海上光污染對船舶駕駛員視覺績效影響的研究

黃 成，朱金善

(大連海事大學(xué) 航海學(xué)院 ，遼寧 大連 116026)

海上光污染對船舶駕駛員視覺績效影響的研究

黃 成，朱金善

(大連海事大學(xué) 航海學(xué)院 ，遼寧 大連 116026)

為了研究海上光污染對船舶夜航安全的影響，從人眼視覺原理出發(fā)，探討了海上光污染對船舶駕駛?cè)藛T視覺績效的影響，并針對海上光污染對視覺績效的影響機理，從船員選拔和背景燈光控制兩方面提出了相應(yīng)的建議與對策，對船員選拔及港口光污染的控制具有一定的參考意義。

光污染；船舶駕駛?cè)藛T；視覺機理；

適宜的光照不僅可以給人們生活、作業(yè)提供一個良好的光環(huán)境，而且還能改善人們生活質(zhì)量、提高工作效率以及增加生產(chǎn)效益等，然而，當過多的光聚集在一起時則會引起反作用。在陸上，當燈光對人、動植物及環(huán)境等造成不良影響時，稱之為光污染。對于海上光污染的定義，有學(xué)者指出：海上光污染是指海濱城市夜間照明、海上燈光捕魚等作業(yè)照明所產(chǎn)生的逸散光、反射光和眩光等對人、海洋生物造成干擾或負面影響的現(xiàn)象。

作為人、船、環(huán)境三者中的核心，船舶駕駛?cè)藛T對維護船舶安全、保護海洋環(huán)境起著決定性的作用。在夜間，駕駛?cè)藛T主要通過視覺瞭望識別他船號燈以獲取船舶類型、船舶尺度以及航行動態(tài)等信息，而這些信息是船舶駕駛?cè)藛T判斷碰撞危險，進行避碰決策的主要依據(jù)之一。

由于船舶夜航的環(huán)境特點，加上海上光污染的影響，駕駛?cè)藛T的視覺績效不免會受到不同程度的影響，從而導(dǎo)致夜間瞭望效果下降，使船舶的夜航安全受到威脅。因此，文章以船舶夜航安全為研究目的，利用光學(xué)和視覺工效學(xué)來探討海上光污染對人眼視覺績效的影響，并針對其影響給出相應(yīng)的建議。

1 人眼的視覺原理

在夜間，視覺瞭望是所有瞭望手段中最簡單、方便的瞭望方法。其原理是通過眼睛將附近的船舶號燈和助航燈標成像后通過神經(jīng)系統(tǒng)輸送到大腦形成綜合影像，并形成駕駛?cè)藛T對船舶會遇態(tài)勢和所在位置等的判斷，這個過程主要包含視網(wǎng)膜的感光和顏色視覺兩部分。

1.1 視網(wǎng)膜的感光

船舶駕駛?cè)藛T在夜間進行瞭望時，外界環(huán)境中的光經(jīng)過人眼最終抵達視網(wǎng)膜形成圖像。正常人眼的視網(wǎng)膜中含有約1.3×108個感光細胞，感光細胞分為錐體細胞和桿體細胞，在進行視覺瞭望時這些感光細胞承擔著轉(zhuǎn)換器的功能。當感光細胞接受光刺激時，轉(zhuǎn)變?yōu)樯窠?jīng)沖動，經(jīng)雙極細胞和神經(jīng)節(jié)細胞，由視神經(jīng)傳導(dǎo)到大腦視覺中樞，從而完成視覺信息的傳遞。

在不同光環(huán)境刺激下兩種感光細胞承擔著不同的功能。

1)明視覺響應(yīng)，即人眼適應(yīng)大于或等于3 cd/m2的視場亮度后，在這種較為明亮的視覺環(huán)境下由錐體細胞起作用，在這種環(huán)境下錐體細胞可以敏銳地識別物體光色和形狀細節(jié)，因此，又稱為明視覺感光細胞。

2)暗視覺響應(yīng)，即人眼適應(yīng)小于10-2cd/m2的視場亮度后，此時光環(huán)境亮度較弱，人眼中的桿體細胞開始發(fā)揮作用，并且有敏銳的識別能力，缺點是沒有顏色分辨能力。在暗夜下承擔主要視覺作業(yè)的桿體細胞又稱為暗視覺感光細胞。

3)中間視覺響應(yīng)，即光環(huán)境亮度介于明視覺和暗視覺之間，人眼逐漸由錐體細胞的明視覺轉(zhuǎn)向桿體細胞的暗視覺。

1.2 顏色視覺過程

視網(wǎng)膜中的錐體細胞負責(zé)對信號燈顏色的辨認，顏色視覺的形成過程分為2個階段。

第1階段是視網(wǎng)膜內(nèi)存在3種獨立的視錐細胞(R、G、B)，他們對不同波長輻射的光譜進行選擇性吸收，而每種細胞也可單獨感受黑白反應(yīng)，這個階段與楊-赫姆霍爾茲三色學(xué)說相符。

第2階段是在光刺激由視錐細胞向視覺中樞傳導(dǎo)中這3種反應(yīng)重新組合，形成3組對立神經(jīng)反應(yīng)，即紅-綠、黃-藍及白-黑,這與赫林四色學(xué)說相符合,視覺過程的最后階段發(fā)生在大腦皮層的視覺中樞,使人產(chǎn)生明暗及顏色感覺，對刺激的明暗感受與顏色的感覺過程是相互交織的。

2 海上光污染對船舶駕駛?cè)藛T視覺的影響機理

船舶駕駛?cè)藛T是指船長、值班駕駛?cè)藛T、引航員等實際下達指揮船舶操縱口令的人員，駕駛?cè)藛T的實際操船過程可簡化為“刺激→感覺→判斷→行動”。在值班期間途經(jīng)海上光污染及其附近水域時，他船號燈和助航燈標的光線混雜著海上污染光通過刺激駕駛?cè)藛T的視覺細胞傳送至神經(jīng)中樞產(chǎn)生感覺，混合的光使駕駛?cè)藛T對實際情況產(chǎn)生錯誤判斷，可能采取錯誤的行動。

2.1 視力下降

船舶駕駛?cè)藛T主要通過視覺和聽覺來獲取外界航行信息，其中80%以上的信息獲取與視覺有關(guān)。因此，駕駛?cè)藛T的視覺質(zhì)量對于保障船舶夜航安全來說至關(guān)重要。

由于夜航的環(huán)境特點，夜間駕駛?cè)藛T的正常視力相比白天明顯下降，一般只能達到白天視力的50%左右,尤其在雨、雪、霧等天氣狀況不良的情況下，視力還會銳減，加上海上光污染的影響，視力的變化更為明顯。有研究表明，過量的光輻射使人眼的視力下降，輻射能量越大，其下降效果越明顯，嚴重者可能會損傷視網(wǎng)膜，導(dǎo)致視網(wǎng)膜脫落。此外，這種明暗光環(huán)境變化對駕駛?cè)藛T視力的適應(yīng)水平也有一定影響。

2.2 視覺疲勞

人眼識別物標與照相機拍攝照片原理類似，有3個視覺神經(jīng)元分布在視網(wǎng)膜上，他們會在每個單元的神經(jīng)突觸處匯合。神經(jīng)突觸的作用就是保證光信號從感光細胞到大腦皮層的單向傳導(dǎo)和神經(jīng)纖維對刺激狀態(tài)的積累作用，在視神經(jīng)突觸向大腦皮層傳播的脈沖電流使人們產(chǎn)生視覺。當駕駛?cè)藛T眼睛感知外界環(huán)境的光線時，物標會通過屈光系統(tǒng)在視網(wǎng)膜上成像，刺激感光細胞發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生電荷信號，使視神經(jīng)產(chǎn)生興奮，并傳至視覺中樞，駕駛?cè)藛T可以感知物標的存在。

港口及其附近水域一般是海上光污染的主要污染區(qū)。由于夜間作業(yè)和樹立濱海城市形象的需要，景觀燈光和照明用燈發(fā)射出來的光線相互干擾和疊加。當光線過多疊加在一起時，容易引起水域光環(huán)境中的照度分布不均勻，不同照度的光線會使進入駕駛?cè)藛T眼睛的光線強度不同。為了保證物標的準確成像，駕駛?cè)藛T的眼睛屈光系統(tǒng)需要不斷運轉(zhuǎn)以適應(yīng)不同強度的光照，其眼睛負荷將會增加，容易引起視覺疲勞導(dǎo)致無法正常值班。

2.3 色彩適應(yīng)

2.3.1 感光敏感度的變化

人眼能識別380～780 nm光波波長，在這個區(qū)間能分辨出不同波長所表現(xiàn)出來的顏色，分別是紅、橙、黃、綠、青、藍、紫。人眼對不同波長光的感光敏感度不同，一般來說，人眼對綠光最敏感，紅、藍光敏感度較低。

在無光污染水域夜航時，駕駛?cè)藛T瞭望環(huán)境處于暗視覺狀態(tài)，當航行至海上光污染影響水域時，瞭望視場亮度則會變?yōu)槊饕曈X狀態(tài)，在這個過程中駕駛?cè)藛T的視覺會經(jīng)歷由暗到明的變化，人眼在明暗變化時對不同波長可見光靈敏度不同，CIE通過大量實驗研究了人眼對不同波長光的平均反應(yīng)靈敏度，提出了“光譜光視效率曲線”，如圖1示。

圖1 光譜光視效率曲線

格拉斯曼定律指出，在一個特定的光環(huán)境中，如果多種顏色同時顯示，將會產(chǎn)生新的混合色光，而且原先色光的光色屬性差異越大，新的混合色光與原色光的顏色差異就越大。

號燈的顏色是判斷兩船相對方位的主要依據(jù)之一，在海上光污染的影響下多種混合色光會增加駕駛?cè)藛T對船舶號燈燈色辨認的難度，而人眼視覺敏感度的改變又會使燈色辨認更加困難。

2.3.2 色適應(yīng)

在一定亮度的光環(huán)境中，對環(huán)境中的顏色變化人眼會產(chǎn)生適應(yīng)的過程。當人眼觀察某種色光一段時間后，再觀察其他不同顏色的物體時，不能立即獲得客觀的顏色印象，而帶有原適應(yīng)色光的補色成分，需要一段時間適應(yīng)后才能獲得物體的實際顏色印象，這就是色適應(yīng)。

海上光污染及其附近水域一般存在多種顏色的混合色光，當駕駛?cè)藛T對背景顏色燈光適應(yīng)后，再觀察其他信號燈的顏色，此時無法立即獲得信號燈的顏色，需要經(jīng)過一段時間后才能準確識別信號燈的顏色。如果當時交通環(huán)境非常復(fù)雜，那么駕駛?cè)藛T有可能會在這段時間內(nèi)對實際燈色產(chǎn)生誤認，對船舶會遇態(tài)勢的判斷也并非正確，嚴重時可能會造成船舶事故。

2.4 明暗視覺適應(yīng)

當視場亮度發(fā)生變化，人眼要穩(wěn)定到變化后的正常視覺狀態(tài)需要經(jīng)歷一段時間，這種現(xiàn)象稱為明暗視覺適應(yīng)，明暗視覺適應(yīng)又可分為明適應(yīng)和暗適應(yīng)。視場亮度由暗突然到亮的適應(yīng)是明適應(yīng)，大約需要2～3 min；視場亮度由亮突然到暗的適應(yīng)稱為暗適應(yīng)，通常需要5～20 min，要實現(xiàn)完全適應(yīng)需要0.5 h。

在海上光污染水域夜航時，船舶駕駛?cè)藛T需要通過瞭望和觀察航海儀器來確保夜航的安全，在這個過程中駕駛?cè)藛T的視覺會經(jīng)歷明-暗-明的變化，在明暗視場的變化期間駕駛?cè)藛T的眼睛需要對變化的光環(huán)境進行適應(yīng)性調(diào)節(jié)。由于海上交通環(huán)境的未知性，在人眼適應(yīng)光環(huán)境變化期間船舶存在潛在的危險性。

3 船舶夜航安全對策

通過分析海上光污染對船舶駕駛?cè)藛T視覺績效的影響機理，可以明確海上光污染會降低駕駛?cè)藛T視力，造成駕駛?cè)藛T視覺疲勞，影響駕駛?cè)藛T對信號燈的顏色辨認以及使船舶駕駛?cè)藛T經(jīng)歷明暗適應(yīng)的過程。一般來說，前三者的影響主要是光環(huán)境起主導(dǎo)因素，而明暗適應(yīng)的時間則取決于駕駛?cè)藛T視覺特性。因此，針對海上光污染對船舶駕駛?cè)藛T視覺績效的影響機理，從光環(huán)境的控制和船員的選拔方面提出相應(yīng)的建議。

3.1 對污染光源進行控制

1)控制背景燈光亮度，以減小高亮度燈光對駕駛?cè)藛T視力的影響。同時，減小燈光的亮度還能節(jié)能減排，這與可持續(xù)發(fā)展理念相符。

2)控制背景燈光的照射角度，避免岸上燈光直射海面水域或船舶駕駛臺。此外，對于已建成的燈光設(shè)施，可以在不影響作業(yè)前提下加蓋籠罩。

3)合理選用背景燈光顏色，應(yīng)根據(jù)船舶號燈顏色屬性選用合理的景觀照明和工作用燈，避免混合光色對信號燈識別造成影響。

4)合理布置燈具，燈具布置密度應(yīng)適宜，避免布置多種不同強度的燈光，盡量使光環(huán)境照度均勻，以防止夜航船舶駕駛?cè)藛T產(chǎn)生視覺疲勞。

3.2 進行暗適應(yīng)檢查

船舶在海上光污染及其附近水域夜航時，駕駛?cè)藛T需要具備良好的暗適應(yīng)能力。如果值班駕駛?cè)藛T的暗適應(yīng)能力較弱，那么在高亮度背景海域瞭望后回到暗處時，將不能及時地轉(zhuǎn)變到暗視覺狀態(tài)。海上交通瞬息萬變，如果在此期間出現(xiàn)危險狀況，駕駛?cè)藛T將不能及時發(fā)現(xiàn)危險目標并采取應(yīng)急對策，從而可能導(dǎo)致船舶事故的發(fā)生。

測試暗適應(yīng)能力是檢查視覺功能的一種基本方法，視域的升高、屈光間質(zhì)的混濁以及瞳孔的大小都會對檢查結(jié)果造成影響。年齡增加，晶體的逐漸硬化，瞳孔縮小，光敏度下降等均可引起暗適應(yīng)能力的減退 。因此，在選拔船舶駕駛?cè)藛T時，除檢查視力外，還要檢查駕駛?cè)藛T的暗適應(yīng)水平。

4 結(jié) 論

隨著沿海城市景觀燈光亮化進程的加快，加上港口夜間作業(yè)日益繁忙，海上光污染的影響越來越嚴重。駕駛?cè)藛T作為船舶夜航安全的核心和主體，為保障船舶夜航的安全，在港口光環(huán)境的設(shè)計中必須做到以人為本，所有的照明設(shè)計必須以駕駛?cè)藛T的視覺績效為主要評價因子。此外，加入暗適應(yīng)檢查是船員選拔時需要考慮的一個指標，這對于船舶夜航安全來說尤為重要。只有從多方面考慮，才能最大限度降低海上光污染對船舶夜航安全的影響。

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StudyonImpactofLightPollutionatSeauponShipNavigator’sVisual

HUANGCheng,ZHUJinshan

(Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian 116026,Liaoning,P.R.China)

In order to study the impact of light pollution at sea upon safety of the ships navigation at night, starting from navigator’s visual mechanism, the influence of the light pollution at sea upon the ship navigator’s visual perfomance were discussed; The advises and countermeasures were proposed from two aspects inculding the crews selection and the background lighting control for the impact of the mechanism of light pollution at sea , It was of reference significance to the crew selection and port light pollution control.

light pollution at sea; ship navigator; visual mechanism

2017-03-10

黃成(1994-)，男，大連海軍大學(xué)航海學(xué)院碩士生，主要從事水上交通安全保障研究。