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(xué)航海學(xué)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(xiàn)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(chǎn)生光污染，干擾其水域信號燈的可識別性和船舶駕駛?cè)藛T的正常瞭望，進(jìn)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(xùn)出發(fā)，認(rèn)識到船舶夜航光環(huán)境的污染會影響船舶的夜航安全，并從光學(xué)、色度學(xué)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(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和船舶信號燈可識別性對船舶夜航光環(huán)境污染的程度進(jìn)行了評價，并對現(xiàn)行的《1972年國際海上避碰規(guī)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(guān)、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(shè)計的半導(dǎo)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(chǎn)生的原因和造成的后果出發(fā)，建立了船舶夜航光環(huán)境評價的指標(biāo)體系；劉娜[9]運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、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(huán)境進(jìn)行了評價；黃成等[12]基于彩色CCD相機對船舶夜航光環(huán)境亮度進(jìn)行了測量。以上研究基本局限于對船舶夜航光環(huán)境評價指標(biāo)的定性研究，而未針對橋梁亮化工程水域光環(huán)境船舶信號燈的可識別性和駕駛?cè)藛T的視覺績效進(jìn)行量化研究。因此，本文在船舶夜航光環(huán)境研究的基礎(chǔ)上，分析船舶駕駛?cè)藛T的認(rèn)知響應(yīng)過程，并對橋梁亮化工程水域光環(huán)境信號燈的亮度和色度以及船舶駕駛?cè)藛T的視覺績效進(jìn)行量化研究，進(jìn)而以船舶駕駛?cè)藛T為視點評價橋區(qū)水域光環(huán)境對船舶夜航安全的影響程度。

1 船舶駕駛?cè)藛T的認(rèn)知響應(yīng)模式

駕駛?cè)藛T的船舶操縱行為在船舶航行的過程中屬于一個復(fù)雜而重要的人—船—環(huán)境交互過程，在操縱船舶的過程中，駕駛?cè)藛T需要依靠視覺、聽覺等感官來感知周圍的航行環(huán)境，不斷獲取有關(guān)航行信息(如方位、海況、航標(biāo)、航標(biāo)燈、周圍船舶等)，然后通過大腦對這些航行信息進(jìn)行篩選，做出準(zhǔn)確的反應(yīng)(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?cè)藛T的認(rèn)知響應(yīng)模式包括感知、判斷和響應(yīng)三個階段[13]，詳見圖1。

圖1 船舶駕駛?cè)藛T的認(rèn)知響應(yīng)模式Fig.1 Cognitive response mode of ship drivers

由圖1可見，任一階段出現(xiàn)偏差都可能導(dǎo)致船舶駕駛?cè)藛T的判斷失誤，造成船舶碰撞事故。因此，駕駛?cè)藛T在橋區(qū)航道操縱夜航船舶時，若橋梁亮化工程產(chǎn)生的背景燈光干擾橋區(qū)水域航標(biāo)燈的可識別性和影響駕駛?cè)藛T的視覺績效，可能會導(dǎo)致船舶駕駛?cè)藛T正常的認(rèn)知響應(yīng)模式被干擾或破壞，給船舶的航行帶來安全隱患。

2 橋區(qū)水域光環(huán)境對船舶夜航安全的影響分析

船舶在橋區(qū)水域光環(huán)境中夜航時，駕駛?cè)藛T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(dǎo)致無法清楚地識別航標(biāo)燈，進(jìn)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?cè)藛T視覺的可靠性主要與視覺功能和視覺舒適度有關(guān)，所以橋區(qū)光環(huán)境對船舶夜航安全的影響可從航標(biāo)燈的可識別性和眩光舒適度進(jìn)行定量分析。

2. 1 航標(biāo)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(xué)可知[14-15]，當(dāng)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(nèi)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(qū)水域夜航的船舶駕駛?cè)藛T對航標(biāo)燈進(jìn)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(biāo)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(guān)系曲線Fig.2 Relationship curve between brightness contrast and human visual channel capacity

若航標(biāo)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(biāo)燈的亮度，出現(xiàn)背景燈光覆蓋該光環(huán)境中航標(biāo)燈光亮度的情況，導(dǎo)致船舶駕駛?cè)藛T的視覺工效變差，表現(xiàn)為其對航標(biāo)燈的識別產(chǎn)生偏差甚至無法識別。

2.1.2 顏色對比度

船舶在橋區(qū)航道夜航時，航標(biāo)燈的光色是駕駛?cè)藛T采取何種避碰行動和保障船舶安全航行的重要依據(jù)。當(dāng)橋區(qū)水域存在光污染時，污染源的光色與航標(biāo)燈光色的混合，會導(dǎo)致船舶駕駛?cè)藛T對航標(biāo)燈光色判斷的偏差。根據(jù)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(dāng)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(biāo)燈，當(dāng)相差較大的航標(biāo)燈光色與橋區(qū)亮化工程的背景光顏色混合后產(chǎn)生新的色光，會導(dǎo)致航標(biāo)燈光色發(fā)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(yīng)的色度坐標(biāo)r、g、b中的兩個量來準(zhǔn)確表述一種顏色，即R、G、B與其對應(yīng)的色度坐標(biāo)r、g、b的轉(zhuǎn)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(lán)3種顏色對應(yīng)的假想色；x、y、z為匹配顏色C的基準(zhǔn)色量，其規(guī)范公式如下：

(5)

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

RGB系統(tǒng)與XYZ系統(tǒng)間可通過下式進(jìn)行轉(zhuǎn)換:

(6)

在XYZ顏色模型中，可通過繪制光色的色度坐標(biāo)(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(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《航標(biāo)燈光信號顏色》(GB 12708—91)[16]，可獲得航標(biāo)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(biāo)(x，y)值和色度范圍圖，見表1、表2和圖4。

表1 航標(biāo)燈光信號顏色色度范圍界線的方程式

表2 航標(biāo)燈光信號顏色色度范圍界線的交點坐標(biāo) (x,y)值

注：表中1～4表示各光色范圍的4個頂點。

根據(jù)公式(6)，將公式(2)中的混合光S對應(yīng)的RGB值轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的色度值x和y，并判斷航標(biāo)燈光色是否在規(guī)定的色度范圍內(nèi)，若混合光色不在規(guī)定的色度范圍內(nèi)，可進(jìn)一步根據(jù)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?cè)藛T視覺績效的影響分析

在航海實踐中，駕駛?cè)藛T眼睛的快速暗適應(yīng)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(fù)時間來表示[17]。由于工作性質(zhì)和工作環(huán)境的特殊性，視覺恢復(fù)時間的長短對船舶駕駛員來說至關(guān)重要。當(dāng)船舶夜航駕駛?cè)藛T眼睛的暗適應(yīng)被突然打破而正處于視覺恢復(fù)時，就不能及時發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并迅速采取應(yīng)對措施，從而導(dǎo)致事故的發(fā)生。根據(jù)相關(guān)研究表明，視覺恢復(fù)時間與眩光照度、眩光持續(xù)時間和背景照度有關(guān)，見圖5。

圖4 航標(biāo)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(fù)時間與眩光照度的關(guān)系Fig.5 Relationship between visual recovery time and glare illuminance

船舶夜航光環(huán)境中存在眩光時，會影響駕駛?cè)藛T對瞭望信息的獲取。而判斷光是否在駕駛?cè)藛T眼內(nèi)產(chǎn)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(tǒng)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(tǒng)一眩光值UGR法主要用于室內(nèi)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(huán)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(yīng)關(guān)系見表3。

表3 GR值與眩光視覺績效舒適度的關(guān)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(huán)境，其進(jìn)行了為期27個月的封閉維修，安裝了橋梁亮化系統(tǒng)。2018年12月29日南京長江大橋恢復(fù)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(fēng)景。但是，亮化工程實施后，橋區(qū)水域夜間光環(huán)境發(fā)生了變化，導(dǎo)致附近通航船舶夜間瞭望時識別航標(biāo)、通航橋孔、船舶等情況發(fā)生了一定程度的變化，對船舶的夜航安全產(chǎn)生了一定的影響。因此，本文基于南京長江大橋橋區(qū)水域光環(huán)境的測量數(shù)據(jù)，判斷航標(biāo)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(qū)水域船舶夜航安全的影響。

3. 1 橋區(qū)水域光環(huán)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(qū)水域?qū)λ婕暗牧粱彰鬟M(jìn)行了現(xiàn)場測量，各測點位置和測量船航線見圖6，上、下游背景光環(huán)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(nèi)每一座航標(biāo)附近眩光源亮度、測點處背景光色度等相關(guān)信息；②測量并記錄南京長江大橋水域上下游2 km以內(nèi)每一座航標(biāo)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(biāo)燈周圍的背景光亮度。其具體測量數(shù)據(jù)見表4。

圖6 南京長江大橋橋區(qū)水域光環(huán)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(huán)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(huán)境Fig.8 Night light environment of the ship down- stream of the Nanjing Yangtze River Bridge

3.2 橋區(qū)水域光環(huán)境對航標(biāo)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(qū)水域光環(huán)境的背景光對航標(biāo)燈可識別性的影響，根據(jù)測量得到的通航水域光環(huán)境各測點處的背景光亮度和背景光色度信息以及各航標(biāo)燈的亮度和色度技術(shù)參數(shù)(見表4)，利用公式(1)分別計算出各種航標(biāo)在各橋孔背景光亮度下的亮度對比度值，并判斷船舶駕駛?cè)藛T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(yīng)的刺激值x，y，并根據(jù)CIE色度圖(見圖4)判斷各航標(biāo)燈光信號的顏色是否位于相應(yīng)的色度范圍內(nèi)，見表5。

表4 南京長江大橋亮化工程通航水域光環(huán)境各測點處的測量數(shù)據(jù)表

3.2.2 亮度對比度的影響分析

由表5的計算結(jié)果可知，各橋區(qū)航標(biāo)亮度對比度與大橋的距離密切相關(guān)，距離大橋近的航標(biāo)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(biāo)與大橋距離的增加而顯著增加，距大橋最遠(yuǎn)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(qū)水域光環(huán)境對航標(biāo)燈的亮度對比度產(chǎn)生了一定的影響，且隨著航標(biāo)與大橋距離越近，橋區(qū)水域光環(huán)境對航標(biāo)亮度對比度產(chǎn)生的影響越明顯，但各航標(biāo)亮度對比度值均超出“-0.13～ +1.3”的范圍，說明橋區(qū)各航標(biāo)視覺工效均滿足亮度對比度大于1.3的標(biāo)準(zhǔn)要求，因此總體來說亮化工程不會對橋區(qū)航標(biāo)亮度對比度產(chǎn)生明顯的不利影響。

表5 各航標(biāo)燈在測點背景光下亮度對比度和顏色對比度的計算結(jié)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(yīng)的航標(biāo)燈光與背景光混合光的色度值均位于GB 12708—91標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相應(yīng)燈光色度范圍內(nèi)，符合該標(biāo)準(zhǔn)對航標(biāo)燈的色度要求。因此，該項目亮化照明的背景燈光對各航標(biāo)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(qū)水域航標(biāo)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(qū)航標(biāo)燈的可識別性產(chǎn)生明顯的不利影響。

3.3 橋區(qū)水域光環(huán)境對船舶駕駛?cè)藛T視覺績效的影響分析

根據(jù)南京長江大橋所涉及的通航水域光環(huán)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(yīng)的舒適度，見表6，并繪制不同通航橋孔各測點處所對應(yīng)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(yīng)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(qū)各通航橋孔的亮化照明對船舶駕駛?cè)藛T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。總體而言，該項目亮化照明產(chǎn)生的眩光對船舶駕駛?cè)藛T視覺績效的影響未超過“略感不舒服”的程度。

4 結(jié)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(biāo)燈的可識別性和船舶駕駛?cè)藛T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?cè)藛T認(rèn)知響應(yīng)模式的基礎(chǔ)上，量化分析了航標(biāo)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(jìn)行了量化分析。結(jié)果表明：橋區(qū)光環(huán)境對橋區(qū)水域航標(biāo)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(qū)航標(biāo)燈的可識別性產(chǎn)生明顯的不利影響；亮化照明產(chǎn)生的眩光對船舶駕駛?cè)藛T視覺績效的影響整體上未超過“略感不舒服”的程度；橋區(qū)光環(huán)境無論是對航標(biāo)燈的可識別性，還是對船舶駕駛?cè)藛T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(shè)計和施工方面考慮，應(yīng)合理地將燈光明暗結(jié)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?cè)藛T方面考慮，應(yīng)安排對橋區(qū)水域通航熟悉的駕駛?cè)藛T值班，并防止駕駛?cè)藛T疲勞駕駛，保持穿越橋區(qū)水域船舶操縱的連貫性等。本文研究結(jié)果可為類似的夜航光環(huán)境量化分析和海上光污染的控制提供一定的借鑒。