基于热区理论的直升机驾驶舱眩光评估方法

陈本营 郑润昊

所谓的人机工效，就是将人、对象、环境之间的相互关系、协调性和人性化联系起来。直升机是服务于人的机器，驾驶员的操纵能力直接影响直升机的使用效果。本文通过对驾驶舱眩光问题进行分析，并建立基于热区理论的直升机驾驶舱眩光评估方法，实现在方案设计阶段对驾驶舱眩光问题的分析。

1 直升机驾驶舱眩光效应

眩光，是指视野中由于不适宜亮度分布，或在空间或时间上存在极端的亮度对比，在视野内产生人眼无法适应的光亮感觉，以致引起视觉不舒适和降低物体可见度的视觉条件。眩光现象可能引起视物不清、厌恶、不舒服甚至丧失明视度。针对直升机眩光现象来说，还会导致飞行员将眩光误认为敌机。

座舱是人与直升机直接交互的界面。随着现代直升机座舱的高度复杂化和综合化，座舱内部光学环境越来越复杂。特别是大量采用综合显示器来代替过去的常规仪表，舱内照明灯具越来越多样化、多功能化，以及导光板、信号灯、警告灯等发光显示器件的普遍应用，复杂的光照环境与座舱内饰部件在色彩和空间上互相耦合，形成了更加错综复杂的舱内视觉环境。

2 基于热区理论的直升机驾驶舱眩光评估方法

2.1 驾驶舱眩光热区理论

针对直升机驾驶舱眩光问题来说，基群指驾驶舱前风挡玻璃（这里暂时以影响前视野的前风挡玻璃为例），因子指玻璃面积上抽象点，随机子集指产生的眩光区域。由于对飞行员来说，眩光产生的区域受到位置影响，对飞行的影响程度也不同。一般来讲，越靠近中间的区域眩光产生的影响越大，我们认为这部分区域属于高热区域。而靠近窗边缘区域的眩光对飞行影响相对较小，可定义为低热区域。借助于这样的高低热区域的定义，可将直升机驾驶舱眩光问题，建立起基于热区理论的数学模型。而实现这个模型的难点在于基群内因子重要性的划分。

2.2 热区范围及因子重要性

对于直升机驾驶舱眩光这一特定问题而言，其因子重要性分布具有一定特征和趋势。可假设在前风挡玻璃上画任何一条连续不间断且光滑的曲线，线上的点的重要性是连续的，即每一个点与其附近区域点的重要性是相近的。

对重要性的数学定义，可通过赋予权重值来实现，权重值为区域0～1任意有理数。针对直升机眩光，可暂定0.4～1，以0.1为刻度进行选取（该条通过后期验证进行修正）。该系数定义为热区系数K。

通过如上两个条件和定义，对直升机驾驶舱眩光区域的热区划分则转化为前风挡玻璃区域划分问题。以若干条闭合的曲线将前风挡玻璃划分为若干区域：

（1）闭合曲线之间不交叉；

（2）曲线闭合区域之间可存在包含关系或无交集；

（3）闭合曲线不一定全部位于前风挡玻璃上；

（4）每一块区域具有唯一离散的权重值。

通过对飞行员视野进行分析，前风挡玻璃中央区域为高热区域，该区域眩光将对飞行安全产生较为严重的影响。玻璃边缘区域则为低热区域，该处眩光对飞行安全影响不大。

2.3 眩光效应转化

当前风挡玻璃热区划分及区域重要性定义完成后，便具备了将眩光效应由主观效果转化数学模型的前提条件。目前可通过两种方式获得眩光效应：

（1）真实样机眩光效果拍摄；

（2）SPEOS电子样机光学仿真。

2.3.1 真实样机眩光效果拍摄

当直升机模拟舱或科研样机试制完成，满足可开启驾驶舱内全照明状态，在夜间环境可通过专业单反相机由操作人员进行眩光效果拍摄。

该种方式受到相机拍摄人员技术及相机拍摄位置视野不能完全模拟人眼等方面因素影响，拍摄效果较差，但真实度高。

将拍摄的眩光区域反映到数字样机上，通过划分的热区区域对所得到眩光区域进行分解，并赋予各区域的重要性参数。

2.3.2 SPEOS电子样机光学仿真

目前，驾驶舱视觉光学仿真的主要方法是，在研究舱内光学环境的基础上，以视光学的基本理论和算法为基础，利用光学仿真软件SPEOS，建立能够模拟接近真实人眼视觉感受的视觉仿真模型，依赖软件强大的光学仿真计算能力，进行基于人眼真实视觉的光学仿真。基本流程如下。

（1）几何建模：利用驾驶舱数字样机，按照仿真软件对模型的具体要求构建几何模型；

（2）光源建模：使用仿真软件添加舱内、舱外光源并设置光源参数；

（3）内饰材质建模：通过材质库或事物测量等方法，定义内饰的材质属性；

（4）人眼视觉建模：按照国军标要求的驾驶员参考眼位，构建视觉传感器；

（5）视觉仿真及分析：逆向仿真进行设置，得到仿真结果，进行实时分析。

最终将仿真得到的结果反映到数字样机上，通过划分的热区区域对所得到眩光区域进行分解，并赋予各区域的重要性参数。

2.4 玻璃曲率

对于驾驶舱眩光效应来说，由于玻璃曲率导致的拉伸变形的眩光效应让人产生更加严重的眩光反应。因此，除热区重要性因素影响热区权重外，有必要将玻璃曲率所产生的眩光模糊情况也通过赋予权重值的方式反馈到眩光评估结果中。

存在眩光变形的区域权重系数范围为1～1.2，以0.1为刻度进行选取（该条通过后期验证进行修正）。定义为眩光拉伸系数δ。

2.5 眩光效应转化公式

当建立起如上所定义基于热区理论的直升机驾驶舱眩光评估模型，将驾驶舱眩光效应转化为一个基群内若干带有系数的子集的集合（K1δ1S1、K2δ2S2……），则可通过如下公式得到无量纲参数眩光度θ：

Kn—眩光区域n的热区系数；

δn——眩光区域n的眩光拉伸系数；

Sn——眩光区域n的面积；

Km-——热区划分区域m的热区系数；

Sm-——热区划分区域m的面积。

2.6 眩光效应评估

根据式（1）得到的眩光度θ，分别在对应串列式驾驶舱布局、并列式驾驶舱布局两种评估标准下进行定量评估。

3 结语

目前有许多驾驶舱人机工效的评估方法，如模糊综合评判法等。然而这些方法都很难将某项具体的人机工效项目转化为定量的指数进行分析，只能通过经验进行定参和调参。通过本文所介绍的方法，针对驾驶舱眩光问题，得以将主观的感觉转化为可定量分析的数值指标，这为驾驶舱人机工效综评提供了重要的参考依据。

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