橋梁亮化工程對水域船舶夜航安全的影響分析

李志榮,朱金善,張文拴,余鑒文

(大連海事大學航海學院，遼寧 大連 116026)

為了提升城市的夜間形象，許多跨江河和海峽海灣的橋梁實施了亮化工程，如杭州灣跨海大橋、港珠澳跨海大橋、南京長江大橋等。合理的橋梁亮化照明不僅能充分展現橋梁景觀，還能保障橋下船舶的通航安全。但若亮化橋梁存在不合理的照明就會在通航橋梁附近水域產生光污染，干擾其水域信號燈的可識別性和船舶駕駛人員的正常瞭望，進而影響夜航船舶的安全航行。

為了研究海上光污染對船舶夜航安全的影響與防治對策，朱金善等[1-4]首次從船舶碰撞事故的教訓出發，認識到船舶夜航光環境的污染會影響船舶的夜航安全，并從光學、色度學和視覺工效等方面研究了海上光污染對船舶夜航安全的影響，同時基于克隆優化BP神經網絡和船舶信號燈可識別性對船舶夜航光環境污染的程度進行了評價，并對現行的《1972年國際海上避碰規則》提出了修改建議；翁建軍等[5]分析了海上光污染的成因和對船舶夜航安全的影響，并從船舶航行、海上光污染控制、海事主管機關、立法等方面提出了保障船舶夜航安全的對策；朱金善等[6]、吳同飛等[7]設計的半導體激光新型船舶信號燈可保證其海上光污染水域的可識別性；黃成等[8]從海上光污染產生的原因和造成的后果出發，建立了船舶夜航光環境評價的指標體系；劉娜[9]運用BP神經網絡、朱金善等[10]運用物元法、黃成等[11]運用云物元等模型對船舶夜航光環境進行了評價；黃成等[12]基于彩色CCD相機對船舶夜航光環境亮度進行了測量。以上研究基本局限于對船舶夜航光環境評價指標的定性研究，而未針對橋梁亮化工程水域光環境船舶信號燈的可識別性和駕駛人員的視覺績效進行量化研究。因此，本文在船舶夜航光環境研究的基礎上，分析船舶駕駛人員的認知響應過程，并對橋梁亮化工程水域光環境信號燈的亮度和色度以及船舶駕駛人員的視覺績效進行量化研究，進而以船舶駕駛人員為視點評價橋區水域光環境對船舶夜航安全的影響程度。

1 船舶駕駛人員的認知響應模式

駕駛人員的船舶操縱行為在船舶航行的過程中屬于一個復雜而重要的人—船—環境交互過程，在操縱船舶的過程中，駕駛人員需要依靠視覺、聽覺等感官來感知周圍的航行環境，不斷獲取有關航行信息(如方位、海況、航標、航標燈、周圍船舶等)，然后通過大腦對這些航行信息進行篩選，做出準確的反應(如改變航向、改變船速等)，從而安全地操縱船舶。通常，船舶駕駛人員的認知響應模式包括感知、判斷和響應三個階段[13]，詳見圖1。

圖1 船舶駕駛人員的認知響應模式Fig.1 Cognitive response mode of ship drivers

由圖1可見，任一階段出現偏差都可能導致船舶駕駛人員的判斷失誤，造成船舶碰撞事故。因此，駕駛人員在橋區航道操縱夜航船舶時，若橋梁亮化工程產生的背景燈光干擾橋區水域航標燈的可識別性和影響駕駛人員的視覺績效，可能會導致船舶駕駛人員正常的認知響應模式被干擾或破壞，給船舶的航行帶來安全隱患。

2 橋區水域光環境對船舶夜航安全的影響分析

船舶在橋區水域光環境中夜航時，駕駛人員視野中會由于存在著亮度分布不均勻、亮度過高或者對比度極高導致無法清楚地識別航標燈，進而影響視覺瞭望的可靠程度，并會延長對船舶周圍航行信息獲取的時間。駕駛人員視覺的可靠性主要與視覺功能和視覺舒適度有關，所以橋區光環境對船舶夜航安全的影響可從航標燈的可識別性和眩光舒適度進行定量分析。

2. 1 航標燈可識別性的影響分析

2.1.1 亮度對比度

視覺功能是人視覺對周圍物體的分辨能力，人視覺在此情況下的分辨能力取決于物體亮度與背景亮度的對比性。由視覺工效學可知[14-15]，當亮度對比度處于-0.13～1.3之間時，人視覺通道容量(表示有效時間內傳遞的有效信息量)較小，即視覺工效較低，見圖2。因此，在橋區水域夜航的船舶駕駛人員對航標燈進行識別時，要想獲得較高的視覺工效，需滿足亮度對比度大于1.3或小于-0.13，其計算公式如下：

(1)

式中:C為亮度對比度；L0和Lb分別為航標燈的亮度(cd/m2)和亮化工程的背景亮度(cd/m2)。

圖2 亮度對比度與人視覺通道容量的關系曲線Fig.2 Relationship curve between brightness contrast and human visual channel capacity

若航標燈的亮度對比度小于-0.13，則說明此時亮化工程的背景亮度大于航標燈的亮度，出現背景燈光覆蓋該光環境中航標燈光亮度的情況，導致船舶駕駛人員的視覺工效變差，表現為其對航標燈的識別產生偏差甚至無法識別。

2.1.2 顏色對比度

船舶在橋區航道夜航時，航標燈的光色是駕駛人員采取何種避碰行動和保障船舶安全航行的重要依據。當橋區水域存在光污染時，污染源的光色與航標燈光色的混合，會導致船舶駕駛人員對航標燈光色判斷的偏差。根據格拉斯顏色混合定律，可得混合光S的三刺激值為

(2)

式中:R1、G1、B1和R2、G2、B2分別為所混合的兩種光S1和S2的三刺激值。

當色光S1、S2的顏色屬性相差較大時，在視覺觀察中的光顏色與原色光顏色存在一定的差異。對于航標燈，當相差較大的航標燈光色與橋區亮化工程的背景光顏色混合后產生新的色光，會導致航標燈光色發生變化。另外，顏色僅取決于R、G、B的比例，而非其大小，可通過其對應的色度坐標r、g、b中的兩個量來準確表述一種顏色，即R、G、B與其對應的色度坐標r、g、b的轉換公式如下：

(3)

在XYZ顏色模型中，CIE(國際照明委員會)將任何一種顏色C表示如下：

C=xX+yY+zZ

(4)

式中:X、Y、Z分別為紅、綠、藍3種顏色對應的假想色；x、y、z為匹配顏色C的基準色量，其規范公式如下：

(5)

式中:參數x、y稱為色度值，x+y+z=1，因此色度坐標(x,y)可表示任何一種二維顏色。

RGB系統與XYZ系統間可通過下式進行轉換:

(6)

在XYZ顏色模型中，可通過繪制光色的色度坐標(x,y)獲得如舌狀的CIE色度圖，見圖3。

圖3 CIE色度圖Fig.3 CIE chromaticity diagram

根據國家標準《航標燈光信號顏色》(GB 12708—91)[16]，可獲得航標燈光信號顏色色度范圍界線的方程式、色度范圍界線的交點坐標(x，y)值和色度范圍圖，見表1、表2和圖4。

表1 航標燈光信號顏色色度范圍界線的方程式

表2 航標燈光信號顏色色度范圍界線的交點坐標 (x,y)值

注：表中1～4表示各光色范圍的4個頂點。

根據公式(6)，將公式(2)中的混合光S對應的RGB值轉換為對應的色度值x和y，并判斷航標燈光色是否在規定的色度范圍內，若混合光色不在規定的色度范圍內，可進一步根據CIE色度圖的顏色范圍判斷混合光的偏向光色。

2. 2 船舶駕駛人員視覺績效的影響分析

在航海實踐中，駕駛人員眼睛的快速暗適應能力是保障船舶夜航安全的重要因素，這種能力可以用視線離開眩光光源后視覺的恢復時間來表示[17]。由于工作性質和工作環境的特殊性，視覺恢復時間的長短對船舶駕駛員來說至關重要。當船舶夜航駕駛人員眼睛的暗適應被突然打破而正處于視覺恢復時，就不能及時發現目標并迅速采取應對措施，從而導致事故的發生。根據相關研究表明，視覺恢復時間與眩光照度、眩光持續時間和背景照度有關，見圖5。

圖4 航標燈光信號顏色色度范圍圖Fig.4 Chromaticity range map of the navigation light signal color

圖5 視覺恢復時間與眩光照度的關系Fig.5 Relationship between visual recovery time and glare illuminance

船舶夜航光環境中存在眩光時，會影響駕駛人員對瞭望信息的獲取。而判斷光是否在駕駛人員眼內產生眩目，主要由入射光線強度與背景亮度的對比度決定。眩光的評價方法主要有統一眩光值UGR法、眩光值GR法、閾值增量TI法和眩光控制等級G法。其中，統一眩光值UGR法主要用于室內照明場合的眩光評價；閾值增量TI法主要用于道路照明的失能眩光評價；眩光控制等級G法多用于道路照明的多光源場合(路燈)的眩光評價。針對船舶夜航光環境的眩光評價一般選用眩光值GR法，眩光GR值的計算公式如下：

(7)

式中：Lg為眩光源亮度(cd/m2)；Lb為背景光亮度(cd/m2)。

采用眩光值GR法計算出的眩光GR值可用來評價眩光的視覺績效舒適程度，兩者的對應關系見表3。

表3 GR值與眩光視覺績效舒適度的關系

3 實例分析

南京長江大橋為公鐵兩用特大橋，為了美化城市的夜間環境，其進行了為期27個月的封閉維修，安裝了橋梁亮化系統。2018年12月29日南京長江大橋恢復通車后，重新點亮的南京長江大橋燈火輝煌，成為城市靚麗的風景。但是，亮化工程實施后，橋區水域夜間光環境發生了變化，導致附近通航船舶夜間瞭望時識別航標、通航橋孔、船舶等情況發生了一定程度的變化，對船舶的夜航安全產生了一定的影響。因此，本文基于南京長江大橋橋區水域光環境的測量數據，判斷航標燈的可識別性和計算眩光GR值，并分析該橋梁亮化工程對橋區水域船舶夜航安全的影響。

3. 1 橋區水域光環境的測量

為了定量分析南京長江大橋公路橋維修改造工程亮化照明對船舶通航安全的影響，在該橋區水域對所涉及的亮化照明進行了現場測量，各測點位置和測量船航線見圖6，上、下游背景光環境見圖7和圖8。測量工具主要采用CS-100A型色彩色差計和Nikon D300s型單反相機，測量時的天氣條件為陰雨天、能見度為2n mile左右。測量方案為：①測量并記錄南京長江大橋水域上下游2 km以內每一座航標附近眩光源亮度、測點處背景光色度等相關信息；②測量并記錄南京長江大橋水域上下游2 km以內每一座航標附近的眩光評價因素；③通過MATLAB軟件分析處理照片，獲取每一座航標燈周圍的背景光亮度。其具體測量數據見表4。

圖6 南京長江大橋橋區水域光環境測量各測點 位置和測量船航線示意圖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

圖7 南京長江大橋上游的船舶夜航光環境Fig.7 Night light environment of the ship upstream of the Nanjing Yangtze River Bridge

圖8 南京長江大橋下游的船舶夜航光環境Fig.8 Night light environment of the ship down- stream of the Nanjing Yangtze River Bridge

3.2 橋區水域光環境對航標燈可識別性的影響分析

3.2.1 亮度對比度和顏色對比度的計算

為了更好地判斷所涉及橋區水域光環境的背景光對航標燈可識別性的影響，根據測量得到的通航水域光環境各測點處的背景光亮度和背景光色度信息以及各航標燈的亮度和色度技術參數(見表4)，利用公式(1)分別計算出各種航標在各橋孔背景光亮度下的亮度對比度值，并判斷船舶駕駛人員的視覺工效是否滿足亮度對比度C“大于1.3”或“小于-0.13”；再利用公式(2)、(3)、(5)、(6)計算出混合光S對應的刺激值x，y，并根據CIE色度圖(見圖4)判斷各航標燈光信號的顏色是否位于相應的色度范圍內，見表5。

表4 南京長江大橋亮化工程通航水域光環境各測點處的測量數據表

3.2.2 亮度對比度的影響分析

由表5的計算結果可知，各橋區航標亮度對比度與大橋的距離密切相關，距離大橋近的航標亮度對比度值較低，距大橋最近的6孔1#紅浮、6孔1#白浮、8孔1#紅浮、8孔1#白浮、4孔2#紅浮、4孔3#白浮的亮度對比度僅為1.66～8.68，但其值隨著航標與大橋距離的增加而顯著增加，距大橋最遠的6孔3#白燈船、8孔3#左右通航浮、8孔3#紅燈船、4孔1#白浮的亮度對比度為21.91～91.44，說明橋區水域光環境對航標燈的亮度對比度產生了一定的影響，且隨著航標與大橋距離越近，橋區水域光環境對航標亮度對比度產生的影響越明顯，但各航標亮度對比度值均超出“-0.13～ +1.3”的范圍，說明橋區各航標視覺工效均滿足亮度對比度大于1.3的標準要求，因此總體來說亮化工程不會對橋區航標亮度對比度產生明顯的不利影響。

表5 各航標燈在測點背景光下亮度對比度和顏色對比度的計算結果

3.2.3 顏色對比度的影響分析

由表5和圖4可知，不同測點處對應的航標燈光與背景光混合光的色度值均位于GB 12708—91標準規定的相應燈光色度范圍內，符合該標準對航標燈的色度要求。因此，該項目亮化照明的背景燈光對各航標燈光顏色識別的影響相對較小。

綜上亮度對比度和顏色對比度的影響分析可知，該亮化工程對橋區水域航標燈亮度對比度和顏色對比度的影響均較小，表明該亮化工程總體不會對橋區航標燈的可識別性產生明顯的不利影響。

3.3 橋區水域光環境對船舶駕駛人員視覺績效的影響分析

根據南京長江大橋所涉及的通航水域光環境各測點處測量得到的亮度和色度(見表4)，利用公式(7)計算眩光GR值并對照眩光的視覺績效舒適度表(見表3)，得到本項目亮化工程的眩光GR值及其所對應的舒適度，見表6，并繪制不同通航橋孔各測點處所對應的眩光GR值折線圖，見圖9至圖11。

圖9 6孔下水航道各測點處眩光GR值的折線圖Fig.9 Line diagram of the glare GR values at each measurement point of the 6th sewer channel

表6 南京長江大橋亮化工程的眩光GR值及其所對應的舒適度

圖10 8孔下水航道各測點處眩光GR值的折線圖Fig.10 Line diagram of the glare GR values at each measurement point of the 8th sewer channel

圖11 4孔下水航道各測點處眩光GR值的折線圖Fig.11 Line diagram of the glare GR values at each measurement point of the 4th sewer channel

由表6和圖9至圖11可知，橋區各通航橋孔的亮化照明對船舶駕駛人員視覺績效影響的眩光GR值基本都低于40，即舒適程度弱于“略感不舒服”；越靠近橋孔的位置眩光GR值越大，舒適程度也隨之減弱；最大眩光測點處為距6孔30 m處，其眩光GR測量值為43?？傮w而言，該項目亮化照明產生的眩光對船舶駕駛人員視覺績效的影響未超過“略感不舒服”的程度。

4 結論與建議

船舶夜航穿越通航橋孔時，橋梁亮化照明會影響航標燈的可識別性和船舶駕駛人員的視覺績效，從而影響船舶的夜航安全。本文在分析船舶駕駛人員認知響應模式的基礎上，量化分析了航標燈的亮度對比度和顏色對比度以及眩光的舒適度，并以南京長江大橋亮化照明為例，對該水域船舶夜航安全進行了量化分析。結果表明：橋區光環境對橋區水域航標燈亮度對比度和顏色對比度的影響均較小，即總體不對橋區航標燈的可識別性產生明顯的不利影響；亮化照明產生的眩光對船舶駕駛人員視覺績效的影響整體上未超過“略感不舒服”的程度；橋區光環境無論是對航標燈的可識別性，還是對船舶駕駛人員視覺績效的影響均隨著距大橋距離的增加而明顯減弱，反映了光污染隨距離的增大而迅速衰竭的特性。

為了減少橋梁亮化工程對船舶夜航安全的影響，從亮化工程設計和施工方面考慮，應合理地將燈光明暗結合，且控制亮度、照射角度和色彩，并避免對橋下船舶造成眩光；從船舶駕駛人員方面考慮，應安排對橋區水域通航熟悉的駕駛人員值班，并防止駕駛人員疲勞駕駛，保持穿越橋區水域船舶操縱的連貫性等。本文研究結果可為類似的夜航光環境量化分析和海上光污染的控制提供一定的借鑒。