船舶駕駛室夜航光環境優化

鄭鵬宇， 印士波， 史 軍， 韓慶楠

(中船航?？萍加邢挢熑喂?系統集成室， 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，是全船協同開展各種活動的中樞。隨著現代船舶信息化程度的日益提高，駕駛室內的各種集中顯示設備數量逐漸增多，在提高航行效率的同時也使駕駛室的光環境更為復雜，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出的微弱燈光)，易導致航行事故。

(2) 長時間在亮度較高的環境中工作，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，產生安全隱患[1-2]。

(3) 航海者在暗環境下長時間地觀察明亮的目標，容易產生視疲勞，引發不適感，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境進行研究并提出優化方案，提高航海者的視覺舒適度，使其在清晰觀察駕駛室內顯示設備的同時，能夠有效地觀測海況，以達到安全、高效航海的目的。

1 駕駛室光環境理論分析

1.1 亮度對比度

根據發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，駕駛室內的背景光越弱，在相同VL的條件下，對顯示設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，駕駛室內的顯示設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、輕松地觀察相關顯示設備的同時，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的向量的夾角乘以歸一化系數

(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，人眼越容易區分。因此，在進行信號區分時，應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

人眼視網膜是視覺系統的第1級功能性結構，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，分別對應于光譜中的紅、綠、藍，響應度分別為64%、32%和2%，因而能感應顏色。這幾種細胞對光譜的相對強度響應曲線如圖1所示?？紤]到響應度后，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間的光提高海航者的視覺敏感度。此外，采用暖色調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，夜航顯示設備應優先采用綠色、紅色及其之間的顏色。

圖1 視桿細胞光譜響應曲線

圖2 視錐細胞歸一化光譜敏感曲線

1.4 駕駛室光源

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

(1) 各類顯示屏。現代船舶信息化、自動化和智能化水平日益提高，傳統的機械指針式儀表盤逐漸被數量眾多的綜合信息顯示設備所取代，各顯示設備大多配備高亮度、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，各設備上安裝數量眾多的LED狀態指示燈，用于顯示電源開關、復位、設備開啟及運行狀態、車鐘擋位和報警信息等，其顏色不一，亮度不可調整，在晚上或較暗環境中會對駕駛人員產生眩光影響。

(3) 透光按鍵。駕駛室存在較多帶發光功能的操控按鍵，如鍵盤、開關鍵、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，反光較為嚴重，易將設備發出的亮光反射到駕駛室舷窗玻璃上，產生反射眩光，令駕駛人員產生視覺不適，難以觀察前方目標。

2 優化措施

船舶駕駛室光環境復雜，駕駛人員對光環境綜合要求高，因此對駕駛室夜航光環境的治理需要從多方面考慮，既需單個設備發光滿足CIE標準，又需駕駛室整體光環境滿足駕駛人員的視覺舒適度；既需對硬件進行整改,又需對軟件界面配色進行優化，是一個全方面的系統工程。

2.1 整體環境優化

目前船舶駕駛室在光環境管控方面存在以下問題：一是部分對光環境產生較大影響的發光設備無調光功能；二是設備調光標準不統一，調光幅度和范圍過多地依賴人員的主觀感受；三是設備間調光獨立，缺少區域化的集中調光體系，無法對駕駛室整體進行系統科學的管控；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 建立統一的光控體系

駕駛室發光設備較多，雖然大多數設備均具有調光功能，但設備間各自獨立調光，受操作人員主觀影響較大，且難以形成整體一致的調光環境，智能化、自動化和一體化程度較低，難以產生較好的光控效果。為此，建立統一的調光體系，由分布在各個位置的數個亮度傳感器智能檢測外界環境光照度，將參數傳輸至智能控制端并自動計算出最為合適的艙室亮度，對駕駛室不同區域進行亮度管控。

駕駛室采用3級調控架構：總控端檢測環境亮度及照度指標，發布統一調節指令；分控端接收指令后完成區域性調節；設備端完成硬件亮度、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

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，結合外界環境，自動匹配最為合適的光亮模式(白天、傍晚、黑夜)，并可在手動設置模式和智能感光模式之間切換；(2)對駕駛室整體發布管控指令；(3)根據駕駛室不同區域的特點和要求，對各區域分別發布管控指令。

分控端功能：(1)執行總控模塊指令；(2)通過CAN、以太網等方式對設備端調光模塊發布光控指令。

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

2.1.2 艙室優化

船舶在夜間航行時，駕駛室內各種設備、儀表、指示燈發出的光會在艙壁、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種顏色色調明度較高，對光線的反射性較強，使得光污染現象更加嚴重。

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，以減少艙室內的漫反射。艙室內避免使用較明亮的色彩或是會產生消極情緒的色彩(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的夾網玻璃，其原理是利用磁控濺射鍍膜技術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，減少紫外線對駕駛人員眼睛的傷害。此外，在玻璃外側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 照明設計

駕駛室內部正常白光照明在夜航時全部關閉，如設置照明區域，采用低照度的紅光照明。

2.2 硬件優化

2.2.1 顯示器優化

現代船舶信息化程度越來越高，各種信息集成顯示設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，影響人員對暗環境的適應。因此，對顯示器發光效能的改進和優化是船舶駕駛室光環境治理的最重要因素。

(1) 調光設計。在顯示器上設計亮度調節功能，通過外部接口(RS-422、以太網口)接收調光指令并解析，控制調節顯示器背光亮度。

如圖6所示，顯示器由單片機串口控制板、背光驅動板、顯示器驅動板、OSD(On Screen Display)和調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節(此時用戶也可通過亮度調節按鍵或旋鈕來手動控制背光亮度);②輸出相應指令到顯示驅動板，完成屏幕顯示模式(白天、傍晚、黑夜)及相應的亮度調節；③向設備主機發送配色指令，驅動應用軟件作相應的配色變化；④通過串口對接收到總控端或分控端命令進行握手應答，并上傳即時狀態。

圖6 顯示器光控硬件架構

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境的亮度，但是，為了能看清顯示設備的信息，顯示設備的亮度不能太低，這一權衡可以在國際標準IEC 62388[8]的指導下進行，顯示設備的亮度盡量不要超過IEC 62388規定的范圍。

亮度調節方面：在高亮度區間，調光步進可稍大，以加快調光速度；在低亮度區間，調光步進應較小，以使其具有較高的調節精度。

(2) 色彩校準。不同顯示器由于硬件的差異會產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，減小光環境差異對人眼造成的不適。

(3) 屏幕優化。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 其他組件優化

設備信號指示燈亦是駕駛室的主要光源，早期設備中大量采用電阻式調光，其原理簡單，但存在亮度調節線性度不佳，低亮度下調節變化過大的缺點。改用PWM調光可提高背光亮度調節的線性度和平滑度，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定調節精度，或是與調光編碼器結合以在全局調光和局部調光之間進行切換。

對各類鍵盤和開關按鍵采用具有PWM精細調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 軟件優化

根據IEC 62388要求，船舶駕駛室設備軟件界面具有白天、黃昏、夜晚等3種模式，以滿足不同光環境條件下人眼對界面亮度及配色的適應性。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，根據人因工程學設計，在軟件界面模式切換的同時相應同步改變顯示器亮度，以實現顯示模式和亮度的匹配。

圖8 優化前軟件界面

圖9 優化后軟件界面

3 結 論

從整體布局、設備硬件、軟件界面等多方面對船舶駕駛室夜航光環境進行綜合治理與優化，駕駛室整體夜航光環境得到有效控制，設備發光亮度顯著降低，經過多次長時間夜航驗證，駕駛人員普遍反映良好，極大提高航海者的視覺舒適性，實現海上航行的安全性。

4 下一步研究方向

通過夜航光環境整體優化，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，在現有技術成果的基礎上，還有一些工作需要開展：

(1) 繼續展開船舶夜航光環境的人因工程學研究，為進一步優化光環境、改進設備提供理論和數據支持。

(2) 制定科學的測試驗證方案，開發相關的試驗系統和設備，使船舶光環境的研究更加科學化和專業化。

(3) 在大量理論研究和試驗數據的基礎上制定行業標準，指導船舶駕駛室總體設計。

[1] 姚其. 民機駕駛艙LED照明工效研究[D]. 上海：復旦大學, 2012.

[2] 王瑋. 民機駕駛艙綜合視覺工效CAD實驗系統的研發[D]. 上海：復旦大學, 2013.

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[3] 翁建軍, 周陽. 海上光污染對船舶夜航安全的影響及對策分析[J]. 武漢理工大學學報(交通科學與工程版)，2013, 37(3): 549-552.

[4] 朱金善, 孫立成, 洪碧光. 背景亮度及眩光對夜航船舶避碰的影響[J]. 大連海事大學學報，2003, 29(3): 48-51.

[5] 周太明, 皇甫炳炎, 周莉，等.電氣照明設計[M]. 上海: 復旦大學出版社, 2001.

[6] 湯順青. 色度學[M]. 北京: 北京理工大學出版社, 1990.

[7] 壽天德. 視覺信息處理的腦機制[M]. 上海: 上?？萍冀逃霭嫔? 1997.

[8] International Electrotechnical Commission. Maritime navigation and radiocommunication equipment and systems-Shipborne radar-Performance requirements, methods of testing and required test results[EB/OL].www.doc88.com/p-9079614441578.html.