基于熱區(qū)理論的直升機(jī)駕駛艙眩光評(píng)估方法

陳本營(yíng) 鄭潤(rùn)昊

所謂的人機(jī)工效，就是將人、對(duì)象、環(huán)境之間的相互關(guān)系、協(xié)調(diào)性和人性化聯(lián)系起來(lái)。直升機(jī)是服務(wù)于人的機(jī)器，駕駛員的操縱能力直接影響直升機(jī)的使用效果。本文通過(guò)對(duì)駕駛艙眩光問(wèn)題進(jìn)行分析，并建立基于熱區(qū)理論的直升機(jī)駕駛艙眩光評(píng)估方法，實(shí)現(xiàn)在方案設(shè)計(jì)階段對(duì)駕駛艙眩光問(wèn)題的分析。

1 直升機(jī)駕駛艙眩光效應(yīng)

眩光，是指視野中由于不適宜亮度分布，或在空間或時(shí)間上存在極端的亮度對(duì)比，在視野內(nèi)產(chǎn)生人眼無(wú)法適應(yīng)的光亮感覺(jué)，以致引起視覺(jué)不舒適和降低物體可見(jiàn)度的視覺(jué)條件。眩光現(xiàn)象可能引起視物不清、厭惡、不舒服甚至喪失明視度。針對(duì)直升機(jī)眩光現(xiàn)象來(lái)說(shuō)，還會(huì)導(dǎo)致飛行員將眩光誤認(rèn)為敵機(jī)。

座艙是人與直升機(jī)直接交互的界面。隨著現(xiàn)代直升機(jī)座艙的高度復(fù)雜化和綜合化，座艙內(nèi)部光學(xué)環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜。特別是大量采用綜合顯示器來(lái)代替過(guò)去的常規(guī)儀表，艙內(nèi)照明燈具越來(lái)越多樣化、多功能化，以及導(dǎo)光板、信號(hào)燈、警告燈等發(fā)光顯示器件的普遍應(yīng)用，復(fù)雜的光照環(huán)境與座艙內(nèi)飾部件在色彩和空間上互相耦合，形成了更加錯(cuò)綜復(fù)雜的艙內(nèi)視覺(jué)環(huán)境。

2 基于熱區(qū)理論的直升機(jī)駕駛艙眩光評(píng)估方法

2.1 駕駛艙眩光熱區(qū)理論

針對(duì)直升機(jī)駕駛艙眩光問(wèn)題來(lái)說(shuō)，基群指駕駛艙前風(fēng)擋玻璃（這里暫時(shí)以影響前視野的前風(fēng)擋玻璃為例），因子指玻璃面積上抽象點(diǎn)，隨機(jī)子集指產(chǎn)生的眩光區(qū)域。由于對(duì)飛行員來(lái)說(shuō)，眩光產(chǎn)生的區(qū)域受到位置影響，對(duì)飛行的影響程度也不同。一般來(lái)講，越靠近中間的區(qū)域眩光產(chǎn)生的影響越大，我們認(rèn)為這部分區(qū)域?qū)儆诟邿釁^(qū)域。而靠近窗邊緣區(qū)域的眩光對(duì)飛行影響相對(duì)較小，可定義為低熱區(qū)域。借助于這樣的高低熱區(qū)域的定義，可將直升機(jī)駕駛艙眩光問(wèn)題，建立起基于熱區(qū)理論的數(shù)學(xué)模型。而實(shí)現(xiàn)這個(gè)模型的難點(diǎn)在于基群內(nèi)因子重要性的劃分。

2.2 熱區(qū)范圍及因子重要性

對(duì)于直升機(jī)駕駛艙眩光這一特定問(wèn)題而言，其因子重要性分布具有一定特征和趨勢(shì)?？杉僭O(shè)在前風(fēng)擋玻璃上畫(huà)任何一條連續(xù)不間斷且光滑的曲線，線上的點(diǎn)的重要性是連續(xù)的，即每一個(gè)點(diǎn)與其附近區(qū)域點(diǎn)的重要性是相近的。

對(duì)重要性的數(shù)學(xué)定義，可通過(guò)賦予權(quán)重值來(lái)實(shí)現(xiàn)，權(quán)重值為區(qū)域0～1任意有理數(shù)。針對(duì)直升機(jī)眩光，可暫定0.4～1，以0.1為刻度進(jìn)行選?。ㄔ摋l通過(guò)后期驗(yàn)證進(jìn)行修正）。該系數(shù)定義為熱區(qū)系數(shù)K。

通過(guò)如上兩個(gè)條件和定義，對(duì)直升機(jī)駕駛艙眩光區(qū)域的熱區(qū)劃分則轉(zhuǎn)化為前風(fēng)擋玻璃區(qū)域劃分問(wèn)題。以若干條閉合的曲線將前風(fēng)擋玻璃劃分為若干區(qū)域：

（1）閉合曲線之間不交叉；

（2）曲線閉合區(qū)域之間可存在包含關(guān)系或無(wú)交集；

（3）閉合曲線不一定全部位于前風(fēng)擋玻璃上；

（4）每一塊區(qū)域具有唯一離散的權(quán)重值。

通過(guò)對(duì)飛行員視野進(jìn)行分析，前風(fēng)擋玻璃中央?yún)^(qū)域?yàn)楦邿釁^(qū)域，該區(qū)域眩光將對(duì)飛行安全產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響。玻璃邊緣區(qū)域則為低熱區(qū)域，該處眩光對(duì)飛行安全影響不大。

2.3 眩光效應(yīng)轉(zhuǎn)化

當(dāng)前風(fēng)擋玻璃熱區(qū)劃分及區(qū)域重要性定義完成后，便具備了將眩光效應(yīng)由主觀效果轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)模型的前提條件。目前可通過(guò)兩種方式獲得眩光效應(yīng)：

（1）真實(shí)樣機(jī)眩光效果拍攝；

（2）SPEOS電子樣機(jī)光學(xué)仿真。

2.3.1 真實(shí)樣機(jī)眩光效果拍攝

當(dāng)直升機(jī)模擬艙或科研樣機(jī)試制完成，滿足可開(kāi)啟駕駛艙內(nèi)全照明狀態(tài)，在夜間環(huán)境可通過(guò)專業(yè)單反相機(jī)由操作人員進(jìn)行眩光效果拍攝。

該種方式受到相機(jī)拍攝人員技術(shù)及相機(jī)拍攝位置視野不能完全模擬人眼等方面因素影響，拍攝效果較差，但真實(shí)度高。

將拍攝的眩光區(qū)域反映到數(shù)字樣機(jī)上，通過(guò)劃分的熱區(qū)區(qū)域?qū)λ玫窖９鈪^(qū)域進(jìn)行分解，并賦予各區(qū)域的重要性參數(shù)。

2.3.2 SPEOS電子樣機(jī)光學(xué)仿真

目前，駕駛艙視覺(jué)光學(xué)仿真的主要方法是，在研究艙內(nèi)光學(xué)環(huán)境的基礎(chǔ)上，以視光學(xué)的基本理論和算法為基礎(chǔ)，利用光學(xué)仿真軟件SPEOS，建立能夠模擬接近真實(shí)人眼視覺(jué)感受的視覺(jué)仿真模型，依賴軟件強(qiáng)大的光學(xué)仿真計(jì)算能力，進(jìn)行基于人眼真實(shí)視覺(jué)的光學(xué)仿真?；玖鞒倘缦?。

（1）幾何建模：利用駕駛艙數(shù)字樣機(jī)，按照仿真軟件對(duì)模型的具體要求構(gòu)建幾何模型；

（2）光源建模：使用仿真軟件添加艙內(nèi)、艙外光源并設(shè)置光源參數(shù)；

（3）內(nèi)飾材質(zhì)建模：通過(guò)材質(zhì)庫(kù)或事物測(cè)量等方法，定義內(nèi)飾的材質(zhì)屬性；

（4）人眼視覺(jué)建模：按照國(guó)軍標(biāo)要求的駕駛員參考眼位，構(gòu)建視覺(jué)傳感器；

（5）視覺(jué)仿真及分析：逆向仿真進(jìn)行設(shè)置，得到仿真結(jié)果，進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。

最終將仿真得到的結(jié)果反映到數(shù)字樣機(jī)上，通過(guò)劃分的熱區(qū)區(qū)域?qū)λ玫窖９鈪^(qū)域進(jìn)行分解，并賦予各區(qū)域的重要性參數(shù)。

2.4 玻璃曲率

對(duì)于駕駛艙眩光效應(yīng)來(lái)說(shuō)，由于玻璃曲率導(dǎo)致的拉伸變形的眩光效應(yīng)讓人產(chǎn)生更加嚴(yán)重的眩光反應(yīng)。因此，除熱區(qū)重要性因素影響熱區(qū)權(quán)重外，有必要將玻璃曲率所產(chǎn)生的眩光模糊情況也通過(guò)賦予權(quán)重值的方式反饋到眩光評(píng)估結(jié)果中。

存在眩光變形的區(qū)域權(quán)重系數(shù)范圍為1～1.2，以0.1為刻度進(jìn)行選?。ㄔ摋l通過(guò)后期驗(yàn)證進(jìn)行修正）。定義為眩光拉伸系數(shù)δ。

2.5 眩光效應(yīng)轉(zhuǎn)化公式

當(dāng)建立起如上所定義基于熱區(qū)理論的直升機(jī)駕駛艙眩光評(píng)估模型，將駕駛艙眩光效應(yīng)轉(zhuǎn)化為一個(gè)基群內(nèi)若干帶有系數(shù)的子集的集合（K1δ1S1、K2δ2S2……），則可通過(guò)如下公式得到無(wú)量綱參數(shù)眩光度θ：

Kn—眩光區(qū)域n的熱區(qū)系數(shù)；

δn——眩光區(qū)域n的眩光拉伸系數(shù)；

Sn——眩光區(qū)域n的面積；

Km-——熱區(qū)劃分區(qū)域m的熱區(qū)系數(shù)；

Sm-——熱區(qū)劃分區(qū)域m的面積。

2.6 眩光效應(yīng)評(píng)估

根據(jù)式（1）得到的眩光度θ，分別在對(duì)應(yīng)串列式駕駛艙布局、并列式駕駛艙布局兩種評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行定量評(píng)估。

3 結(jié)語(yǔ)

目前有許多駕駛艙人機(jī)工效的評(píng)估方法，如模糊綜合評(píng)判法等。然而這些方法都很難將某項(xiàng)具體的人機(jī)工效項(xiàng)目轉(zhuǎn)化為定量的指數(shù)進(jìn)行分析，只能通過(guò)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行定參和調(diào)參。通過(guò)本文所介紹的方法，針對(duì)駕駛艙眩光問(wèn)題，得以將主觀的感覺(jué)轉(zhuǎn)化為可定量分析的數(shù)值指標(biāo)，這為駕駛艙人機(jī)工效綜評(píng)提供了重要的參考依據(jù)。

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