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(duì)船舶駕駛員視覺績(jī)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(duì)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(duì)船舶駕駛?cè)藛T視覺績(jī)效的影響，并針對(duì)海上光污染對(duì)視覺績(jī)效的影響機(jī)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(duì)策，對(duì)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(jī)理；

適宜的光照不僅可以給人們生活、作業(yè)提供一個(gè)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(dāng)過多的光聚集在一起時(shí)則會(huì)引起反作用。在陸上，當(dāng)燈光對(duì)人、動(dòng)植物及環(huán)境等造成不良影響時(shí)，稱之為光污染。對(duì)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(duì)人、海洋生物造成干擾或負(fù)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(duì)維護(hù)船舶安全、保護(hù)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(shí)別他船號(hào)燈以獲取船舶類型、船舶尺度以及航行動(dòng)態(tài)等信息，而這些信息是船舶駕駛?cè)藛T判斷碰撞危險(xiǎn)，進(jìn)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(diǎn)，加上海上光污染的影響，駕駛?cè)藛T的視覺績(jī)效不免會(huì)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(duì)人眼視覺績(jī)效的影響，并針對(duì)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(jiǎn)單、方便的瞭望方法。其原理是通過眼睛將附近的船舶號(hào)燈和助航燈標(biāo)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(duì)船舶會(huì)遇態(tài)勢(shì)和所在位置等的判斷，這個(gè)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(jìn)行瞭望時(shí)，外界環(huán)境中的光經(jīng)過人眼最終抵達(dá)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(gè)感光細(xì)胞，感光細(xì)胞分為錐體細(xì)胞和桿體細(xì)胞，在進(jìn)行視覺瞭望時(shí)這些感光細(xì)胞承擔(dān)著轉(zhuǎn)換器的功能。當(dāng)感光細(xì)胞接受光刺激時(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)樯窠?jīng)沖動(dòng)，經(jīng)雙極細(xì)胞和神經(jīng)節(jié)細(xì)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(xì)胞承擔(dān)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(chǎng)亮度后，在這種較為明亮的視覺環(huán)境下由錐體細(xì)胞起作用，在這種環(huán)境下錐體細(xì)胞可以敏銳地識(shí)別物體光色和形狀細(xì)節(jié)，因此，又稱為明視覺感光細(xì)胞。

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

1.2 顏色視覺過程

視網(wǎng)膜中的錐體細(xì)胞負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)燈顏色的辨認(rèn)，顏色視覺的形成過程分為2個(gè)階段。

第1階段是視網(wǎng)膜內(nèi)存在3種獨(dú)立的視錐細(xì)胞(R、G、B)，他們對(duì)不同波長(zhǎng)輻射的光譜進(jìn)行選擇性吸收，而每種細(xì)胞也可單獨(dú)感受黑白反應(yīng)，這個(gè)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(xì)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(duì)立神經(jīng)反應(yīng)，即紅-綠、黃-藍(lán)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(duì)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(duì)船舶駕駛?cè)藛T視覺的影響機(jī)理

船舶駕駛?cè)藛T是指船長(zhǎng)、值班駕駛?cè)藛T、引航員等實(shí)際下達(dá)指揮船舶操縱口令的人員，駕駛?cè)藛T的實(shí)際操船過程可簡(jiǎn)化為“刺激→感覺→判斷→行動(dòng)”。在值班期間途經(jīng)海上光污染及其附近水域時(shí)，他船號(hào)燈和助航燈標(biāo)的光線混雜著海上污染光通過刺激駕駛?cè)藛T的視覺細(xì)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(duì)實(shí)際情況產(chǎn)生錯(cuò)誤判斷，可能采取錯(cuò)誤的行動(dòng)。

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(duì)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(diǎn)，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(dá)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(huì)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(yán)重者可能會(huì)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(duì)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(shí)別物標(biāo)與照相機(jī)拍攝照片原理類似，有3個(gè)視覺神經(jīng)元分布在視網(wǎng)膜上，他們會(huì)在每個(gè)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(hào)從感光細(xì)胞到大腦皮層的單向傳導(dǎo)和神經(jīng)纖維對(duì)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(dāng)駕駛?cè)藛T眼睛感知外界環(huán)境的光線時(shí)，物標(biāo)會(huì)通過屈光系統(tǒng)在視網(wǎng)膜上成像，刺激感光細(xì)胞發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生電荷信號(hào)，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(biāo)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(dāng)光線過多疊加在一起時(shí)，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(huì)使進(jìn)入駕駛?cè)藛T眼睛的光線強(qiáng)度不同。為了保證物標(biāo)的準(zhǔn)確成像，駕駛?cè)藛T的眼睛屈光系統(tǒng)需要不斷運(yùn)轉(zhuǎn)以適應(yīng)不同強(qiáng)度的光照，其眼睛負(fù)荷將會(huì)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(shí)別380～780 nm光波波長(zhǎng)，在這個(gè)區(qū)間能分辨出不同波長(zhǎng)所表現(xiàn)出來的顏色，分別是紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫。人眼對(duì)不同波長(zhǎng)光的感光敏感度不同，一般來說，人眼對(duì)綠光最敏感，紅、藍(lán)光敏感度較低。

在無光污染水域夜航時(shí)，駕駛?cè)藛T瞭望環(huán)境處于暗視覺狀態(tài)，當(dāng)航行至海上光污染影響水域時(shí)，瞭望視場(chǎng)亮度則會(huì)變?yōu)槊饕曈X狀態(tài)，在這個(gè)過程中駕駛?cè)藛T的視覺會(huì)經(jīng)歷由暗到明的變化，人眼在明暗變化時(shí)對(duì)不同波長(zhǎng)可見光靈敏度不同，CIE通過大量實(shí)驗(yàn)研究了人眼對(duì)不同波長(zhǎng)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(gè)特定的光環(huán)境中，如果多種顏色同時(shí)顯示，將會(huì)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(hào)燈的顏色是判斷兩船相對(duì)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(huì)增加駕駛?cè)藛T對(duì)船舶號(hào)燈燈色辨認(rèn)的難度，而人眼視覺敏感度的改變又會(huì)使燈色辨認(rèn)更加困難。

2.3.2 色適應(yīng)

在一定亮度的光環(huán)境中，對(duì)環(huán)境中的顏色變化人眼會(huì)產(chǎn)生適應(yīng)的過程。當(dāng)人眼觀察某種色光一段時(shí)間后，再觀察其他不同顏色的物體時(shí)，不能立即獲得客觀的顏色印象，而帶有原適應(yīng)色光的補(bǔ)色成分，需要一段時(shí)間適應(yīng)后才能獲得物體的實(shí)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(dāng)駕駛?cè)藛T對(duì)背景顏色燈光適應(yīng)后，再觀察其他信號(hào)燈的顏色，此時(shí)無法立即獲得信號(hào)燈的顏色，需要經(jīng)過一段時(shí)間后才能準(zhǔn)確識(shí)別信號(hào)燈的顏色。如果當(dāng)時(shí)交通環(huán)境非常復(fù)雜，那么駕駛?cè)藛T有可能會(huì)在這段時(shí)間內(nèi)對(duì)實(shí)際燈色產(chǎn)生誤認(rèn)，對(duì)船舶會(huì)遇態(tài)勢(shì)的判斷也并非正確，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成船舶事故。

2.4 明暗視覺適應(yīng)

當(dāng)視場(chǎng)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(shí)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(chǎng)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(chǎng)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(shí)現(xiàn)完全適應(yīng)需要0.5 h。

在海上光污染水域夜航時(shí)，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(gè)過程中駕駛?cè)藛T的視覺會(huì)經(jīng)歷明-暗-明的變化，在明暗視場(chǎng)的變化期間駕駛?cè)藛T的眼睛需要對(duì)變化的光環(huán)境進(jìn)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(xiǎn)性。

3 船舶夜航安全對(duì)策

通過分析海上光污染對(duì)船舶駕駛?cè)藛T視覺績(jī)效的影響機(jī)理，可以明確海上光污染會(huì)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(duì)信號(hào)燈的顏色辨認(rèn)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(shí)間則取決于駕駛?cè)藛T視覺特性。因此，針對(duì)海上光污染對(duì)船舶駕駛?cè)藛T視覺績(jī)效的影響機(jī)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(duì)污染光源進(jìn)行控制

1)控制背景燈光亮度，以減小高亮度燈光對(duì)駕駛?cè)藛T視力的影響。同時(shí)，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(tái)。此外，對(duì)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(hào)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(duì)信號(hào)燈識(shí)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(qiáng)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(jìn)行暗適應(yīng)檢查

船舶在海上光污染及其附近水域夜航時(shí)，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(shí)，將不能及時(shí)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(xiǎn)狀況，駕駛?cè)藛T將不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)目標(biāo)并采取應(yīng)急對(duì)策，從而可能導(dǎo)致船舶事故的發(fā)生。

測(cè)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(huì)對(duì)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(shí)，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(jìn)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(yán)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(jì)中必須做到以人為本，所有的照明設(shè)計(jì)必須以駕駛?cè)藛T的視覺績(jī)效為主要評(píng)價(jià)因子。此外，加入暗適應(yīng)檢查是船員選拔時(shí)需要考慮的一個(gè)指標(biāo)，這對(duì)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(duì)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。