郵輪居住環境的智能化設計應用

李 震，王朝波，閆冬雪

(哈爾濱工程大學，黑龍江哈爾濱150001)

0 引言

郵輪是現代旅游行業的新興產業，帶來了新的旅游方式及理念[1]。在郵輪上，用戶的居住空間設計至關重要。隨著科學技術的迅猛發展，智能環境設計逐漸出現在人們的生活中，其核心一點是讓環境要素可以根據用戶的不同需求自動或手動的做出相應的改變。但目前在陸地環境中的應用大多以技術應用為主，對人與環境的動態適應關系方面考慮不足。

郵輪用戶多為中高端人群，調研發現，目前大多數郵輪居住空間的設計尚無法滿足用戶的個性化需求。根據郵輪居住環境特點和用戶的具體需求，將智能環境控制技術和理論應用到郵輪居住空間設計中，可以給用戶營造更加健康舒適的居住環境，從而創造更加理想的航程體驗。

1 智能環境概述

智能環境設計實質上是利用電子技術、自動控制技術、傳感器技術等使環境中的光、色彩、溫濕度、設施等能根據用戶的需求進行主動的調節，構建一個更加舒適健康的環境[2]。空間布局進行智能化處理可以提升空間的利用率；光環境進行智能設計可以為用戶提供不同的場景，營造多樣的氛圍；對溫濕度環境進行智能化處理，可以為用戶提供更貼心的健康保護。

郵輪用戶的需求期望值較高，這對環境設計提出更高的要求，現有的智能環境控制技術已比較成熟，為在郵輪上實施智能化設計提供了技術保障。本文主要從環境智能化設計原則、人體生理指標與環境的動態適配規律、郵輪主要環境要素的智能控制方案出發并展開研究。

通過對智能環境相關文獻資料進行歸納和總結，結合課題的研究，得出郵輪居住空間智能化設計的原則。

1.1 動態性原則

人體的生理指標和環境各要素之間處于動態變化中，并且相互影響。智能環境可以對空間布局進行合理的調整，使其可以滿足不同的功能需求。對用戶的體溫、情緒、血壓、心率等生理指標進行監測，進而改變光、色彩和溫濕度等環境要素，對用戶進行實時的動態保護。人與環境要素之間的交互也處于動態變化中，合理的交互可以增加用戶在環境中的舒適度。

1.2 舒適性原則

舒適性是指人們對客觀環境從生理與心理方面所感受到的滿意程度。受各種因素及條件的影響，舒適性會因個體差異而呈現不同結果。郵輪用戶追求更高的體驗，所以對舒適性的要求更高。影響舒適性的因素有很多，如環境的溫濕度、光的強度和色溫以及色彩的搭配等，通過對這些要素的智能化控制，可以使環境最大限度滿足人舒適性的需求。

1.3 系統性原則

系統性原則也稱為整體性原則，它要求把人和環境視為一個有機整體，以系統整體目標的優化為準則，協調各分系統的相互關系。在智能環境設計中，應該把人和光環境、溫濕度環境、色彩環境作為一個整體考慮，使其更加有效準確的給用戶提供一個舒適健康的環境。

1.4 易用性原則

智能環境中的交互過程需要被用戶有效的識別，所以其操作流程應該簡單易懂。還需要考慮不同層次用戶的特點和需求，不同層次用戶對于科技的接受程度及學習程度都是不同的，所以應有針對性的進行設計。如針對老年人用戶，就要設計簡單明了的操作界面并加以語音提示。

1.5 可持續性原則

郵輪上各種資源高度密集，為了避免不必要的資源浪費，提供更為舒適和節能的生活環境，要使人、郵輪環境與自然環境的有機融合。可持續原則應該貫穿整個居住空間設計的生命周期，從規劃設計到使用和維護，再到某些部件廢棄后的循環再利用。

2 郵輪居住空間概述

郵輪的空間劃分為三類：居住空間、公用空間和輔助空間。其中居住空間是乘客在船上的“家”，是乘客休閑和休息的重要地方，是游客享受郵輪生活的基礎[3]。居住空間以艙室單元的形式存在，內部的區域劃分是由用戶的行為活動決定的，根據用戶的不同的行為需求，郵輪居住空間分為休息區間、娛樂區間、衛生區間和活動區間，其中活動區間貫穿整個居住區間，如圖1所示。影響郵輪居住空間設計的因素有很多，如空間本身的有限和復雜，現有的理論方法不能有效的處理這些困難，所以應該將智能環境相關技術和理論融入到設計中來解決這些問題。

圖1 居住空間的主要劃分Fig.1 Main division of residential space

3 智能環境設計在郵輪居住空間中的設計研究

在周圍環境變化時，人體的機能會呈現動態性變化，并具有一定的規律性。研究身體機能的規律性與環境的適配性，對郵輪智能化居住空間搭建有一定指導意義。

3.1 空間劃分智能化

郵輪居住空間一般由甲板、艙壁、頂棚組成，在原有結構上難以改變其空間布局。可通過增加隔斷、改變家具位置、使用智能家居產品和燈光區域劃分等方式來改變空間布局。由于郵輪居住空間相對狹小，用戶會產生壓抑感和封閉感。合理的布局不僅可以增加空間的利用率，而且還能提高用戶的舒適度。

郵輪上有很多結伴出行的用戶，所以對居住空間設計時要考慮個人的隱秘性。休息區間與衛生區間之間可以使用智能調光玻璃隔斷，如圖2所示。對居住空間進行一體化處理，擴大整體空間的視覺感。智能調光玻璃是將新型液晶材料附著于玻璃、薄膜等基礎材料上，運用電路和控制技術制成調光玻璃產品，用戶可通過控制電流的通斷與否調節玻璃的透明與不透明狀態，進而保護用戶的隱私。智能化產品的利用，可以提升空間的利用率，如圖3中的智能床增加了可伸縮的床頭柜，用戶可以通過手機或者按鍵控制其位置，不使用時可以收入床體內部，既增加了空間的利用率，又滿足了用戶的使用需求。

3.2 光環境智能化

圖2 休息區間智能隔斷的空間布局Fig.2 Spatial layout of intelligent partition in rest zone

圖3 智能化產品之床Fig.3 Intelligent product-bed

光環境作為居住空間主要的組成要素，合理的光環境設計不僅可以給用戶提供科學的燈光照明，而且還可以滿足用戶不同場景下的需求。用戶及不同區間的照明要求作為光環境設計的基本設計依據。在滿足基本照明之后，為使光環境能夠更好地為用戶服務，可以采用智能化手段。表1為居住空間中各區間不同情境的照明要求。

臥室內部的燈光模式分為一般模式、閱讀模式和睡眠模式。一般模式下照明水平在150 Lux，可以滿足用戶日常的基本照明需求。燈光采用暖色調可以營造安靜的氛圍，讓用戶身心放松；閱讀模式采用燈光局域照明方式隔離出閱讀區，即滿足閱讀的需求又節約了資源，照度和色溫可以根據不同用戶的閱讀習慣進行智能的調節，如圖4所示。

當人從亮處空間進入暗處空間時，在一段時間內看不清楚物體，人眼對光感進行一段調節后，才可以看清物體的這種適應過程稱為暗適應，暗適應的過程大概需要30 min才可以完成。明適應一般是指當人從暗處空間進入明處空間時，明適應過程較快，大約1 min就能基本完成。雖然人的眼睛有明暗適應的特性，但是如果視域內光亮不斷迅速發生變化，人的眼睛就不能很好地去適應，就會對人體視覺機能造成損害，在居住空間中應該避免這樣的情況發生，圖5為人眼的暗適應和明適應曲線。褪黑素是由人類的松果體產生的一種胺類激素，能夠使一種產生黑色素的細胞發亮，因而命名為褪黑素。褪黑素具有誘導睡眠的作用，被稱為“生理性催眠劑”[4]。正常人體褪黑素濃度從晚間8:00逐漸上升至凌晨3:00達到頂峰，此后又逐漸降低，上午7:00后又逐漸降低從晚間8:00逐漸上升至凌晨3:00達到頂峰，此后又逐漸降低，上午7:00以后呈低值[5]，圖6為褪黑素的晝夜節律曲線。

表1 居住空間智能化光環境設計照明水平Tab. 1 Design lighting level of intelligent light environment in residential space

圖4 休息區間一般模式及閱讀模式光環境展示Fig.4 Light environment display of rest zonegeneral mode and reading mode

圖5 暗適應和明適應曲線Fig.5 Dark adaptation and light adaptation curve

圖 6人體褪黑素的晝夜節律曲線Fig.6 Circadian rhythm curve of melatonin in human body

照明環境的色溫對人體的晝夜節律有一定的影響，根據其影響的變化規律對睡眠模式的光環境進行設計。其主要依靠智能照明系統來實現，如圖7所示。智能燈光控制包括前端、中端和后端。前端是指室內燈光強度、太陽光照強度、室內燈光色溫、太陽色溫的采集模塊。色溫采集的關鍵是正確穩定采集顏色值三刺激值，利用色度學公式推算成相應的色溫值。本次設計采用TAOS公司的TCS3414CS顏色傳感器，TCS3414CS是一種抗干擾能力強、靈敏度高、精度高的數字顏色光傳感器，能夠準確地測定環境光的色度，并且提供一個16位的數字信號輸出。圖8為TCS3414CS色溫傳感器采集數據原理。中端是通過藍牙將前端的信息進行分析，以此來控制燈光色溫的具體變化，并且通過信息終端進行實時顯示數值變化[6]。當前市場上供應有種類繁多的熒光燈，其色溫大體為3 000～7 500 K，小于3 300 K為暖色溫，3 300～5 300 K為中色溫，5 300～7 500 K為冷色溫。室內的光線分為燈光和太陽光兩部分。入睡時采用暖光源、照度低于30 Lux的燈光設計，暖光燈有利于褪黑素的釋放，促進人體的睡眠；起床時冷色調的燈光緩緩亮起，窗簾慢慢打開。冷光對人體分泌褪黑素的抑制作用較強，從而使得血液中褪黑素的含量降低，對人體進行“軟喚醒”，室內燈光會根據窗外的光照強度進行智能調節逐漸達到照度為250 Lux，使用戶在飽滿的精神中醒來，如圖9所示。

圖7 睡眠模式下燈光控制系統Fig.7 Light control system in sleep mode

圖8 色溫傳感器采集數據原理Fig.8 Data collection principle of color temperature sensor

圖9 休息區間睡前模式及起床模式光環境展示Fig.9 Light environment display of rest zone bedtime mode and wake-up mode

3.3 色彩環境智能化

居住空間色彩的合理搭配是保障居住者身心愉悅的重要條件之一。影響色彩合理搭配的因素有很多，如色彩本身的性質、地域文化的不同、季節的變化、居住者的身心特征以及室內外的關系等[7]。在郵輪居住空間智能化色彩環境的設計上，首先考慮郵智能環境的動態性原則，使居住空間的色彩搭配具有可變性。

人們對室內環境整體色溫的需求會隨著季節的改變而改變，不同的色彩搭配對人的心理影響如表2所示。智能色彩環境系統可以對室內外的溫度進行信號采集，通過溫度系統服務器進行分析對比分析處理，處理后的數據傳輸到室內燈光控制系統，進而對室內燈光的色溫進行調整。如圖10所示。在溫度較低的季節，室內光線智能調節為暖色系，使用戶感到溫暖；在溫度較高的季節，室內光線調節為冷色系，使人產生涼爽的心理感受。如圖11所示。

表2 不同的色彩搭配對人的心理影響Tab.2 The psychological influence of different color matching

圖10 燈光智能色溫變化流程圖Fig.10 Flow chart of light intelligent color temperature change

圖11 暖色系與冷色系下色彩環境對比圖Fig.11 Warm colors and cool colors under thecolor environment contrast figure

用戶的情緒與空間的色彩密切相關，目前郵輪上裝飾畫的色彩固定，不能根據用戶的需求進行改變，所以可以采用智能裝飾畫來修飾空間環境。圖12為智能裝飾畫變化流程圖。裝飾畫上安裝情緒識別系統，現有的情緒識別技術分為3種：多生理信號情緒識別技術、面部表情識別技術、聲音情緒識別技術[7]。基于現有的識別技術和色彩搭配對情緒的影響對智能裝飾畫進行設計，控制系統分為手動型和智能型。手動型是指用戶可以根據自己的喜好來改變裝飾畫的顏

圖12 裝飾畫變化流程圖Fig.12 Flow chart of decoration painting change

色。智能型中包括生理模式、語音模式和表情模式。生理模式中，用戶可以佩戴智能手環對心電、脈搏波和皮膚靜電等常見的生理信號進行采集和分析。由于多生理信號具有客觀和不易掩飾的特點，其特征提取成本低、效率高，方式相對簡單，識別準確率最高可達95%。在語音模式中，智能裝飾畫會對用戶聲音的響度、音調和音色進行收集分析，進而識別用戶當前的情緒來改變裝飾畫的顏色。表情模式中，智能裝飾畫可以識別用戶的6面部基本情緒（快樂、興趣、厭惡、恐懼、悲傷和憤怒），目前對于數據集中動態圖像的信息提取與篩選技術較為成熟，面部情緒識別技術在ImageNet數據集的識別率經過深度學習算法，已經提升到95.06。當檢測到用戶表情悲傷時，裝飾畫變成較高飽和度和明度的風景畫來緩解用戶的情緒，如圖13所示。

圖13 智能色彩及裝飾環境設計Fig. 13 Intelligent color and decoration environment design

3.4 溫濕度環境智能化

人體對溫濕度的適應性是在一定范圍內，超過這個范圍人體機能就會受到損傷[8]。為了給用戶提供更健康的旅行體驗，在居住空間設計中融入智能化溫濕度設計，根據用戶對不同時間的溫濕度需求進行智能調節，如下式：

其中：ssd為人體舒適度指數，t為平均氣溫，f為相對濕度，v為風速。

根據中國船級社《郵輪規范（2017）》中對乘客所處室內溫濕度環境的基本要求，結合人體舒適指數規范，當指數處于59～70時，是最為合適的溫濕度環境，那么人體舒適度指數方程變為下式：

為得到空氣溫濕度及流速對人體舒適指數的影響，進一步確定郵輪居住空間溫濕度舒適度控制范圍，由式（2）經控制變量法計算繪制圖14。

圖14 空氣溫濕度對人體舒適指數的影響Fig. 14 The influenceof air temperatureand humidity on human comfort index

由圖14可知，在郵輪標準規范中，空氣溫度及流速一定的條件下，空氣濕度與人體舒適指數成正比關系，影響并不大；在濕度及流速一定的條件下，空氣溫度與人體舒適指數呈正比關系；在溫濕度一定的條件下，空氣流速與人體舒適指數呈反比關系。在影響舒適度的3個條件中，其中空氣溫度對人體舒適指數的影響最大，濕度影響最小。

智能溫濕環境主要依靠空調運行來實現，如圖15所示。智能空調控制一般包括前端、中端、后端。前端是指室外溫度、濕度、風速的采集模塊，中端是通過藍牙或者無線將前端采集的信息進行接收，并對溫度、濕度、風速及綜合指數進行分析，以此來控制空調的具體運行工作，并且通過信息顯示終端進行實時顯示。除此之外，智能空調控制還可以對人體體溫晝夜規律進行識別，可以采用紅外溫度傳感器，它的工作原理是在不直接接觸待測物體的情況下，依靠紅外線的輻射所產生電壓獲得溫度值，進而把數值傳到智能空調系統中處理分析，以此來對室內溫度進行調節，實現室內溫濕環境的智能化。

圖15 智能空調控制與人體晝夜規律關系Fig.15 The intelligent air conditioning control and the human body day and night rule relations

4 結語

本文面向將郵輪居住空間的智能化設計，首先提出了智能環境設計原則，對人體相關生理指標變化規律及其與環境要素的動態改變間的關系進行了較深入研究。最后面向郵輪居住空間，針對每種要素的智能化機制，提出了切實可行的解決方案。可達到讓環境要素根據用戶的生理狀態變化做出合理調整的目的，從而體現出環境之于人的智慧性、合理性和人文關懷性。本文研究結論可為將智能環境設計引入郵輪居住環境構建中提供一定的理論支持和依據。