船舶艙室內(nèi)推進(jìn)監(jiān)控顯控臺(tái)界面布局優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉丞均

(鄭州科技學(xué)院，河南 鄭州 450007)

0 引 言

當(dāng)前船舶艙室內(nèi)推進(jìn)監(jiān)控顯控臺(tái)界面上存在狀態(tài)參數(shù)顯示重復(fù)過多，控制元件色彩差異不顯著、不直觀，部分控制元件位置設(shè)定不科學(xué)等問題[1]。由此造成艙室內(nèi)推進(jìn)監(jiān)控線控臺(tái)的用戶不能直觀、快速、準(zhǔn)確地獲取監(jiān)控信息，提升了用戶對(duì)于監(jiān)控內(nèi)容的認(rèn)知負(fù)荷[2]，令艙室內(nèi)推進(jìn)監(jiān)控顯控臺(tái)操作績(jī)效下降。針對(duì)這些問題，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量研究。李源楓等[3]在進(jìn)行界面布局優(yōu)化過程中以用戶導(dǎo)向?yàn)槟繕?biāo)構(gòu)建模型，利用遺傳算法求解模型得到布局結(jié)果。許永生等[4]在界面布局優(yōu)化過程中以注意力分配機(jī)制為基礎(chǔ)，從視覺層、行為層與心理層3 個(gè)角度出發(fā)采集眼動(dòng)數(shù)據(jù)，基于所采集數(shù)據(jù)獲取優(yōu)化結(jié)果。韋艷麗等[5]在研究界面布局優(yōu)化問題時(shí)，利用隨機(jī)森林算法預(yù)測(cè)界面元素的布局位置。上述研究結(jié)果中均未考慮人眼視覺特性，導(dǎo)致最終界面布局結(jié)果不符合視覺審美標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)這一問題，研究船舶艙室內(nèi)推進(jìn)監(jiān)控顯控臺(tái)界面布局優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，由此提升界面布局結(jié)果的視覺審美性。

1 顯控臺(tái)界面布局優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

1.1 顯控臺(tái)界面元素視覺注意度影響因素分析

船舶艙室內(nèi)推進(jìn)監(jiān)控顯控臺(tái)界面中包含多個(gè)控制元件，不同元件間具有明顯的形狀、色彩、大小與間距等視覺特征差異。用戶在艙室內(nèi)推進(jìn)監(jiān)控顯控臺(tái)應(yīng)用過程中，對(duì)于部分控制元件較容易發(fā)現(xiàn)，但同樣有部分控制元件容易被用戶忽視，這種情況表明對(duì)于用戶來說，容易被發(fā)現(xiàn)的控制元件與容易被忽視的控制元件相比具備更顯著的視覺注意力。由此可知，確定對(duì)視覺注意力產(chǎn)生直接影響的各個(gè)因素，是優(yōu)化船舶艙室內(nèi)推進(jìn)監(jiān)控顯控臺(tái)界面布局的重要環(huán)節(jié)。因此可從距離、色彩與視覺注意力等級(jí)3 個(gè)角度分析不同控制元件的視覺注意力[6]。

1.1.1 控制元件的距離

m表示待布置控制元件的數(shù)量，空間元件i的長(zhǎng)度和寬度分別為li和ki，以控制元件的中心點(diǎn)作為其位置坐標(biāo)，其在船舶艙室內(nèi)推進(jìn)監(jiān)控顯控臺(tái)界面上的坐標(biāo)值可通過(xi,yi) 表示，由此控制元件i與控制元件j的距離計(jì)算式為：

在確定不同控制元件間距離過程中，需保障各控制元件在布局過程中彼此互不干涉，因此設(shè)定控制元件距離的約束條件為：

1.1.2 控制元件的色彩

根據(jù)式(1)可構(gòu)建控制元件i與其他控制元件j的色彩差異性：

式中：ci j和oi j分別表示控制元件i與控制元件j的色彩對(duì)比度和相關(guān)水平， φ表示常數(shù)，其主要功能為劃分控制元件的相關(guān)水平大小。

1.1.3 控制元件的注意力等級(jí)

uig和Si分別表示控制元件i的形心在不同視野區(qū)域g的等級(jí)和其在事業(yè)區(qū)域內(nèi)所占面積，ag和bg分別表示不同視野區(qū)域g的橢圓長(zhǎng)軸和短軸。則控制元件i的視覺注意力可描述為：

1.2 影響因素權(quán)重計(jì)算

基于上述3 個(gè)元素視覺注意度影響因素，選取G1 法確定顯控臺(tái)界面內(nèi)不同控制元件的關(guān)鍵度。將不同控制元件的關(guān)鍵度實(shí)施兩兩對(duì)比，影響因素的相對(duì)關(guān)鍵度為：

式中，wk為控制元件uk的關(guān)鍵度。表1 為rk的賦值。

表1 相對(duì)關(guān)鍵度的賦值表Tab.1 Assignment table of relative criticality

在此基礎(chǔ)上，確定不同控制元件的權(quán)重值：

1.3 顯控臺(tái)界面布局優(yōu)化模型構(gòu)建

在待布置的船舶艙室內(nèi)推進(jìn)監(jiān)控顯控臺(tái)界面空間內(nèi)，并不是所有位置都能夠引起用戶視覺注意，也不能將不同的空間元件都布置在最優(yōu)位置上，所以在構(gòu)建艙室內(nèi)推進(jìn)監(jiān)控顯控臺(tái)界面布局優(yōu)化模型過程中需整體分析不同控制元件的權(quán)重值。依照控制元件的距離、色彩與注意力等級(jí)計(jì)算公式與相應(yīng)約束條件，設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)為構(gòu)建的目標(biāo)函數(shù)去取得最大值[7]，目標(biāo)函數(shù)為：

1.4 基于粒子群優(yōu)化算法的目標(biāo)函數(shù)求解

粒子群優(yōu)化算法通過速度—位移模型，受適應(yīng)度函數(shù)信息導(dǎo)向，通過獨(dú)特的記憶性能跟蹤搜索粒徑，達(dá)到以種群為基礎(chǔ)的全局搜索目的，與此同時(shí)實(shí)時(shí)調(diào)整搜索策略。通過粒子群算法能夠有效解決多維空間多峰問題尋優(yōu)以及動(dòng)態(tài)目標(biāo)尋優(yōu)等問題，且具有高效率、高解質(zhì)量以及高魯棒性等優(yōu)勢(shì)。利用粒子群算法求解艙室內(nèi)推進(jìn)監(jiān)控顯控臺(tái)界面布局優(yōu)化模型的具體過程為：

式 中，i=1,2,···,M；d=1,2,···,D；w表 示 慣 性 權(quán)重，其值通常為0.4～0.9，依照迭代次數(shù)逐漸下降；c和r分別表示學(xué)習(xí)因子和隨機(jī)數(shù)，通常情況下，c的取值為2.0，r的取值為[0,1]。

粒子群內(nèi)不同目標(biāo)函數(shù)解依照式(9)與式(10)持續(xù)更新進(jìn)化，在飛行速度的引導(dǎo)下經(jīng)由跟蹤Pi和Pg，推動(dòng)整體目標(biāo)函數(shù)解種群最終收斂至Pg，由此完成船舶艙室內(nèi)推進(jìn)監(jiān)控顯控臺(tái)界面布局優(yōu)化模型目標(biāo)函數(shù)的求解。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文研究船舶艙室內(nèi)推進(jìn)監(jiān)控顯控臺(tái)界面布局優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，為驗(yàn)證本文方法的實(shí)際應(yīng)用性能，以某型船舶為研究對(duì)象，采用本文方法對(duì)研究對(duì)象艙室內(nèi)推進(jìn)監(jiān)控顯控臺(tái)界面進(jìn)行布局優(yōu)化測(cè)試。

研究對(duì)象艙室內(nèi)推進(jìn)監(jiān)控顯控臺(tái)界面內(nèi)共包含12 個(gè)不規(guī)則的控制元件，將其定義為K1～K12，不同控制元件分為4 組。其中，K1 為顯示內(nèi)容切換按鈕，K2～K5 為工作方式顯示區(qū)域，K6 為火力控制參數(shù)區(qū)域，K7～K10 為系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果顯示區(qū)域，K11～K12 為控制界面。表2 為各控制元件的尺寸參數(shù)值。

表2 控制元件的尺寸參數(shù)值Tab.2 Size parameter values of control components

2.1 界面布局優(yōu)化結(jié)果

采用本文方法計(jì)算研究對(duì)象艙室內(nèi)推進(jìn)監(jiān)控顯控臺(tái)界不同控制元件的權(quán)重值，所得結(jié)果如表3 所示。分析可知，在4 組控制元件內(nèi)，工作方式顯示區(qū)域的權(quán)重值最高，其次為控制界面，火力控制參數(shù)區(qū)域與系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果顯示區(qū)域的權(quán)重值最低。

表3 控制元件權(quán)重值計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of control element weight values

根據(jù)表3 中的權(quán)重值計(jì)算結(jié)果，令優(yōu)化后的研究對(duì)象艙室內(nèi)推進(jìn)監(jiān)控顯控臺(tái)界面布局更符合用戶視覺注意力機(jī)制，基于設(shè)定的模型參數(shù)，通過Matlab 軟件求解目標(biāo)函數(shù)，獲取最大適應(yīng)度函數(shù)值對(duì)應(yīng)的最優(yōu)個(gè)體編碼，逼格對(duì)其實(shí)施解碼計(jì)算，獲取表象數(shù)據(jù)參數(shù)，將其引入實(shí)際界面布局過程中，得到最新優(yōu)化后的界面坐標(biāo)結(jié)果，如表4 所示?？芍?，采用本文方法能夠有效實(shí)現(xiàn)船舶艙室內(nèi)推進(jìn)監(jiān)控顯控臺(tái)界面布局優(yōu)化。

表4 優(yōu)化后控制元件坐標(biāo)值Tab.4 Coordinates of control elements after optimization

2.2 優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

為進(jìn)一步說明本文方法對(duì)于研究對(duì)象艙室內(nèi)推進(jìn)監(jiān)控顯控臺(tái)界面布局優(yōu)化的性能，對(duì)比采用本文方法優(yōu)化前后的研究對(duì)象室內(nèi)推進(jìn)監(jiān)控顯控臺(tái)界面布局，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 布局優(yōu)化結(jié)果對(duì)比Fig.1 Comparison of layout optimization results

可知，采用本文方法對(duì)研究對(duì)象艙室內(nèi)推進(jìn)監(jiān)控顯控臺(tái)界面布局進(jìn)行優(yōu)化后，權(quán)重值相對(duì)各控制元件的均被安排在視野A 范圍內(nèi)，同時(shí)將這種安排對(duì)于界面的實(shí)際操作產(chǎn)生積極影響，同時(shí)將工作方式顯示區(qū)域等主要控制元件設(shè)置在界面中心位置，剩余各控制元件均勻分布在周邊，符合人類視覺審美標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié) 語

本文研究船舶艙室內(nèi)推進(jìn)監(jiān)控顯控臺(tái)界面布局優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，通過控制元件布局的各影響因素進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，并將其引入目標(biāo)函數(shù)中，由此構(gòu)建基于視覺注意力機(jī)制的界面優(yōu)化模型，采用粒子群優(yōu)化算法求解模型目標(biāo)函數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該方法能夠有效實(shí)現(xiàn)界面優(yōu)化目的，令優(yōu)化后的界面更符合人類視覺審美標(biāo)準(zhǔn)。