李 震，王朝波，閆冬雪

(哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001)

0 引言

郵輪是現(xiàn)代旅游行業(yè)的新興產(chǎn)業(yè)，帶來(lái)了新的旅游方式及理念[1]。在郵輪上，用戶的居住空間設(shè)計(jì)至關(guān)重要。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，智能環(huán)境設(shè)計(jì)逐漸出現(xiàn)在人們的生活中，其核心一點(diǎn)是讓環(huán)境要素可以根據(jù)用戶的不同需求自動(dòng)或手動(dòng)的做出相應(yīng)的改變。但目前在陸地環(huán)境中的應(yīng)用大多以技術(shù)應(yīng)用為主，對(duì)人與環(huán)境的動(dòng)態(tài)適應(yīng)關(guān)系方面考慮不足。

郵輪用戶多為中高端人群，調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前大多數(shù)郵輪居住空間的設(shè)計(jì)尚無(wú)法滿足用戶的個(gè)性化需求。根據(jù)郵輪居住環(huán)境特點(diǎn)和用戶的具體需求，將智能環(huán)境控制技術(shù)和理論應(yīng)用到郵輪居住空間設(shè)計(jì)中，可以給用戶營(yíng)造更加健康舒適的居住環(huán)境，從而創(chuàng)造更加理想的航程體驗(yàn)。

1 智能環(huán)境概述

智能環(huán)境設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上是利用電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)等使環(huán)境中的光、色彩、溫濕度、設(shè)施等能根據(jù)用戶的需求進(jìn)行主動(dòng)的調(diào)節(jié)，構(gòu)建一個(gè)更加舒適健康的環(huán)境[2]?？臻g布局進(jìn)行智能化處理可以提升空間的利用率；光環(huán)境進(jìn)行智能設(shè)計(jì)可以為用戶提供不同的場(chǎng)景，營(yíng)造多樣的氛圍；對(duì)溫濕度環(huán)境進(jìn)行智能化處理，可以為用戶提供更貼心的健康保護(hù)。

郵輪用戶的需求期望值較高，這對(duì)環(huán)境設(shè)計(jì)提出更高的要求，現(xiàn)有的智能環(huán)境控制技術(shù)已比較成熟，為在郵輪上實(shí)施智能化設(shè)計(jì)提供了技術(shù)保障。本文主要從環(huán)境智能化設(shè)計(jì)原則、人體生理指標(biāo)與環(huán)境的動(dòng)態(tài)適配規(guī)律、郵輪主要環(huán)境要素的智能控制方案出發(fā)并展開(kāi)研究。

通過(guò)對(duì)智能環(huán)境相關(guān)文獻(xiàn)資料進(jìn)行歸納和總結(jié)，結(jié)合課題的研究，得出郵輪居住空間智能化設(shè)計(jì)的原則。

1.1 動(dòng)態(tài)性原則

人體的生理指標(biāo)和環(huán)境各要素之間處于動(dòng)態(tài)變化中，并且相互影響。智能環(huán)境可以對(duì)空間布局進(jìn)行合理的調(diào)整，使其可以滿足不同的功能需求。對(duì)用戶的體溫、情緒、血壓、心率等生理指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而改變光、色彩和溫濕度等環(huán)境要素，對(duì)用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)保護(hù)。人與環(huán)境要素之間的交互也處于動(dòng)態(tài)變化中，合理的交互可以增加用戶在環(huán)境中的舒適度。

1.2 舒適性原則

舒適性是指人們對(duì)客觀環(huán)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(huì)因個(gè)體差異而呈現(xiàn)不同結(jié)果。郵輪用戶追求更高的體驗(yàn)，所以對(duì)舒適性的要求更高。影響舒適性的因素有很多，如環(huán)境的溫濕度、光的強(qiáng)度和色溫以及色彩的搭配等，通過(guò)對(duì)這些要素的智能化控制，可以使環(huán)境最大限度滿足人舒適性的需求。

1.3 系統(tǒng)性原則

系統(tǒng)性原則也稱(chēng)為整體性原則，它要求把人和環(huán)境視為一個(gè)有機(jī)整體，以系統(tǒng)整體目標(biāo)的優(yōu)化為準(zhǔn)則，協(xié)調(diào)各分系統(tǒng)的相互關(guān)系。在智能環(huán)境設(shè)計(jì)中，應(yīng)該把人和光環(huán)境、溫濕度環(huán)境、色彩環(huán)境作為一個(gè)整體考慮，使其更加有效準(zhǔn)確的給用戶提供一個(gè)舒適健康的環(huán)境。

1.4 易用性原則

智能環(huán)境中的交互過(guò)程需要被用戶有效的識(shí)別，所以其操作流程應(yīng)該簡(jiǎn)單易懂。還需要考慮不同層次用戶的特點(diǎn)和需求，不同層次用戶對(duì)于科技的接受程度及學(xué)習(xí)程度都是不同的，所以應(yīng)有針對(duì)性的進(jìn)行設(shè)計(jì)。如針對(duì)老年人用戶，就要設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單明了的操作界面并加以語(yǔ)音提示。

1.5 可持續(xù)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(fèi)，提供更為舒適和節(jié)能的生活環(huán)境，要使人、郵輪環(huán)境與自然環(huán)境的有機(jī)融合?？沙掷m(xù)原則應(yīng)該貫穿整個(gè)居住空間設(shè)計(jì)的生命周期，從規(guī)劃設(shè)計(jì)到使用和維護(hù)，再到某些部件廢棄后的循環(huán)再利用。

2 郵輪居住空間概述

郵輪的空間劃分為三類(lèi)：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(chǔ)[3]。居住空間以艙室單元的形式存在，內(nèi)部的區(qū)域劃分是由用戶的行為活動(dòng)決定的，根據(jù)用戶的不同的行為需求，郵輪居住空間分為休息區(qū)間、娛樂(lè)區(qū)間、衛(wèi)生區(qū)間和活動(dòng)區(qū)間，其中活動(dòng)區(qū)間貫穿整個(gè)居住區(qū)間，如圖1所示。影響郵輪居住空間設(shè)計(jì)的因素有很多，如空間本身的有限和復(fù)雜，現(xiàn)有的理論方法不能有效的處理這些困難，所以應(yīng)該將智能環(huán)境相關(guān)技術(shù)和理論融入到設(shè)計(jì)中來(lái)解決這些問(wèn)題。

圖1 居住空間的主要?jiǎng)澐諪ig.1 Main division of residential space

3 智能環(huán)境設(shè)計(jì)在郵輪居住空間中的設(shè)計(jì)研究

在周?chē)h(huán)境變化時(shí)，人體的機(jī)能會(huì)呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)性變化，并具有一定的規(guī)律性。研究身體機(jī)能的規(guī)律性與環(huán)境的適配性，對(duì)郵輪智能化居住空間搭建有一定指導(dǎo)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(jié)構(gòu)上難以改變其空間布局?？赏ㄟ^(guò)增加隔斷、改變家具位置、使用智能家居產(chǎn)品和燈光區(qū)域劃分等方式來(lái)改變空間布局。由于郵輪居住空間相對(duì)狹小，用戶會(huì)產(chǎn)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(jié)伴出行的用戶，所以對(duì)居住空間設(shè)計(jì)時(shí)要考慮個(gè)人的隱秘性。休息區(qū)間與衛(wèi)生區(qū)間之間可以使用智能調(diào)光玻璃隔斷，如圖2所示。對(duì)居住空間進(jìn)行一體化處理，擴(kuò)大整體空間的視覺(jué)感。智能調(diào)光玻璃是將新型液晶材料附著于玻璃、薄膜等基礎(chǔ)材料上，運(yùn)用電路和控制技術(shù)制成調(diào)光玻璃產(chǎn)品，用戶可通過(guò)控制電流的通斷與否調(diào)節(jié)玻璃的透明與不透明狀態(tài)，進(jìn)而保護(hù)用戶的隱私。智能化產(chǎn)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(guò)手機(jī)或者按鍵控制其位置，不使用時(shí)可以收入床體內(nèi)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(huán)境智能化

圖2 休息區(qū)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(chǎn)品之床Fig.3 Intelligent product-bed

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

臥室內(nèi)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(diào)可以營(yíng)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(qū)，即滿足閱讀的需求又節(jié)約了資源，照度和色溫可以根據(jù)不同用戶的閱讀習(xí)慣進(jìn)行智能的調(diào)節(jié)，如圖4所示。

當(dāng)人從亮處空間進(jìn)入暗處空間時(shí)，在一段時(shí)間內(nèi)看不清楚物體，人眼對(duì)光感進(jìn)行一段調(diào)節(jié)后，才可以看清物體的這種適應(yīng)過(guò)程稱(chēng)為暗適應(yīng)，暗適應(yīng)的過(guò)程大概需要30 min才可以完成。明適應(yīng)一般是指當(dāng)人從暗處空間進(jìn)入明處空間時(shí)，明適應(yīng)過(guò)程較快，大約1 min就能基本完成。雖然人的眼睛有明暗適應(yīng)的特性，但是如果視域內(nèi)光亮不斷迅速發(fā)生變化，人的眼睛就不能很好地去適應(yīng)，就會(huì)對(duì)人體視覺(jué)機(jī)能造成損害，在居住空間中應(yīng)該避免這樣的情況發(fā)生，圖5為人眼的暗適應(yīng)和明適應(yīng)曲線。褪黑素是由人類(lèi)的松果體產(chǎn)生的一種胺類(lèi)激素，能夠使一種產(chǎn)生黑色素的細(xì)胞發(fā)亮，因而命名為褪黑素。褪黑素具有誘導(dǎo)睡眠的作用，被稱(chēng)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(dá)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(dá)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(jié)律曲線。

表1 居住空間智能化光環(huán)境設(shè)計(jì)照明水平Tab. 1 Design lighting level of intelligent light environment in residential space

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

圖5 暗適應(yīng)和明適應(yīng)曲線Fig.5 Dark adaptation and light adaptation curve

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

照明環(huán)境的色溫對(duì)人體的晝夜節(jié)律有一定的影響，根據(jù)其影響的變化規(guī)律對(duì)睡眠模式的光環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)。其主要依靠智能照明系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，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(nèi)燈光強(qiáng)度、太陽(yáng)光照強(qiáng)度、室內(nèi)燈光色溫、太陽(yáng)色溫的采集模塊。色溫采集的關(guān)鍵是正確穩(wěn)定采集顏色值三刺激值，利用色度學(xué)公式推算成相應(yīng)的色溫值。本次設(shè)計(jì)采用TAOS公司的TCS3414CS顏色傳感器，TCS3414CS是一種抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、精度高的數(shù)字顏色光傳感器，能夠準(zhǔn)確地測(cè)定環(huán)境光的色度，并且提供一個(gè)16位的數(shù)字信號(hào)輸出。圖8為T(mén)CS3414CS色溫傳感器采集數(shù)據(jù)原理。中端是通過(guò)藍(lán)牙將前端的信息進(jìn)行分析，以此來(lái)控制燈光色溫的具體變化，并且通過(guò)信息終端進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示數(shù)值變化[6]。當(dāng)前市場(chǎng)上供應(yīng)有種類(lèi)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(nèi)的光線分為燈光和太陽(yáng)光兩部分。入睡時(shí)采用暖光源、照度低于30 Lux的燈光設(shè)計(jì)，暖光燈有利于褪黑素的釋放，促進(jìn)人體的睡眠；起床時(shí)冷色調(diào)的燈光緩緩亮起，窗簾慢慢打開(kāi)。冷光對(duì)人體分泌褪黑素的抑制作用較強(qiáng)，從而使得血液中褪黑素的含量降低，對(duì)人體進(jìn)行“軟喚醒”，室內(nèi)燈光會(huì)根據(jù)窗外的光照強(qiáng)度進(jìn)行智能調(diào)節(jié)逐漸達(dá)到照度為250 Lux，使用戶在飽滿的精神中醒來(lái)，如圖9所示。

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

圖8 色溫傳感器采集數(shù)據(jù)原理Fig.8 Data collection principle of color temperature sensor

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

3.3 色彩環(huán)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(zhì)、地域文化的不同、季節(jié)的變化、居住者的身心特征以及室內(nèi)外的關(guān)系等[7]。在郵輪居住空間智能化色彩環(huán)境的設(shè)計(jì)上，首先考慮郵智能環(huán)境的動(dòng)態(tài)性原則，使居住空間的色彩搭配具有可變性。

人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境整體色溫的需求會(huì)隨著季節(jié)的改變而改變，不同的色彩搭配對(duì)人的心理影響如表2所示。智能色彩環(huán)境系統(tǒng)可以對(duì)室內(nèi)外的溫度進(jìn)行信號(hào)采集，通過(guò)溫度系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行分析對(duì)比分析處理，處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞覂?nèi)燈光控制系統(tǒng)，進(jìn)而對(duì)室內(nèi)燈光的色溫進(jìn)行調(diào)整。如圖10所示。在溫度較低的季節(jié)，室內(nèi)光線智能調(diào)節(jié)為暖色系，使用戶感到溫暖；在溫度較高的季節(jié)，室內(nèi)光線調(diào)節(jié)為冷色系，使人產(chǎn)生涼爽的心理感受。如圖11所示。

表2 不同的色彩搭配對(duì)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(huán)境對(duì)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(guān)，目前郵輪上裝飾畫(huà)的色彩固定，不能根據(jù)用戶的需求進(jìn)行改變，所以可以采用智能裝飾畫(huà)來(lái)修飾空間環(huán)境。圖12為智能裝飾畫(huà)變化流程圖。裝飾畫(huà)上安裝情緒識(shí)別系統(tǒng)，現(xiàn)有的情緒識(shí)別技術(shù)分為3種：多生理信號(hào)情緒識(shí)別技術(shù)、面部表情識(shí)別技術(shù)、聲音情緒識(shí)別技術(shù)[7]?；诂F(xiàn)有的識(shí)別技術(shù)和色彩搭配對(duì)情緒的影響對(duì)智能裝飾畫(huà)進(jìn)行設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)分為手動(dòng)型和智能型。手動(dòng)型是指用戶可以根據(jù)自己的喜好來(lái)改變裝飾畫(huà)的顏

圖12 裝飾畫(huà)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(yǔ)音模式和表情模式。生理模式中，用戶可以佩戴智能手環(huán)對(duì)心電、脈搏波和皮膚靜電等常見(jiàn)的生理信號(hào)進(jìn)行采集和分析。由于多生理信號(hào)具有客觀和不易掩飾的特點(diǎn)，其特征提取成本低、效率高，方式相對(duì)簡(jiǎn)單，識(shí)別準(zhǔn)確率最高可達(dá)95%。在語(yǔ)音模式中，智能裝飾畫(huà)會(huì)對(duì)用戶聲音的響度、音調(diào)和音色進(jìn)行收集分析，進(jìn)而識(shí)別用戶當(dāng)前的情緒來(lái)改變裝飾畫(huà)的顏色。表情模式中，智能裝飾畫(huà)可以識(shí)別用戶的6面部基本情緒（快樂(lè)、興趣、厭惡、恐懼、悲傷和憤怒），目前對(duì)于數(shù)據(jù)集中動(dòng)態(tài)圖像的信息提取與篩選技術(shù)較為成熟，面部情緒識(shí)別技術(shù)在ImageNet數(shù)據(jù)集的識(shí)別率經(jīng)過(guò)深度學(xué)習(xí)算法，已經(jīng)提升到95.06。當(dāng)檢測(cè)到用戶表情悲傷時(shí)，裝飾畫(huà)變成較高飽和度和明度的風(fēng)景畫(huà)來(lái)緩解用戶的情緒，如圖13所示。

圖13 智能色彩及裝飾環(huán)境設(shè)計(jì)Fig. 13 Intelligent color and decoration environment design

3.4 溫濕度環(huán)境智能化

人體對(duì)溫濕度的適應(yīng)性是在一定范圍內(nèi)，超過(guò)這個(gè)范圍人體機(jī)能就會(huì)受到損傷[8]。為了給用戶提供更健康的旅行體驗(yàn)，在居住空間設(shè)計(jì)中融入智能化溫濕度設(shè)計(jì)，根據(jù)用戶對(duì)不同時(shí)間的溫濕度需求進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，如下式：

其中：ssd為人體舒適度指數(shù)，t為平均氣溫，f為相對(duì)濕度，v為風(fēng)速。

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《郵輪規(guī)范（2017）》中對(duì)乘客所處室內(nèi)溫濕度環(huán)境的基本要求，結(jié)合人體舒適指數(shù)規(guī)范，當(dāng)指數(shù)處于59～70時(shí)，是最為合適的溫濕度環(huán)境，那么人體舒適度指數(shù)方程變?yōu)橄率剑?/p>

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

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

由圖14可知，在郵輪標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(shù)成正比關(guān)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(shù)呈正比關(guān)系；在溫濕度一定的條件下，空氣流速與人體舒適指數(shù)呈反比關(guān)系。在影響舒適度的3個(gè)條件中，其中空氣溫度對(duì)人體舒適指數(shù)的影響最大，濕度影響最小。

智能溫濕環(huán)境主要依靠空調(diào)運(yùn)行來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖15所示。智能空調(diào)控制一般包括前端、中端、后端。前端是指室外溫度、濕度、風(fēng)速的采集模塊，中端是通過(guò)藍(lán)牙或者無(wú)線將前端采集的信息進(jìn)行接收，并對(duì)溫度、濕度、風(fēng)速及綜合指數(shù)進(jìn)行分析，以此來(lái)控制空調(diào)的具體運(yùn)行工作，并且通過(guò)信息顯示終端進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。除此之外，智能空調(diào)控制還可以對(duì)人體體溫晝夜規(guī)律進(jìn)行識(shí)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(cè)物體的情況下，依靠紅外線的輻射所產(chǎn)生電壓獲得溫度值，進(jìn)而把數(shù)值傳到智能空調(diào)系統(tǒng)中處理分析，以此來(lái)對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫濕環(huán)境的智能化。

圖15 智能空調(diào)控制與人體晝夜規(guī)律關(guān)系Fig.15 The intelligent air conditioning control and the human body day and night rule relations

4 結(jié)語(yǔ)

本文面向?qū)⑧]輪居住空間的智能化設(shè)計(jì)，首先提出了智能環(huán)境設(shè)計(jì)原則，對(duì)人體相關(guān)生理指標(biāo)變化規(guī)律及其與環(huán)境要素的動(dòng)態(tài)改變間的關(guān)系進(jìn)行了較深入研究。最后面向郵輪居住空間，針對(duì)每種要素的智能化機(jī)制，提出了切實(shí)可行的解決方案。可達(dá)到讓環(huán)境要素根據(jù)用戶的生理狀態(tài)變化做出合理調(diào)整的目的，從而體現(xiàn)出環(huán)境之于人的智慧性、合理性和人文關(guān)懷性。本文研究結(jié)論可為將智能環(huán)境設(shè)計(jì)引入郵輪居住環(huán)境構(gòu)建中提供一定的理論支持和依據(jù)。