船舶駕駛室夜航光環(huán)境優(yōu)化

鄭鵬宇， 印士波， 史 軍， 韓慶楠

(中船航?？萍加邢挢熑喂?系統(tǒng)集成室， 北京 100070)

0 引 言

船舶駕駛室是全船指揮、航海、通信、機電控制中心，是全船協(xié)同開展各種活動的中樞。隨著現(xiàn)代船舶信息化程度的日益提高，駕駛室內(nèi)的各種集中顯示設(shè)備數(shù)量逐漸增多，在提高航行效率的同時也使駕駛室的光環(huán)境更為復雜，特別是在夜晚航行時造成的影響更為顯著。

(1) 夜間航行時背景光較暗，假如顯示設(shè)備過亮，會在舷窗玻璃上形成強烈的反射，致使航海者無法看清海上情況(如漁船或遠處燈塔發(fā)出的微弱燈光)，易導致航行事故。

(2) 長時間在亮度較高的環(huán)境中工作，會激活人眼桿狀細胞，在黑夜中觀察海況時，會有一段時間的夜盲癥狀，造成觀測障礙，產(chǎn)生安全隱患[1-2]。

(3) 航海者在暗環(huán)境下長時間地觀察明亮的目標，容易產(chǎn)生視疲勞，引發(fā)不適感，進而影響其工作效率[3]。

為此，對船舶駕駛室夜航模式下的光環(huán)境進行研究并提出優(yōu)化方案，提高航海者的視覺舒適度，使其在清晰觀察駕駛室內(nèi)顯示設(shè)備的同時，能夠有效地觀測海況，以達到安全、高效航海的目的。

1 駕駛室光環(huán)境理論分析

1.1 亮度對比度

根據(jù)發(fā)光目標與背景亮度的差異，可以定義亮度對比度C[4-5]為

C=|L0-Lb|/Lb=ΔL/Lb

(1)

式中：L0為目標亮度，cd/m2；Lb為背景亮度，cd/m2；ΔL為亮度差，cd/m2，表示目標與背景亮度的差異。

目標剛能被人眼識別時的亮度對比度為Ct，并稱之為臨界對比度，此時的亮度差為臨界亮度差ΔLt，并可定義可見水平(Visibility Level， VL)為

SVL=C/Ct=ΔL/ΔLt

(2)

可見VL值越大，目標與背景之間的亮度差越大，即目標的清晰度越高。然而，VL值太高也會降低視覺舒適性，增加視覺疲勞感。

船舶夜航時，駕駛室內(nèi)的背景光越弱，在相同VL的條件下，對顯示設(shè)備亮度的要求就越低，對相同亮度海上目標的VL就越高，航海者的夜航視覺舒適度就越好。并且，駕駛室內(nèi)的顯示設(shè)備亮度也反過來會影響背景光的亮度。因此，必須合理地選擇VL的值，使航海者能在清晰、輕松地觀察相關(guān)顯示設(shè)備的同時，也能較清晰地分辨海上目標。

1.2 顏色對比度

色度學中的顏色混合原理[6]為：不同顏色的混合將產(chǎn)生混合色，即任何顏色的光可以通過三原色(紅R、綠G、藍B)進行分解，得到1個三維向量[R,G,B]。當多種顏色混合時，根據(jù)格拉斯曼顏色混合的代替律，他們的三原色向量滿足加法原則，即各分量分別相加，以組成混合色的三原色分量。

2個顏色[R1,G1,B1]和[R2,G2,B2]的顏色對比度CC可以定義為他們所對應(yīng)的向量的夾角乘以歸一化系數(shù)

(3)

CC范圍為0～1，其值越大，則顏色屬性相差越大，顏色對比度也就越大。在不考慮人眼對顏色的敏感程度時，若亮度一樣，則CC越大，人眼越容易區(qū)分。因此，在進行信號區(qū)分時，應(yīng)盡可能采用顏色對比度大的色系，這樣可以降低對亮度的需求。

1.3 人眼色覺模型

人眼視網(wǎng)膜是視覺系統(tǒng)的第1級功能性結(jié)構(gòu)，其中負責視覺功能的感光細胞為視桿細胞和視錐細胞[7]。視桿細胞靈敏度高，分辨率較低且不能區(qū)分顏色；視錐細胞靈敏度低，分辨率較高，并且可以分為3種，分別對應(yīng)于光譜中的紅、綠、藍，響應(yīng)度分別為64%、32%和2%，因而能感應(yīng)顏色。這幾種細胞對光譜的相對強度響應(yīng)曲線如圖1所示?？紤]到響應(yīng)度后，歸一化的敏感度曲線如圖2所示。可以看出，視錐細胞對520～600 nm的光譜較敏感，在亮度一定的情況下，可以考慮使用這個區(qū)間的光提高海航者的視覺敏感度。此外，采用暖色調(diào)的光不僅可以提高人眼主觀對比度，還可以提高人眼舒適度。綜上考慮，夜航顯示設(shè)備應(yīng)優(yōu)先采用綠色、紅色及其之間的顏色。

圖1 視桿細胞光譜響應(yīng)曲線

圖2 視錐細胞歸一化光譜敏感曲線

1.4 駕駛室光源

駕駛室內(nèi)發(fā)光設(shè)備和儀器眾多，主要設(shè)備有電子海圖、導航雷達、陀螺/磁羅經(jīng)、航行數(shù)據(jù)記錄儀、計程儀、測深儀、自動舵等，在船舶航行時，這些設(shè)備全天候全天時工作，使得駕駛室光線傳播路徑復雜，其整體光環(huán)境受諸多因素影響和制約。

(1) 各類顯示屏?，F(xiàn)代船舶信息化、自動化和智能化水平日益提高，傳統(tǒng)的機械指針式儀表盤逐漸被數(shù)量眾多的綜合信息顯示設(shè)備所取代，各顯示設(shè)備大多配備高亮度、大尺寸的顯示屏幕，成為夜間航行時主要的光污染源。

(2) 各類指示燈。信息高度集中化和集成化是船舶駕駛室的主要特征，各設(shè)備上安裝數(shù)量眾多的LED狀態(tài)指示燈，用于顯示電源開關(guān)、復位、設(shè)備開啟及運行狀態(tài)、車鐘擋位和報警信息等，其顏色不一，亮度不可調(diào)整，在晚上或較暗環(huán)境中會對駕駛?cè)藛T產(chǎn)生眩光影響。

(3) 透光按鍵。駕駛室存在較多帶發(fā)光功能的操控按鍵，如鍵盤、開關(guān)鍵、功能鍵等。

(4) 駕駛室光折射。駕駛室頂部天花板、墻面和地面均為金屬材質(zhì)，反光較為嚴重，易將設(shè)備發(fā)出的亮光反射到駕駛室舷窗玻璃上，產(chǎn)生反射眩光，令駕駛?cè)藛T產(chǎn)生視覺不適，難以觀察前方目標。

2 優(yōu)化措施

船舶駕駛室光環(huán)境復雜，駕駛?cè)藛T對光環(huán)境綜合要求高，因此對駕駛室夜航光環(huán)境的治理需要從多方面考慮，既需單個設(shè)備發(fā)光滿足CIE標準，又需駕駛室整體光環(huán)境滿足駕駛?cè)藛T的視覺舒適度；既需對硬件進行整改,又需對軟件界面配色進行優(yōu)化，是一個全方面的系統(tǒng)工程。

2.1 整體環(huán)境優(yōu)化

目前船舶駕駛室在光環(huán)境管控方面存在以下問題：一是部分對光環(huán)境產(chǎn)生較大影響的發(fā)光設(shè)備無調(diào)光功能；二是設(shè)備調(diào)光標準不統(tǒng)一，調(diào)光幅度和范圍過多地依賴人員的主觀感受；三是設(shè)備間調(diào)光獨立，缺少區(qū)域化的集中調(diào)光體系，無法對駕駛室整體進行系統(tǒng)科學的管控；四是駕駛室舷窗、頂部天花板、墻面和地面等未進行光線漫射處理，光線反射嚴重。

2.1.1 建立統(tǒng)一的光控體系

駕駛室發(fā)光設(shè)備較多，雖然大多數(shù)設(shè)備均具有調(diào)光功能，但設(shè)備間各自獨立調(diào)光，受操作人員主觀影響較大，且難以形成整體一致的調(diào)光環(huán)境，智能化、自動化和一體化程度較低，難以產(chǎn)生較好的光控效果。為此，建立統(tǒng)一的調(diào)光體系，由分布在各個位置的數(shù)個亮度傳感器智能檢測外界環(huán)境光照度，將參數(shù)傳輸至智能控制端并自動計算出最為合適的艙室亮度，對駕駛室不同區(qū)域進行亮度管控。

駕駛室采用3級調(diào)控架構(gòu)：總控端檢測環(huán)境亮度及照度指標，發(fā)布統(tǒng)一調(diào)節(jié)指令；分控端接收指令后完成區(qū)域性調(diào)節(jié)；設(shè)備端完成硬件亮度、軟件界面配色等具體配置，如圖3所示。

圖3 船舶駕駛室光控整體架構(gòu)

總控端功能：(1)通過傳感器智能感光，采集駕駛室亮度及照度指標，結(jié)合外界環(huán)境，自動匹配最為合適的光亮模式(白天、傍晚、黑夜)，并可在手動設(shè)置模式和智能感光模式之間切換；(2)對駕駛室整體發(fā)布管控指令；(3)根據(jù)駕駛室不同區(qū)域的特點和要求，對各區(qū)域分別發(fā)布管控指令。

分控端功能：(1)執(zhí)行總控模塊指令；(2)通過CAN、以太網(wǎng)等方式對設(shè)備端調(diào)光模塊發(fā)布光控指令。

設(shè)備端功能：(1)執(zhí)行總控模塊、分控模塊指令，可進行模式切換；(2)支持手動調(diào)光模式；(3)通過CAN、以太網(wǎng)、USB、串口等方式對負載發(fā)布光控指令。

2.1.2 艙室優(yōu)化

船舶在夜間航行時，駕駛室內(nèi)各種設(shè)備、儀表、指示燈發(fā)出的光會在艙壁、艙頂、地板上來回反射，最后投射到舷窗玻璃上，使得玻璃上反射出顯示器的畫面，嚴重影響對外界環(huán)境的觀察。目前有一些船舶，尤其是軍用艦船，駕駛室艙頂和艙壁多使用淺灰色(見圖4)，地板多使用淡灰色，這2種顏色色調(diào)明度較高，對光線的反射性較強，使得光污染現(xiàn)象更加嚴重。

圖4 淺灰色

對駕駛艙室表面(艙頂、艙壁、地板等)進行拉毛處理，艙頂盡量不封頂，以減少艙室內(nèi)的漫反射。艙室內(nèi)避免使用較明亮的色彩或是會產(chǎn)生消極情緒的色彩(如紅色、粉色、黑色等)，盡量選擇不飽和的顏色(如深灰色，見圖5)，使整體產(chǎn)生平靜感并且有效減少對光線的反射。

圖5 深灰色

駕駛室舷窗玻璃采用低反射率材料，如雙面鍍AR的夾網(wǎng)玻璃，其原理是利用磁控濺射鍍膜技術(shù)在普通強化玻璃表面鍍上1層減反射膜，有效地減少玻璃本身的反射，增加玻璃的透過率，并使得透過玻璃的色彩更加鮮艷和真實，亦可大幅降低紫外線光譜的透過率，減少紫外線對駕駛?cè)藛T眼睛的傷害。此外，在玻璃外側(cè)表面貼加疏水層鍍膜，使水滴在玻璃表面形成水珠自動滾落而不留痕跡，以解決視線不清的問題。對舷窗玻璃進行特種光學處理以消除海面的波光干擾。

2.1.3 照明設(shè)計

駕駛室內(nèi)部正常白光照明在夜航時全部關(guān)閉，如設(shè)置照明區(qū)域，采用低照度的紅光照明。

2.2 硬件優(yōu)化

2.2.1 顯示器優(yōu)化

現(xiàn)代船舶信息化程度越來越高，各種信息集成顯示設(shè)備成為駕駛室最主要的光源，如果處理不當，在船舶夜間航行時會造成嚴重的黑窗效應(yīng)，影響人員對暗環(huán)境的適應(yīng)。因此，對顯示器發(fā)光效能的改進和優(yōu)化是船舶駕駛室光環(huán)境治理的最重要因素。

(1) 調(diào)光設(shè)計。在顯示器上設(shè)計亮度調(diào)節(jié)功能，通過外部接口(RS-422、以太網(wǎng)口)接收調(diào)光指令并解析，控制調(diào)節(jié)顯示器背光亮度。

如圖6所示，顯示器由單片機串口控制板、背光驅(qū)動板、顯示器驅(qū)動板、OSD(On Screen Display)和調(diào)光按鍵及液晶屏組成。當單片機串口控制板接收到亮度控制命令時，單片機進行如下工作：①按照要求輸出相應(yīng)占空比的PWM信號到按鍵板和背光控制板，對背光的亮度進行調(diào)節(jié)(此時用戶也可通過亮度調(diào)節(jié)按鍵或旋鈕來手動控制背光亮度);②輸出相應(yīng)指令到顯示驅(qū)動板，完成屏幕顯示模式(白天、傍晚、黑夜)及相應(yīng)的亮度調(diào)節(jié)；③向設(shè)備主機發(fā)送配色指令，驅(qū)動應(yīng)用軟件作相應(yīng)的配色變化；④通過串口對接收到總控端或分控端命令進行握手應(yīng)答，并上傳即時狀態(tài)。

圖6 顯示器光控硬件架構(gòu)

為了讓航海者能看清駕駛艙外的情況，必須盡可能消除反射光并降低光環(huán)境的亮度，但是，為了能看清顯示設(shè)備的信息，顯示設(shè)備的亮度不能太低，這一權(quán)衡可以在國際標準IEC 62388[8]的指導下進行，顯示設(shè)備的亮度盡量不要超過IEC 62388規(guī)定的范圍。

亮度調(diào)節(jié)方面：在高亮度區(qū)間，調(diào)光步進可稍大，以加快調(diào)光速度；在低亮度區(qū)間，調(diào)光步進應(yīng)較小，以使其具有較高的調(diào)節(jié)精度。

(2) 色彩校準。不同顯示器由于硬件的差異會產(chǎn)生明度和色彩的偏差，通過對顯示器進行色彩補償和色差校正，使得船舶駕駛室中不同顯示器亮度盡量一致，顏色顯示盡量真實，提高人因工程學效能，減小光環(huán)境差異對人眼造成的不適。

(3) 屏幕優(yōu)化。顯示器屏幕表面貼合AG防眩膜，以消除眩光，減少反射。

2.2.2 其他組件優(yōu)化

設(shè)備信號指示燈亦是駕駛室的主要光源，早期設(shè)備中大量采用電阻式調(diào)光，其原理簡單，但存在亮度調(diào)節(jié)線性度不佳，低亮度下調(diào)節(jié)變化過大的缺點。改用PWM調(diào)光可提高背光亮度調(diào)節(jié)的線性度和平滑度，較好地解決上述問題，并可對高亮度范圍和低亮度范圍分別設(shè)定調(diào)節(jié)精度，或是與調(diào)光編碼器結(jié)合以在全局調(diào)光和局部調(diào)光之間進行切換。

對各類鍵盤和開關(guān)按鍵采用具有PWM精細調(diào)光能力的導光板作為背光源，以減少光污染。在顯示屏和指示燈上加裝遮光罩，以物理方式減少光線泄漏，如圖7所示。

圖7 指示燈遮光罩

2.3 軟件優(yōu)化

根據(jù)IEC 62388要求，船舶駕駛室設(shè)備軟件界面具有白天、黃昏、夜晚等3種模式，以滿足不同光環(huán)境條件下人眼對界面亮度及配色的適應(yīng)性。由于軟件顯示的特點(見圖8)，在夜晚模式下，僅通過降低亮度會嚴重影響人員對畫面的辨識能力，通過對界面配色進行研究，使用黑色背景，紅、綠文字顯示的暖色調(diào)配色方案，使得畫面在夜間模式下保持柔和舒適，清晰可見(見圖9)。此外，根據(jù)人因工程學設(shè)計，在軟件界面模式切換的同時相應(yīng)同步改變顯示器亮度，以實現(xiàn)顯示模式和亮度的匹配。

圖8 優(yōu)化前軟件界面

圖9 優(yōu)化后軟件界面

3 結(jié) 論

從整體布局、設(shè)備硬件、軟件界面等多方面對船舶駕駛室夜航光環(huán)境進行綜合治理與優(yōu)化，駕駛室整體夜航光環(huán)境得到有效控制，設(shè)備發(fā)光亮度顯著降低，經(jīng)過多次長時間夜航驗證，駕駛?cè)藛T普遍反映良好，極大提高航海者的視覺舒適性，實現(xiàn)海上航行的安全性。

4 下一步研究方向

通過夜航光環(huán)境整體優(yōu)化，盡可能地消除船舶航行隱患，取得了較大成效，但整體效果和人機體驗和國外先進船舶相比還有較大差距，在現(xiàn)有技術(shù)成果的基礎(chǔ)上，還有一些工作需要開展：

(1) 繼續(xù)展開船舶夜航光環(huán)境的人因工程學研究，為進一步優(yōu)化光環(huán)境、改進設(shè)備提供理論和數(shù)據(jù)支持。

(2) 制定科學的測試驗證方案，開發(fā)相關(guān)的試驗系統(tǒng)和設(shè)備，使船舶光環(huán)境的研究更加科學化和專業(yè)化。

(3) 在大量理論研究和試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上制定行業(yè)標準，指導船舶駕駛室總體設(shè)計。

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