船舶驾驶室夜航光环境优化

郑鹏宇， 印士波， 史 军， 韩庆楠

(中船航海科技有限责任公司 系统集成室， 北京 100070)

0 引 言

船舶驾驶室是全船指挥、航海、通信、机电控制中心，是全船协同开展各种活动的中枢。随着现代船舶信息化程度的日益提高，驾驶室内的各种集中显示设备数量逐渐增多，在提高航行效率的同时也使驾驶室的光环境更为复杂，特别是在夜晚航行时造成的影响更为显著。

(1) 夜间航行时背景光较暗，假如显示设备过亮，会在舷窗玻璃上形成强烈的反射，致使航海者无法看清海上情况(如渔船或远处灯塔发出的微弱灯光)，易导致航行事故。

(2) 长时间在亮度较高的环境中工作，会激活人眼杆状细胞，在黑夜中观察海况时，会有一段时间的夜盲症状，造成观测障碍，产生安全隐患[1-2]。

(3) 航海者在暗环境下长时间地观察明亮的目标，容易产生视疲劳，引发不适感，进而影响其工作效率[3]。

为此，对船舶驾驶室夜航模式下的光环境进行研究并提出优化方案，提高航海者的视觉舒适度，使其在清晰观察驾驶室内显示设备的同时，能够有效地观测海况，以达到安全、高效航海的目的。

1 驾驶室光环境理论分析

1.1 亮度对比度

根据发光目标与背景亮度的差异，可以定义亮度对比度C[4-5]为

C=|L0-Lb|/Lb=ΔL/Lb

(1)

式中：L0为目标亮度，cd/m2；Lb为背景亮度，cd/m2；ΔL为亮度差，cd/m2，表示目标与背景亮度的差异。

目标刚能被人眼识别时的亮度对比度为Ct，并称之为临界对比度，此时的亮度差为临界亮度差ΔLt，并可定义可见水平(Visibility Level， VL)为

SVL=C/Ct=ΔL/ΔLt

(2)

可见VL值越大，目标与背景之间的亮度差越大，即目标的清晰度越高。然而，VL值太高也会降低视觉舒适性，增加视觉疲劳感。

船舶夜航时，驾驶室内的背景光越弱，在相同VL的条件下，对显示设备亮度的要求就越低，对相同亮度海上目标的VL就越高，航海者的夜航视觉舒适度就越好。并且，驾驶室内的显示设备亮度也反过来会影响背景光的亮度。因此，必须合理地选择VL的值，使航海者能在清晰、轻松地观察相关显示设备的同时，也能较清晰地分辨海上目标。

1.2 颜色对比度

色度学中的颜色混合原理[6]为：不同颜色的混合将产生混合色，即任何颜色的光可以通过三原色(红R、绿G、蓝B)进行分解，得到1个三维向量[R,G,B]。当多种颜色混合时，根据格拉斯曼颜色混合的代替律，他们的三原色向量满足加法原则，即各分量分别相加，以组成混合色的三原色分量。

2个颜色[R1,G1,B1]和[R2,G2,B2]的颜色对比度CC可以定义为他们所对应的向量的夹角乘以归一化系数

(3)

CC范围为0～1，其值越大，则颜色属性相差越大，颜色对比度也就越大。在不考虑人眼对颜色的敏感程度时，若亮度一样，则CC越大，人眼越容易区分。因此，在进行信号区分时，应尽可能采用颜色对比度大的色系，这样可以降低对亮度的需求。

1.3 人眼色觉模型

人眼视网膜是视觉系统的第1级功能性结构，其中负责视觉功能的感光细胞为视杆细胞和视锥细胞[7]。视杆细胞灵敏度高，分辨率较低且不能区分颜色；视锥细胞灵敏度低，分辨率较高，并且可以分为3种，分别对应于光谱中的红、绿、蓝，响应度分别为64%、32%和2%，因而能感应颜色。这几种细胞对光谱的相对强度响应曲线如图1所示。考虑到响应度后，归一化的敏感度曲线如图2所示。可以看出，视锥细胞对520～600 nm的光谱较敏感，在亮度一定的情况下，可以考虑使用这个区间的光提高海航者的视觉敏感度。此外，采用暖色调的光不仅可以提高人眼主观对比度，还可以提高人眼舒适度。综上考虑，夜航显示设备应优先采用绿色、红色及其之间的颜色。

图1 视杆细胞光谱响应曲线

图2 视锥细胞归一化光谱敏感曲线

1.4 驾驶室光源

驾驶室内发光设备和仪器众多，主要设备有电子海图、导航雷达、陀螺/磁罗经、航行数据记录仪、计程仪、测深仪、自动舵等，在船舶航行时，这些设备全天候全天时工作，使得驾驶室光线传播路径复杂，其整体光环境受诸多因素影响和制约。

(1) 各类显示屏。现代船舶信息化、自动化和智能化水平日益提高，传统的机械指针式仪表盘逐渐被数量众多的综合信息显示设备所取代，各显示设备大多配备高亮度、大尺寸的显示屏幕，成为夜间航行时主要的光污染源。

(2) 各类指示灯。信息高度集中化和集成化是船舶驾驶室的主要特征，各设备上安装数量众多的LED状态指示灯，用于显示电源开关、复位、设备开启及运行状态、车钟挡位和报警信息等，其颜色不一，亮度不可调整，在晚上或较暗环境中会对驾驶人员产生眩光影响。

(3) 透光按键。驾驶室存在较多带发光功能的操控按键，如键盘、开关键、功能键等。

(4) 驾驶室光折射。驾驶室顶部天花板、墙面和地面均为金属材质，反光较为严重，易将设备发出的亮光反射到驾驶室舷窗玻璃上，产生反射眩光，令驾驶人员产生视觉不适，难以观察前方目标。

2 优化措施

船舶驾驶室光环境复杂，驾驶人员对光环境综合要求高，因此对驾驶室夜航光环境的治理需要从多方面考虑，既需单个设备发光满足CIE标准，又需驾驶室整体光环境满足驾驶人员的视觉舒适度；既需对硬件进行整改,又需对软件界面配色进行优化，是一个全方面的系统工程。

2.1 整体环境优化

目前船舶驾驶室在光环境管控方面存在以下问题：一是部分对光环境产生较大影响的发光设备无调光功能；二是设备调光标准不统一，调光幅度和范围过多地依赖人员的主观感受；三是设备间调光独立，缺少区域化的集中调光体系，无法对驾驶室整体进行系统科学的管控；四是驾驶室舷窗、顶部天花板、墙面和地面等未进行光线漫射处理，光线反射严重。

2.1.1 建立统一的光控体系

驾驶室发光设备较多，虽然大多数设备均具有调光功能，但设备间各自独立调光，受操作人员主观影响较大，且难以形成整体一致的调光环境，智能化、自动化和一体化程度较低，难以产生较好的光控效果。为此，建立统一的调光体系，由分布在各个位置的数个亮度传感器智能检测外界环境光照度，将参数传输至智能控制端并自动计算出最为合适的舱室亮度，对驾驶室不同区域进行亮度管控。

驾驶室采用3级调控架构：总控端检测环境亮度及照度指标，发布统一调节指令；分控端接收指令后完成区域性调节；设备端完成硬件亮度、软件界面配色等具体配置，如图3所示。

图3 船舶驾驶室光控整体架构

总控端功能：(1)通过传感器智能感光，采集驾驶室亮度及照度指标，结合外界环境，自动匹配最为合适的光亮模式(白天、傍晚、黑夜)，并可在手动设置模式和智能感光模式之间切换；(2)对驾驶室整体发布管控指令；(3)根据驾驶室不同区域的特点和要求，对各区域分别发布管控指令。

分控端功能：(1)执行总控模块指令；(2)通过CAN、以太网等方式对设备端调光模块发布光控指令。

设备端功能：(1)执行总控模块、分控模块指令，可进行模式切换；(2)支持手动调光模式；(3)通过CAN、以太网、USB、串口等方式对负载发布光控指令。

2.1.2 舱室优化

船舶在夜间航行时，驾驶室内各种设备、仪表、指示灯发出的光会在舱壁、舱顶、地板上来回反射，最后投射到舷窗玻璃上，使得玻璃上反射出显示器的画面，严重影响对外界环境的观察。目前有一些船舶，尤其是军用舰船，驾驶室舱顶和舱壁多使用浅灰色(见图4)，地板多使用淡灰色，这2种颜色色调明度较高，对光线的反射性较强，使得光污染现象更加严重。

图4 浅灰色

对驾驶舱室表面(舱顶、舱壁、地板等)进行拉毛处理，舱顶尽量不封顶，以减少舱室内的漫反射。舱室内避免使用较明亮的色彩或是会产生消极情绪的色彩(如红色、粉色、黑色等)，尽量选择不饱和的颜色(如深灰色，见图5)，使整体产生平静感并且有效减少对光线的反射。

图5 深灰色

驾驶室舷窗玻璃采用低反射率材料，如双面镀AR的夹网玻璃，其原理是利用磁控溅射镀膜技术在普通强化玻璃表面镀上1层减反射膜，有效地减少玻璃本身的反射，增加玻璃的透过率，并使得透过玻璃的色彩更加鲜艳和真实，亦可大幅降低紫外线光谱的透过率，减少紫外线对驾驶人员眼睛的伤害。此外，在玻璃外侧表面贴加疏水层镀膜，使水滴在玻璃表面形成水珠自动滚落而不留痕迹，以解决视线不清的问题。对舷窗玻璃进行特种光学处理以消除海面的波光干扰。

2.1.3 照明设计

驾驶室内部正常白光照明在夜航时全部关闭，如设置照明区域，采用低照度的红光照明。

2.2 硬件优化

2.2.1 显示器优化

现代船舶信息化程度越来越高，各种信息集成显示设备成为驾驶室最主要的光源，如果处理不当，在船舶夜间航行时会造成严重的黑窗效应，影响人员对暗环境的适应。因此，对显示器发光效能的改进和优化是船舶驾驶室光环境治理的最重要因素。

(1) 调光设计。在显示器上设计亮度调节功能，通过外部接口(RS-422、以太网口)接收调光指令并解析，控制调节显示器背光亮度。

如图6所示，显示器由单片机串口控制板、背光驱动板、显示器驱动板、OSD(On Screen Display)和调光按键及液晶屏组成。当单片机串口控制板接收到亮度控制命令时，单片机进行如下工作：①按照要求输出相应占空比的PWM信号到按键板和背光控制板，对背光的亮度进行调节(此时用户也可通过亮度调节按键或旋钮来手动控制背光亮度);②输出相应指令到显示驱动板，完成屏幕显示模式(白天、傍晚、黑夜)及相应的亮度调节；③向设备主机发送配色指令，驱动应用软件作相应的配色变化；④通过串口对接收到总控端或分控端命令进行握手应答，并上传即时状态。

图6 显示器光控硬件架构

为了让航海者能看清驾驶舱外的情况，必须尽可能消除反射光并降低光环境的亮度，但是，为了能看清显示设备的信息，显示设备的亮度不能太低，这一权衡可以在国际标准IEC 62388[8]的指导下进行，显示设备的亮度尽量不要超过IEC 62388规定的范围。

亮度调节方面：在高亮度区间，调光步进可稍大，以加快调光速度；在低亮度区间，调光步进应较小，以使其具有较高的调节精度。

(2) 色彩校准。不同显示器由于硬件的差异会产生明度和色彩的偏差，通过对显示器进行色彩补偿和色差校正，使得船舶驾驶室中不同显示器亮度尽量一致，颜色显示尽量真实，提高人因工程学效能，减小光环境差异对人眼造成的不适。

(3) 屏幕优化。显示器屏幕表面贴合AG防眩膜，以消除眩光，减少反射。

2.2.2 其他组件优化

设备信号指示灯亦是驾驶室的主要光源，早期设备中大量采用电阻式调光，其原理简单，但存在亮度调节线性度不佳，低亮度下调节变化过大的缺点。改用PWM调光可提高背光亮度调节的线性度和平滑度，较好地解决上述问题，并可对高亮度范围和低亮度范围分别设定调节精度，或是与调光编码器结合以在全局调光和局部调光之间进行切换。

对各类键盘和开关按键采用具有PWM精细调光能力的导光板作为背光源，以减少光污染。在显示屏和指示灯上加装遮光罩，以物理方式减少光线泄漏，如图7所示。

图7 指示灯遮光罩

2.3 软件优化

根据IEC 62388要求，船舶驾驶室设备软件界面具有白天、黄昏、夜晚等3种模式，以满足不同光环境条件下人眼对界面亮度及配色的适应性。由于软件显示的特点(见图8)，在夜晚模式下，仅通过降低亮度会严重影响人员对画面的辨识能力，通过对界面配色进行研究，使用黑色背景，红、绿文字显示的暖色调配色方案，使得画面在夜间模式下保持柔和舒适，清晰可见(见图9)。此外，根据人因工程学设计，在软件界面模式切换的同时相应同步改变显示器亮度，以实现显示模式和亮度的匹配。

图8 优化前软件界面

图9 优化后软件界面

3 结 论

从整体布局、设备硬件、软件界面等多方面对船舶驾驶室夜航光环境进行综合治理与优化，驾驶室整体夜航光环境得到有效控制，设备发光亮度显著降低，经过多次长时间夜航验证，驾驶人员普遍反映良好，极大提高航海者的视觉舒适性，实现海上航行的安全性。

4 下一步研究方向

通过夜航光环境整体优化，尽可能地消除船舶航行隐患，取得了较大成效，但整体效果和人机体验和国外先进船舶相比还有较大差距，在现有技术成果的基础上，还有一些工作需要开展：

(1) 继续展开船舶夜航光环境的人因工程学研究，为进一步优化光环境、改进设备提供理论和数据支持。

(2) 制定科学的测试验证方案，开发相关的试验系统和设备，使船舶光环境的研究更加科学化和专业化。

(3) 在大量理论研究和试验数据的基础上制定行业标准，指导船舶驾驶室总体设计。

[1] 姚其. 民机驾驶舱LED照明工效研究[D]. 上海：复旦大学, 2012.

[2] 王玮. 民机驾驶舱综合视觉工效CAD实验系统的研发[D]. 上海：复旦大学, 2013.

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[3] 翁建军, 周阳. 海上光污染对船舶夜航安全的影响及对策分析[J]. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2013, 37(3): 549-552.

[4] 朱金善, 孙立成, 洪碧光. 背景亮度及眩光对夜航船舶避碰的影响[J]. 大连海事大学学报，2003, 29(3): 48-51.

[5] 周太明, 皇甫炳炎, 周莉，等.电气照明设计[M]. 上海: 复旦大学出版社, 2001.

[6] 汤顺青. 色度学[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 1990.

[7] 寿天德. 视觉信息处理的脑机制[M]. 上海: 上海科技教育出版社, 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.