论坛暨2017国际第三代半导体论坛在北京举办

2017年11月1日，第十四届中国国际半导体照明论坛暨 2017国际第三代半导体论坛开幕大会在北京顺义隆重召开。大会紧扣时代发展脉搏与产业发展趋势，以“协同创新 融通发展”为主题，来自海内外半导体照明，第三代半导体及相关领域的专家学者、企业领袖、行业机构领导以及相关政府官员的积极参与，共同论道产业发展。会期持续两天半，开幕式当天近千人参与。

作为半导体照明领域一年一度的国际盛会，SSLCHINA系列论坛到2017年已是第十四届，论坛紧扣时代发展脉搏与产业发展趋势，具有极高的知名度，更是行业发展的风向标，引领全球半导体照明产业发展新趋势。国际第三代半导体论坛(IFWS)是第三代半导体产业在中国地区的年度盛会，也是引领全球第三代半导体新兴产业发展，促进相关产业、技术、人才、资金、政策合力发展的全球性、全产业链合作的高端平台和高层次综合性论坛。大会由国际半导体照明联盟(ISA)主席、中国科技部原副部长曹健林担任大会中方主席。国际照明委员会(CIE)主席、美国国家标准与技术研究所传感器科学部首席研究员Yoshi OHNO担任大会外方主席。科技部高新司副司长曹国英主持了开幕式第一环节。

此次两大国际论坛由北京市顺义区人民政府、第三代半导体产业技术创新战略联盟(CASA)和国家半导体照明工程研发及产业联盟(CSA)主办，中关村科技园区顺义园管理委员会、北京半导体照明科技促进中心、北京麦肯桥新材料生产力促进中心有限公司承办，得到了科技部、发改委、国标委和北京市科委等主管部门的大力支持。

出席开幕式的领导嘉宾有：北京市委常委、副市长、市政府党组成员阴和俊，大会中方主席、国际半导体照明联盟主席，科技部原副部长曹健林，大会外方主席、国际照明委员会CIE主席、美国国家标准与技术研究所传感器科学补首席研究员Yoshi Ohno，北京市政府副秘书长刘印春，科技部国际合作司司长叶冬柏，发改委国家节能中心主任徐强，科技部火炬中心副主任盛延林，科技部高技术中心副主任卞曙光，中国科学院院士、南京大学电子科学与工程学院教授郑有炓，中国科学院院士、中科院徽电子所研究员刘明，悉尼大学名誉教授、ISA理事会成员Warren Julian，美国智能照明工程技术研究中心主任、美国伦斯勒理工学院教授Robert F. Karlicek，北京市科委党组成员、副主任张继红，中关村管委会委员、河北保定市委常委、副市长刘航，北京市经信委党组成员、副主任孔磊，北京市顺义区党委书记王刚，北京市顺义区委副书、顺义区政府党组书记、区长高朋，北京市顺义区委常委、副区长、中关村科技园顺义区管委会主任初军威，广东省科技厅党组成员、副厅长杨军，中国照明学会理事长邴树奎，副理事长高飞，秘书长窦林平，中国光学光电子行业协会秘书长王琳。