海上光污染对船舶驾驶员视觉绩效影响的研究

黄 成，朱金善

(大连海事大学 航海学院 ，辽宁 大连 116026)

海上光污染对船舶驾驶员视觉绩效影响的研究

黄 成，朱金善

(大连海事大学 航海学院 ，辽宁 大连 116026)

为了研究海上光污染对船舶夜航安全的影响，从人眼视觉原理出发，探讨了海上光污染对船舶驾驶人员视觉绩效的影响，并针对海上光污染对视觉绩效的影响机理，从船员选拔和背景灯光控制两方面提出了相应的建议与对策，对船员选拔及港口光污染的控制具有一定的参考意义。

光污染；船舶驾驶人员；视觉机理；

适宜的光照不仅可以给人们生活、作业提供一个良好的光环境，而且还能改善人们生活质量、提高工作效率以及增加生产效益等，然而，当过多的光聚集在一起时则会引起反作用。在陆上，当灯光对人、动植物及环境等造成不良影响时，称之为光污染。对于海上光污染的定义，有学者指出：海上光污染是指海滨城市夜间照明、海上灯光捕鱼等作业照明所产生的逸散光、反射光和眩光等对人、海洋生物造成干扰或负面影响的现象。

作为人、船、环境三者中的核心，船舶驾驶人员对维护船舶安全、保护海洋环境起着决定性的作用。在夜间，驾驶人员主要通过视觉瞭望识别他船号灯以获取船舶类型、船舶尺度以及航行动态等信息，而这些信息是船舶驾驶人员判断碰撞危险，进行避碰决策的主要依据之一。

由于船舶夜航的环境特点，加上海上光污染的影响，驾驶人员的视觉绩效不免会受到不同程度的影响，从而导致夜间瞭望效果下降，使船舶的夜航安全受到威胁。因此，文章以船舶夜航安全为研究目的，利用光学和视觉工效学来探讨海上光污染对人眼视觉绩效的影响，并针对其影响给出相应的建议。

1 人眼的视觉原理

在夜间，视觉瞭望是所有瞭望手段中最简单、方便的瞭望方法。其原理是通过眼睛将附近的船舶号灯和助航灯标成像后通过神经系统输送到大脑形成综合影像，并形成驾驶人员对船舶会遇态势和所在位置等的判断，这个过程主要包含视网膜的感光和颜色视觉两部分。

1.1 视网膜的感光

船舶驾驶人员在夜间进行瞭望时，外界环境中的光经过人眼最终抵达视网膜形成图像。正常人眼的视网膜中含有约1.3×108个感光细胞，感光细胞分为锥体细胞和杆体细胞，在进行视觉瞭望时这些感光细胞承担着转换器的功能。当感光细胞接受光刺激时，转变为神经冲动，经双极细胞和神经节细胞，由视神经传导到大脑视觉中枢，从而完成视觉信息的传递。

在不同光环境刺激下两种感光细胞承担着不同的功能。

1)明视觉响应，即人眼适应大于或等于3 cd/m2的视场亮度后，在这种较为明亮的视觉环境下由锥体细胞起作用，在这种环境下锥体细胞可以敏锐地识别物体光色和形状细节，因此，又称为明视觉感光细胞。

2)暗视觉响应，即人眼适应小于10-2cd/m2的视场亮度后，此时光环境亮度较弱，人眼中的杆体细胞开始发挥作用，并且有敏锐的识别能力，缺点是没有颜色分辨能力。在暗夜下承担主要视觉作业的杆体细胞又称为暗视觉感光细胞。

3)中间视觉响应，即光环境亮度介于明视觉和暗视觉之间，人眼逐渐由锥体细胞的明视觉转向杆体细胞的暗视觉。

1.2 颜色视觉过程

视网膜中的锥体细胞负责对信号灯颜色的辨认，颜色视觉的形成过程分为2个阶段。

第1阶段是视网膜内存在3种独立的视锥细胞(R、G、B)，他们对不同波长辐射的光谱进行选择性吸收，而每种细胞也可单独感受黑白反应，这个阶段与杨-赫姆霍尔兹三色学说相符。

第2阶段是在光刺激由视锥细胞向视觉中枢传导中这3种反应重新组合，形成3组对立神经反应，即红-绿、黄-蓝及白-黑,这与赫林四色学说相符合,视觉过程的最后阶段发生在大脑皮层的视觉中枢,使人产生明暗及颜色感觉，对刺激的明暗感受与颜色的感觉过程是相互交织的。

2 海上光污染对船舶驾驶人员视觉的影响机理

船舶驾驶人员是指船长、值班驾驶人员、引航员等实际下达指挥船舶操纵口令的人员，驾驶人员的实际操船过程可简化为“刺激→感觉→判断→行动”。在值班期间途经海上光污染及其附近水域时，他船号灯和助航灯标的光线混杂着海上污染光通过刺激驾驶人员的视觉细胞传送至神经中枢产生感觉，混合的光使驾驶人员对实际情况产生错误判断，可能采取错误的行动。

2.1 视力下降

船舶驾驶人员主要通过视觉和听觉来获取外界航行信息，其中80%以上的信息获取与视觉有关。因此，驾驶人员的视觉质量对于保障船舶夜航安全来说至关重要。

由于夜航的环境特点，夜间驾驶人员的正常视力相比白天明显下降，一般只能达到白天视力的50%左右,尤其在雨、雪、雾等天气状况不良的情况下，视力还会锐减，加上海上光污染的影响，视力的变化更为明显。有研究表明，过量的光辐射使人眼的视力下降，辐射能量越大，其下降效果越明显，严重者可能会损伤视网膜，导致视网膜脱落。此外，这种明暗光环境变化对驾驶人员视力的适应水平也有一定影响。

2.2 视觉疲劳

人眼识别物标与照相机拍摄照片原理类似，有3个视觉神经元分布在视网膜上，他们会在每个单元的神经突触处汇合。神经突触的作用就是保证光信号从感光细胞到大脑皮层的单向传导和神经纤维对刺激状态的积累作用，在视神经突触向大脑皮层传播的脉冲电流使人们产生视觉。当驾驶人员眼睛感知外界环境的光线时，物标会通过屈光系统在视网膜上成像，刺激感光细胞发生反应，产生电荷信号，使视神经产生兴奋，并传至视觉中枢，驾驶人员可以感知物标的存在。

港口及其附近水域一般是海上光污染的主要污染区。由于夜间作业和树立滨海城市形象的需要，景观灯光和照明用灯发射出来的光线相互干扰和叠加。当光线过多叠加在一起时，容易引起水域光环境中的照度分布不均匀，不同照度的光线会使进入驾驶人员眼睛的光线强度不同。为了保证物标的准确成像，驾驶人员的眼睛屈光系统需要不断运转以适应不同强度的光照，其眼睛负荷将会增加，容易引起视觉疲劳导致无法正常值班。

2.3 色彩适应

2.3.1 感光敏感度的变化

人眼能识别380～780 nm光波波长，在这个区间能分辨出不同波长所表现出来的颜色，分别是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。人眼对不同波长光的感光敏感度不同，一般来说，人眼对绿光最敏感，红、蓝光敏感度较低。

在无光污染水域夜航时，驾驶人员瞭望环境处于暗视觉状态，当航行至海上光污染影响水域时，瞭望视场亮度则会变为明视觉状态，在这个过程中驾驶人员的视觉会经历由暗到明的变化，人眼在明暗变化时对不同波长可见光灵敏度不同，CIE通过大量实验研究了人眼对不同波长光的平均反应灵敏度，提出了“光谱光视效率曲线”，如图1示。

图1 光谱光视效率曲线

格拉斯曼定律指出，在一个特定的光环境中，如果多种颜色同时显示，将会产生新的混合色光，而且原先色光的光色属性差异越大，新的混合色光与原色光的颜色差异就越大。

号灯的颜色是判断两船相对方位的主要依据之一，在海上光污染的影响下多种混合色光会增加驾驶人员对船舶号灯灯色辨认的难度，而人眼视觉敏感度的改变又会使灯色辨认更加困难。

2.3.2 色适应

在一定亮度的光环境中，对环境中的颜色变化人眼会产生适应的过程。当人眼观察某种色光一段时间后，再观察其他不同颜色的物体时，不能立即获得客观的颜色印象，而带有原适应色光的补色成分，需要一段时间适应后才能获得物体的实际颜色印象，这就是色适应。

海上光污染及其附近水域一般存在多种颜色的混合色光，当驾驶人员对背景颜色灯光适应后，再观察其他信号灯的颜色，此时无法立即获得信号灯的颜色，需要经过一段时间后才能准确识别信号灯的颜色。如果当时交通环境非常复杂，那么驾驶人员有可能会在这段时间内对实际灯色产生误认，对船舶会遇态势的判断也并非正确，严重时可能会造成船舶事故。

2.4 明暗视觉适应

当视场亮度发生变化，人眼要稳定到变化后的正常视觉状态需要经历一段时间，这种现象称为明暗视觉适应，明暗视觉适应又可分为明适应和暗适应。视场亮度由暗突然到亮的适应是明适应，大约需要2～3 min；视场亮度由亮突然到暗的适应称为暗适应，通常需要5～20 min，要实现完全适应需要0.5 h。

在海上光污染水域夜航时，船舶驾驶人员需要通过瞭望和观察航海仪器来确保夜航的安全，在这个过程中驾驶人员的视觉会经历明-暗-明的变化，在明暗视场的变化期间驾驶人员的眼睛需要对变化的光环境进行适应性调节。由于海上交通环境的未知性，在人眼适应光环境变化期间船舶存在潜在的危险性。

3 船舶夜航安全对策

通过分析海上光污染对船舶驾驶人员视觉绩效的影响机理，可以明确海上光污染会降低驾驶人员视力，造成驾驶人员视觉疲劳，影响驾驶人员对信号灯的颜色辨认以及使船舶驾驶人员经历明暗适应的过程。一般来说，前三者的影响主要是光环境起主导因素，而明暗适应的时间则取决于驾驶人员视觉特性。因此，针对海上光污染对船舶驾驶人员视觉绩效的影响机理，从光环境的控制和船员的选拔方面提出相应的建议。

3.1 对污染光源进行控制

1)控制背景灯光亮度，以减小高亮度灯光对驾驶人员视力的影响。同时，减小灯光的亮度还能节能减排，这与可持续发展理念相符。

2)控制背景灯光的照射角度，避免岸上灯光直射海面水域或船舶驾驶台。此外，对于已建成的灯光设施，可以在不影响作业前提下加盖笼罩。

3)合理选用背景灯光颜色，应根据船舶号灯颜色属性选用合理的景观照明和工作用灯，避免混合光色对信号灯识别造成影响。

4)合理布置灯具，灯具布置密度应适宜，避免布置多种不同强度的灯光，尽量使光环境照度均匀，以防止夜航船舶驾驶人员产生视觉疲劳。

3.2 进行暗适应检查

船舶在海上光污染及其附近水域夜航时，驾驶人员需要具备良好的暗适应能力。如果值班驾驶人员的暗适应能力较弱，那么在高亮度背景海域瞭望后回到暗处时，将不能及时地转变到暗视觉状态。海上交通瞬息万变，如果在此期间出现危险状况，驾驶人员将不能及时发现危险目标并采取应急对策，从而可能导致船舶事故的发生。

测试暗适应能力是检查视觉功能的一种基本方法，视域的升高、屈光间质的混浊以及瞳孔的大小都会对检查结果造成影响。年龄增加，晶体的逐渐硬化，瞳孔缩小，光敏度下降等均可引起暗适应能力的减退 。因此，在选拔船舶驾驶人员时，除检查视力外，还要检查驾驶人员的暗适应水平。

4 结 论

随着沿海城市景观灯光亮化进程的加快，加上港口夜间作业日益繁忙，海上光污染的影响越来越严重。驾驶人员作为船舶夜航安全的核心和主体，为保障船舶夜航的安全，在港口光环境的设计中必须做到以人为本，所有的照明设计必须以驾驶人员的视觉绩效为主要评价因子。此外，加入暗适应检查是船员选拔时需要考虑的一个指标，这对于船舶夜航安全来说尤为重要。只有从多方面考虑，才能最大限度降低海上光污染对船舶夜航安全的影响。

[1] 朱金善,孙立成,戴冉,等.海上光污染及对现行《国际海上避碰规则》的修改意见[J].中国航海,2006(2):29-33.

[2] 卜伶俐.城市道路灯光照明对行车安全的影响[D].成都:西南交通大学,2013.

[3] 金伟其,胡威捷.辐射度、光度与色度及其测量[M].北京:北京理工大学出版社,2006：26-28.

[4] 马勇,付锐.驾驶人视觉特性与行车安全研究进展[J].中国公路学报,2015,28(6):82-94.

[5] 罗慧屏,林沛文,谢超群.年龄对船员暗适应能力的影响[J].中国社区医师：医学专业,2012,14(20):353-354.

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

黄成(1994-)，男，大连海军大学航海学院硕士生，主要从事水上交通安全保障研究。