桥梁亮化工程对水域船舶夜航安全的影响分析

李志荣,朱金善,张文拴,余鉴文

(大连海事大学航海学院，辽宁 大连 116026)

为了提升城市的夜间形象，许多跨江河和海峡海湾的桥梁实施了亮化工程，如杭州湾跨海大桥、港珠澳跨海大桥、南京长江大桥等。合理的桥梁亮化照明不仅能充分展现桥梁景观，还能保障桥下船舶的通航安全。但若亮化桥梁存在不合理的照明就会在通航桥梁附近水域产生光污染，干扰其水域信号灯的可识别性和船舶驾驶人员的正常瞭望，进而影响夜航船舶的安全航行。

为了研究海上光污染对船舶夜航安全的影响与防治对策，朱金善等[1-4]首次从船舶碰撞事故的教训出发，认识到船舶夜航光环境的污染会影响船舶的夜航安全，并从光学、色度学和视觉工效等方面研究了海上光污染对船舶夜航安全的影响，同时基于克隆优化BP神经网络和船舶信号灯可识别性对船舶夜航光环境污染的程度进行了评价，并对现行的《1972年国际海上避碰规则》提出了修改建议；翁建军等[5]分析了海上光污染的成因和对船舶夜航安全的影响，并从船舶航行、海上光污染控制、海事主管机关、立法等方面提出了保障船舶夜航安全的对策；朱金善等[6]、吴同飞等[7]设计的半导体激光新型船舶信号灯可保证其海上光污染水域的可识别性；黄成等[8]从海上光污染产生的原因和造成的后果出发，建立了船舶夜航光环境评价的指标体系；刘娜[9]运用BP神经网络、朱金善等[10]运用物元法、黄成等[11]运用云物元等模型对船舶夜航光环境进行了评价；黄成等[12]基于彩色CCD相机对船舶夜航光环境亮度进行了测量。以上研究基本局限于对船舶夜航光环境评价指标的定性研究，而未针对桥梁亮化工程水域光环境船舶信号灯的可识别性和驾驶人员的视觉绩效进行量化研究。因此，本文在船舶夜航光环境研究的基础上，分析船舶驾驶人员的认知响应过程，并对桥梁亮化工程水域光环境信号灯的亮度和色度以及船舶驾驶人员的视觉绩效进行量化研究，进而以船舶驾驶人员为视点评价桥区水域光环境对船舶夜航安全的影响程度。

1 船舶驾驶人员的认知响应模式

驾驶人员的船舶操纵行为在船舶航行的过程中属于一个复杂而重要的人—船—环境交互过程，在操纵船舶的过程中，驾驶人员需要依靠视觉、听觉等感官来感知周围的航行环境，不断获取有关航行信息(如方位、海况、航标、航标灯、周围船舶等)，然后通过大脑对这些航行信息进行筛选，做出准确的反应(如改变航向、改变船速等)，从而安全地操纵船舶。通常，船舶驾驶人员的认知响应模式包括感知、判断和响应三个阶段[13]，详见图1。

图1 船舶驾驶人员的认知响应模式Fig.1 Cognitive response mode of ship drivers

由图1可见，任一阶段出现偏差都可能导致船舶驾驶人员的判断失误，造成船舶碰撞事故。因此，驾驶人员在桥区航道操纵夜航船舶时，若桥梁亮化工程产生的背景灯光干扰桥区水域航标灯的可识别性和影响驾驶人员的视觉绩效，可能会导致船舶驾驶人员正常的认知响应模式被干扰或破坏，给船舶的航行带来安全隐患。

2 桥区水域光环境对船舶夜航安全的影响分析

船舶在桥区水域光环境中夜航时，驾驶人员视野中会由于存在着亮度分布不均匀、亮度过高或者对比度极高导致无法清楚地识别航标灯，进而影响视觉瞭望的可靠程度，并会延长对船舶周围航行信息获取的时间。驾驶人员视觉的可靠性主要与视觉功能和视觉舒适度有关，所以桥区光环境对船舶夜航安全的影响可从航标灯的可识别性和眩光舒适度进行定量分析。

2. 1 航标灯可识别性的影响分析

2.1.1 亮度对比度

视觉功能是人视觉对周围物体的分辨能力，人视觉在此情况下的分辨能力取决于物体亮度与背景亮度的对比性。由视觉工效学可知[14-15]，当亮度对比度处于-0.13～1.3之间时，人视觉通道容量(表示有效时间内传递的有效信息量)较小，即视觉工效较低，见图2。因此，在桥区水域夜航的船舶驾驶人员对航标灯进行识别时，要想获得较高的视觉工效，需满足亮度对比度大于1.3或小于-0.13，其计算公式如下：

(1)

式中:C为亮度对比度；L0和Lb分别为航标灯的亮度(cd/m2)和亮化工程的背景亮度(cd/m2)。

图2 亮度对比度与人视觉通道容量的关系曲线Fig.2 Relationship curve between brightness contrast and human visual channel capacity

若航标灯的亮度对比度小于-0.13，则说明此时亮化工程的背景亮度大于航标灯的亮度，出现背景灯光覆盖该光环境中航标灯光亮度的情况，导致船舶驾驶人员的视觉工效变差，表现为其对航标灯的识别产生偏差甚至无法识别。

2.1.2 颜色对比度

船舶在桥区航道夜航时，航标灯的光色是驾驶人员采取何种避碰行动和保障船舶安全航行的重要依据。当桥区水域存在光污染时，污染源的光色与航标灯光色的混合，会导致船舶驾驶人员对航标灯光色判断的偏差。根据格拉斯颜色混合定律，可得混合光S的三刺激值为

(2)

式中:R1、G1、B1和R2、G2、B2分别为所混合的两种光S1和S2的三刺激值。

当色光S1、S2的颜色属性相差较大时，在视觉观察中的光颜色与原色光颜色存在一定的差异。对于航标灯，当相差较大的航标灯光色与桥区亮化工程的背景光颜色混合后产生新的色光，会导致航标灯光色发生变化。另外，颜色仅取决于R、G、B的比例，而非其大小，可通过其对应的色度坐标r、g、b中的两个量来准确表述一种颜色，即R、G、B与其对应的色度坐标r、g、b的转换公式如下：

(3)

在XYZ颜色模型中，CIE(国际照明委员会)将任何一种颜色C表示如下：

C=xX+yY+zZ

(4)

式中:X、Y、Z分别为红、绿、蓝3种颜色对应的假想色；x、y、z为匹配颜色C的基准色量，其规范公式如下：

(5)

式中:参数x、y称为色度值，x+y+z=1，因此色度坐标(x,y)可表示任何一种二维颜色。

RGB系统与XYZ系统间可通过下式进行转换:

(6)

在XYZ颜色模型中，可通过绘制光色的色度坐标(x,y)获得如舌状的CIE色度图，见图3。

图3 CIE色度图Fig.3 CIE chromaticity diagram

根据国家标准《航标灯光信号颜色》(GB 12708—91)[16]，可获得航标灯光信号颜色色度范围界线的方程式、色度范围界线的交点坐标(x，y)值和色度范围图，见表1、表2和图4。

表1 航标灯光信号颜色色度范围界线的方程式

表2 航标灯光信号颜色色度范围界线的交点坐标 (x,y)值

注：表中1～4表示各光色范围的4个顶点。

根据公式(6)，将公式(2)中的混合光S对应的RGB值转换为对应的色度值x和y，并判断航标灯光色是否在规定的色度范围内，若混合光色不在规定的色度范围内，可进一步根据CIE色度图的颜色范围判断混合光的偏向光色。

2. 2 船舶驾驶人员视觉绩效的影响分析

在航海实践中，驾驶人员眼睛的快速暗适应能力是保障船舶夜航安全的重要因素，这种能力可以用视线离开眩光光源后视觉的恢复时间来表示[17]。由于工作性质和工作环境的特殊性，视觉恢复时间的长短对船舶驾驶员来说至关重要。当船舶夜航驾驶人员眼睛的暗适应被突然打破而正处于视觉恢复时，就不能及时发现目标并迅速采取应对措施，从而导致事故的发生。根据相关研究表明，视觉恢复时间与眩光照度、眩光持续时间和背景照度有关，见图5。

图4 航标灯光信号颜色色度范围图Fig.4 Chromaticity range map of the navigation light signal color

图5 视觉恢复时间与眩光照度的关系Fig.5 Relationship between visual recovery time and glare illuminance

船舶夜航光环境中存在眩光时，会影响驾驶人员对瞭望信息的获取。而判断光是否在驾驶人员眼内产生眩目，主要由入射光线强度与背景亮度的对比度决定。眩光的评价方法主要有统一眩光值UGR法、眩光值GR法、阈值增量TI法和眩光控制等级G法。其中，统一眩光值UGR法主要用于室内照明场合的眩光评价；阈值增量TI法主要用于道路照明的失能眩光评价；眩光控制等级G法多用于道路照明的多光源场合(路灯)的眩光评价。针对船舶夜航光环境的眩光评价一般选用眩光值GR法，眩光GR值的计算公式如下：

(7)

式中：Lg为眩光源亮度(cd/m2)；Lb为背景光亮度(cd/m2)。

采用眩光值GR法计算出的眩光GR值可用来评价眩光的视觉绩效舒适程度，两者的对应关系见表3。

表3 GR值与眩光视觉绩效舒适度的关系

3 实例分析

南京长江大桥为公铁两用特大桥，为了美化城市的夜间环境，其进行了为期27个月的封闭维修，安装了桥梁亮化系统。2018年12月29日南京长江大桥恢复通车后，重新点亮的南京长江大桥灯火辉煌，成为城市靓丽的风景。但是，亮化工程实施后，桥区水域夜间光环境发生了变化，导致附近通航船舶夜间瞭望时识别航标、通航桥孔、船舶等情况发生了一定程度的变化，对船舶的夜航安全产生了一定的影响。因此，本文基于南京长江大桥桥区水域光环境的测量数据，判断航标灯的可识别性和计算眩光GR值，并分析该桥梁亮化工程对桥区水域船舶夜航安全的影响。

3. 1 桥区水域光环境的测量

为了定量分析南京长江大桥公路桥维修改造工程亮化照明对船舶通航安全的影响，在该桥区水域对所涉及的亮化照明进行了现场测量，各测点位置和测量船航线见图6，上、下游背景光环境见图7和图8。测量工具主要采用CS-100A型色彩色差计和Nikon D300s型单反相机，测量时的天气条件为阴雨天、能见度为2n mile左右。测量方案为：①测量并记录南京长江大桥水域上下游2 km以内每一座航标附近眩光源亮度、测点处背景光色度等相关信息；②测量并记录南京长江大桥水域上下游2 km以内每一座航标附近的眩光评价因素；③通过MATLAB软件分析处理照片，获取每一座航标灯周围的背景光亮度。其具体测量数据见表4。

图6 南京长江大桥桥区水域光环境测量各测点 位置和测量船航线示意图Fig.6 Schematic diagram of the location of each measuring point and the measurement ship route for the light environment measurement in Nanjing Yangtze River Bridge waters

图7 南京长江大桥上游的船舶夜航光环境Fig.7 Night light environment of the ship upstream of the Nanjing Yangtze River Bridge

图8 南京长江大桥下游的船舶夜航光环境Fig.8 Night light environment of the ship down- stream of the Nanjing Yangtze River Bridge

3.2 桥区水域光环境对航标灯可识别性的影响分析

3.2.1 亮度对比度和颜色对比度的计算

为了更好地判断所涉及桥区水域光环境的背景光对航标灯可识别性的影响，根据测量得到的通航水域光环境各测点处的背景光亮度和背景光色度信息以及各航标灯的亮度和色度技术参数(见表4)，利用公式(1)分别计算出各种航标在各桥孔背景光亮度下的亮度对比度值，并判断船舶驾驶人员的视觉工效是否满足亮度对比度C“大于1.3”或“小于-0.13”；再利用公式(2)、(3)、(5)、(6)计算出混合光S对应的刺激值x，y，并根据CIE色度图(见图4)判断各航标灯光信号的颜色是否位于相应的色度范围内，见表5。

表4 南京长江大桥亮化工程通航水域光环境各测点处的测量数据表

3.2.2 亮度对比度的影响分析

由表5的计算结果可知，各桥区航标亮度对比度与大桥的距离密切相关，距离大桥近的航标亮度对比度值较低，距大桥最近的6孔1#红浮、6孔1#白浮、8孔1#红浮、8孔1#白浮、4孔2#红浮、4孔3#白浮的亮度对比度仅为1.66～8.68，但其值随着航标与大桥距离的增加而显著增加，距大桥最远的6孔3#白灯船、8孔3#左右通航浮、8孔3#红灯船、4孔1#白浮的亮度对比度为21.91～91.44，说明桥区水域光环境对航标灯的亮度对比度产生了一定的影响，且随着航标与大桥距离越近，桥区水域光环境对航标亮度对比度产生的影响越明显，但各航标亮度对比度值均超出“-0.13～ +1.3”的范围，说明桥区各航标视觉工效均满足亮度对比度大于1.3的标准要求，因此总体来说亮化工程不会对桥区航标亮度对比度产生明显的不利影响。

表5 各航标灯在测点背景光下亮度对比度和颜色对比度的计算结果

3.2.3 颜色对比度的影响分析

由表5和图4可知，不同测点处对应的航标灯光与背景光混合光的色度值均位于GB 12708—91标准规定的相应灯光色度范围内，符合该标准对航标灯的色度要求。因此，该项目亮化照明的背景灯光对各航标灯光颜色识别的影响相对较小。

综上亮度对比度和颜色对比度的影响分析可知，该亮化工程对桥区水域航标灯亮度对比度和颜色对比度的影响均较小，表明该亮化工程总体不会对桥区航标灯的可识别性产生明显的不利影响。

3.3 桥区水域光环境对船舶驾驶人员视觉绩效的影响分析

根据南京长江大桥所涉及的通航水域光环境各测点处测量得到的亮度和色度(见表4)，利用公式(7)计算眩光GR值并对照眩光的视觉绩效舒适度表(见表3)，得到本项目亮化工程的眩光GR值及其所对应的舒适度，见表6，并绘制不同通航桥孔各测点处所对应的眩光GR值折线图，见图9至图11。

图9 6孔下水航道各测点处眩光GR值的折线图Fig.9 Line diagram of the glare GR values at each measurement point of the 6th sewer channel

表6 南京长江大桥亮化工程的眩光GR值及其所对应的舒适度

图10 8孔下水航道各测点处眩光GR值的折线图Fig.10 Line diagram of the glare GR values at each measurement point of the 8th sewer channel

图11 4孔下水航道各测点处眩光GR值的折线图Fig.11 Line diagram of the glare GR values at each measurement point of the 4th sewer channel

由表6和图9至图11可知，桥区各通航桥孔的亮化照明对船舶驾驶人员视觉绩效影响的眩光GR值基本都低于40，即舒适程度弱于“略感不舒服”；越靠近桥孔的位置眩光GR值越大，舒适程度也随之减弱；最大眩光测点处为距6孔30 m处，其眩光GR测量值为43。总体而言，该项目亮化照明产生的眩光对船舶驾驶人员视觉绩效的影响未超过“略感不舒服”的程度。

4 结论与建议

船舶夜航穿越通航桥孔时，桥梁亮化照明会影响航标灯的可识别性和船舶驾驶人员的视觉绩效，从而影响船舶的夜航安全。本文在分析船舶驾驶人员认知响应模式的基础上，量化分析了航标灯的亮度对比度和颜色对比度以及眩光的舒适度，并以南京长江大桥亮化照明为例，对该水域船舶夜航安全进行了量化分析。结果表明：桥区光环境对桥区水域航标灯亮度对比度和颜色对比度的影响均较小，即总体不对桥区航标灯的可识别性产生明显的不利影响；亮化照明产生的眩光对船舶驾驶人员视觉绩效的影响整体上未超过“略感不舒服”的程度；桥区光环境无论是对航标灯的可识别性，还是对船舶驾驶人员视觉绩效的影响均随着距大桥距离的增加而明显减弱，反映了光污染随距离的增大而迅速衰竭的特性。

为了减少桥梁亮化工程对船舶夜航安全的影响，从亮化工程设计和施工方面考虑，应合理地将灯光明暗结合，且控制亮度、照射角度和色彩，并避免对桥下船舶造成眩光；从船舶驾驶人员方面考虑，应安排对桥区水域通航熟悉的驾驶人员值班，并防止驾驶人员疲劳驾驶，保持穿越桥区水域船舶操纵的连贯性等。本文研究结果可为类似的夜航光环境量化分析和海上光污染的控制提供一定的借鉴。