民机驾驶舱在恶劣光环境下的飞行员视觉工效研究

科学合理的光环境设计可以优化驾驶舱人机工效、提高飞机的安全可靠性,尤其对飞行员视觉、心理等方面,起到积极的指导作用。驾驶舱光环境在大型飞机人机工效综合设计研究中有重要的地位和意义,该报告首先指出了航空视觉问题的特殊性及其与人—机—环境系统的交互作用。然后从光亮度范围、光色的选择、辅助照明、眩光控制、亮度水平与易读性的关系等方面阐述了驾驶舱光环境设计的研究的意义和现状,并展望了民机驾驶舱光环境的研究方向。其次,介绍了相关的视觉理论,并从视觉工效学和实验心理学角度分析了视锐度的定义及测试手段,以及反应时间的特征及其影响因素。针对闪电、太阳直射等恶劣光环境下飞行员视觉功能受到的影响以及应对措施进行了视觉工效学研究。总结了恶劣自然光环境对飞行员视觉功能的影响,将"雷暴雨"和"穿云层"两种典型恶劣光环境的视觉特点抽象为脉冲型和阶跃型的亮度变化,以不同光环境为自变量,视锐度、反应时间和判读准确率为因变量,在全尺寸模拟驾驶舱中对10名被试进行了视觉工效学实验。以判读准确率作为参数,对视锐度和反应时间进行了速度-准确性平衡修正。数据分析结果表明,两种典型的恶劣光环境对视锐度有显著的负面影响;阶跃型光环境变化场景下的反应时间会显著增加,而脉冲场景下的反应速度会所有提高。这些影响都可以被雷暴雨灯提供的背景亮度所消除。两两对比分析后,建议飞行员应该在遇到恶劣光环境之前打开雷暴灯,这样其视觉功能将始终不受光环境突变的影响。针对夜间飞行眩光对飞行员视觉绩效的影响展开研究,选取探测驾驶舱外界目标的反应时间、对于显示器出现视标的探测和识别的阈值尺寸3个因变量作为视觉绩效的评价指标,研究了眩光源亮度、眩光源立体角,背景亮度3个变量对于反应时间的影响以及眩光源表面亮度、显示器视标亮度两个变量对于显示器视标识别绩效的影响。实验结果显示,眩光源表面亮度的提高会增大显示器视标的探测和识别阈值尺寸,但该增量会随着视标亮度的提高而减小,而视标亮度的升高则会减小对于视标的探测和识别阈值尺寸,当视标亮度大于9 cd/m2,阈值尺寸随眩光源表面亮度和视标亮度的变化率趋近于0。该实验结果可以对驾驶舱和飞机场照明的防眩光设计提供一定的理论依据。     

环境工效综合影响因素及机理研究

该研究前期通过对波音、空客全系列驾驶舱设计进行文献调研和在空客、波音实际驾舱内的进行实地飞行调研和测量,提取了可能影响飞行员视觉工效的关键环境因素,针对调研结果设立了实验目标。同时,建立驾驶舱照明三维沉浸式半物理仿真平台评估系统,用以评估机舱照明状况。在这一实验平台的基础上,设计与开展一系列的视觉工效学实验,获得在多个环境参数变化下,驾驶舱内视觉疲劳、作业绩效及对视觉信息获得的准确程度随参数变化的实验数据库,建立基于关键环境因素变化的视觉舒适、视觉疲劳和作业绩效的评估模型。在前期研究成果基础上,该研究在上一年度进一步完善实验平台,搭建驾驶舱简易模型,编写驾驶舱照明环境视觉工效试验软件作为工效学实验研究的工具,同时在白天和黑夜场景下开展了一系列多角度驾驶舱光照环境和多眼位眩光试验。该课题组汇总了前期开展的13项驾驶舱视觉工效学研究,总结了色温、眩光源亮度、眩光源视场角、眩光源立体角、目标周围背景亮度、目标类型、目标亮度、目标颜色、目标视张角、目标振动方向、目标振动频率、目标振动振幅、目标位置、观察距离、频闪、亮度阶跃、环境光类型、环境亮度和实验时段各因素对被试主观评价、视觉作业绩效和反应时的影响程度。在此基础上构建驾驶舱环境评估模型,总共分为安全告警、探测反应和舒适偏好3个子模块,安全告警模块主要包含非视觉生理安全、眩光安全和信息可读性等。在安全告警模块中将提出安全范围的区间。探测反应模块主要是考察速率-准确率这一变量,它受到亮度对比度、座舱人工照明背景亮度、立体角度等因素的影响。此模块将建立速率-准确率与影响因素函数模型,并引入外界眩光源、恶劣天气条件光参数、飞机振动等控制变量。舒适偏好模块主要受照度、色温、眩光源和噪音等因素影响。驾驶舱环境评估模型的构建将分别以各子模块为因变量建立子模型,同时以总体评分为因变量建立总模型。     

汽车大灯自动开启系统的设计

汽车的车灯控制关系到汽车的行驶安全,尤其是在夜间车辆行驶的时候,在会车时车灯如果不能够进行合理的变灯,很容易造成安全事故的发生。该文对汽车大灯在会车的过程中灯光的切换问题进行了分析,设计了相应的电路调控自动变光的距离,通过构建相应的汽车大灯自动开启系统,实现了在不同环境亮度中自动控制开启近光或者远光灯的大灯,从而有效预防安全事故的发生。     

基于安全视认的夜间公路隧道入口段光环境研究

为使驾驶员在夜间安全舒适驶入隧道,对驾驶员驾驶车辆从隧道外暗环境驶入隧道内明环境的照明需求进行了理论与试验研究.分析了夜间隧道入口段由暗到明的光环境变化与交通安全的关系.设计不同运行速度情况下的目标物视认试验,采集了隧道的光环境信息、驾驶员的视认信息与车辆的运行状态信息,并建立了视认距离与隧道内外亮度差的关系模型,计算出不同设计速度下夜间隧道入口段的亮度差阈值.      

基于机器视觉的LED大屏亮度一致性检测与矫正

LED屏幕在现代交通中应用十分广泛,但是随着使用时间的增加,每个LED灯的亮度会出现不同程度的衰减,从而导致整个LED屏幕整体亮度不一致.提出一种基于机器视觉技术的屏幕亮度不一致性的检测和矫正方法.实验中通过对采集的LED图片进行仿射变换、色彩空间转换和形态学滤波、单灯珠定位与亮度提取等操作,可以获得所有LED灯珠的相对位置信息与近似呈现正态分布的亮度信息.根据人眼对亮度的敏感程度选取出最佳亮度值,将高亮度灯珠抑制到最佳亮度值,实现对LED大屏亮度一致性的矫正.通过对72×384的LED屏幕测试,不仅能够100%获得所有LED灯珠的亮度信息、位置信息,而且系统的运行速度和稳定性明显优于已有测量方案.     

失能眩光形成机理的研究

由视觉可靠性的要求,分析了阈对比和背景亮度之间的关系;根据夜间行车时前照灯的实际照明环境,讨论了眩光在人眼视网膜上形成的等效光幕亮度及产生的失能眩光;等效光幕亮度的增加导致对比度下降并使眼睛出现失能;最后给出了当光强增大时由于对比度下降而造成失能眩光出现的实验结果。     

民机驾驶舱人机交互脑力负荷预测模型

针对民机驾驶舱人机交互中飞行员脑力负荷问题,设计不同难度的人机交互飞行实验任务,分析飞行作业过程中飞行员脑力负荷在评估指标上的变化.在此基础上,提出一种新的改进的多元线形回归方法,探索人机交互中飞行人员脑力负荷变化预测模型的构建方法.结果显示:飞行作业过程中脑力负荷在反应时间、正确率、NASA-TLX、SDNN 4个评估指标上变化显著;在RRI Count、Max RRI、Minimum RRI、Mean RRI、Max/Min 5个评估指标上变化不显著.改进的多元线形回归模型可对不同飞行难度下个体脑力负荷水平进行预测和等级划分,平均预测准确率为87.5％.提出的预测模型与实测数据吻合性较好,能够较准确地反映民机驾驶舱人机交互中飞行员脑力负荷变化特性,可为未来民机驾驶舱人机交互中工效学评价与优化设计提供依据.     

基于图分类的智能车辆复杂场景风险等级评估与建模

准确估计驾驶场景的风险等级是保障车辆安全驾驶的基础，也是车辆智能化的重要体现.针对多种交通参与者共存的复杂行驶场景，提出一种基于图分类的场景风险等级评估方法，完成对场景的建模和对当前场景风险等级的有效评估.实车实验表明，所采用的驾驶员操作特征数据可以很好地表示驾驶员对场景风险等级的理解，并且图表示模型可以对场景中多种动态交通参与者及其交互关系进行有效说明，所提出的方法能够较为准确地对复杂行驶场景的风险等级进行评估，促进智能车辆安全行驶系统在复杂环境下的发展.     

基于机器视觉的远近光灯切换系统

针对汽车夜间行车时因远近光切换不及时而造成交通事故的问题，设计了一套基于OpenMV 机器视觉模块的汽车远近光灯切换系统。该系统使用Python 语言编程，采用Lab 颜色模型，对采集数据进行图像切割及色块识别，实现对图像的实时处理。场景测试实验证明，该系统具备良好的自适应能力，能实现对远近光灯智能化调节，从而提高驾驶员夜间行驶的安全系数。     

日常三基色荧光灯光源对夜间褪黑激素抑制评估

不当的夜间光照会引起褪黑激素抑制,抑制率与光的色温、强度关系密切。基于夜间光照对褪黑激素抑制效果的量化计算方案,文章对3种生活中常见的三基色荧光灯光源进行了安全性评估,评估结果为在同等辐照强度下,低色温光源为相对较为安全的照明光源。研究结果可为室内安全光照环境的设计提供较为简单的计算方法,并可为光污染控制、夜间安全环境照明标准制定等方面提供参考。     

越江越海隧道入口处自发光标线应用效果

针对越江越海隧道入口处事故多发问题,提出了一种基于自发光标线的改善策略。采用实车试验研究不同光环境下自发光标线的视认性能,以此验证自发光标线代替普通标线的可行性,并探究不同亮度与颜色之间的差异;构建越江越海隧道入口段三维场景进行驾驶模拟试验,分析驾驶人在不同场景下的驾驶行为与主观感受,以此验证自发光标线设置于越江越海隧道入口段的应用效果。试验结果表明：在环境照度大于50 000 lx时,与280、2 500 cd/m²相比,亮度为1 500 cd/m²的自发光标线视认性能最佳,其视认距离均值与普通标线接近,最高可达89 m;与黄色和白色相比,橙色自发光标线在视认性与舒适度方面均表现更好。在环境照度小于100 lx时,不同色温及亮度的自发光标线相较普通标线均可提升20 m以上的视认距离。此外,亮度对舒适度影响显著,其中280 cd/m²表现最佳,而色温对舒适度影响不显著。相较于普通标线场景,自发光标线场景中车辆的车道保持性能更佳,行驶车速降低5～20 km/h。通过自发光标线的提前警示,驾驶人刹车踩踏频率、最大刹车力度与持...     

民用飞机驾驶舱人机工效综合评估理论与方法研究年度报告

该研究围绕"人在环复杂系统的控制问题"这一核心科学问题,从人机不同形式智能体融合及其相互影响机理入手,构建复杂智能系统的数学模型并通过科学的实验及观测方法对模型进行验证,最终确定用于民机驾驶舱人机工效评价的指标体系和综合评价方法。该年度的主要研究进展从以下4个方面展开:(1)基于人在环复杂系统的人机耦合策略模型。从通过信息感知、信息分析和决策以及操控策略执行3个模块的具体设计与实现来完成人—机—环境复杂系统模型对于飞行员系统模型的设计要求,构成了飞行员系统模型的设计与实现,最终形成了基于规则的人机耦合策略模型。在此基础上,融入人为因素影响因子体系,深化飞行员与飞机系统及飞行环境系统的交互从而将人为因素的研究具体化到人—机—环境系统仿真中的每一个环节中去。(2)多维驾驶舱人机工效综合评价体系。通过构建具有模块化分布式构架的机组工作量测量与评估仿真实验平台,进行了机组工作量测量的行为与生理参数集成采集,以复杂系统理论为依据,构建分层次多维度人机工效综合评价指标体系,可以清晰地体现出飞行员在飞行任务中各个时刻在各方面的表现,可以对飞行绩效的降低提供具有诊断性的结果,为驾驶舱设计提供参考。(3)认知行为信号处理与模式识别。以驾驶舱设计为背景和出发点,通过对驾驶舱设计理念和布局规则的深入理解,针对认知过程产生的生理信号与状态量,结合人因学理论以及特定的飞行操控,将飞行员的肌电信号特征作为研究对象,通过信号的分解、相关性分析、选择、组合4个过程,提出基于EEMD和Hilbert变换的动态疲劳评价方法。结果显示基于平均瞬时频率的疲劳指标能有效的表征动态肌电信号的疲劳趋势。方法可以推广形成一系列行之有效的信号处理体系,最终为驾驶舱的设计提供指导或参考,以及为驾驶舱适航符合性验证提供帮助。(4)机组工作负荷综合评价体系与预测模型。通过对机组工作负荷影响因素研究,建立时间压力对工作负荷的影响模型。确定了时间压力0.8为工作负荷"redline",为机组工作负荷预测模型中的时间线分析的临界负荷值确定提供了理论基础。在此基础上,通过感知任务、认知认务、单任务、双任务、多任务操作实验,确定它们之间的关系模型,为机组工作负荷预测模型中的负荷计算部分奠定实验数据理论基础。     

白绿色LED道路光源小目标可见度研究

小目标可见度是衡量驾驶安全性的重要指标,但夜间驾驶处于中间视觉的复杂环境,导致作为可见度水平的重要参数的阈限亮度差难以被准确评价。本文通过中间视觉环境下建立的背景亮度/敏感波长关系模型,对道路照明光源进行基于敏感波长的阈限亮度差研究,以实现对白绿色LED光源不同主波长的可见度研究。从负对比修正系数Kf和识别时间修正系数Kt出发,建立中间视觉阈限亮度差修正模型,提升可见度算法精确度,准确衡量照明光源安全性。利用小目标可见度算法在RP-8-00标准建议的夜间驾驶视看条件(视张角7.45′、驾驶员年龄60岁、识别时间0.2 s)下,对机动车道路面照明亮度环境(0.75-3.0 cd/m~2)中的照明灯具进行评价,得出在此视看环境下以528 nm作为主波长的白绿色LED光源可见度最高的结论,并通过道路平均亮度和反应时间验证了该光源相比传统照明光源安全性更好。     

时间压力下驾驶舱界面视觉搜索绩效研究

为探究不同时间压力下飞机驾驶舱界面搜索特征从而提升任务绩效，通过模拟飞机飞行状态下的任务搜索过程，采用眼动追踪、绩效评估及量表测量等方法来获取被试的视觉搜索轨迹与任务绩效数据并对所获取的多通道数据进行分析.结果表明：在不同时间压力(无、低、高)与不同界面复杂度(简单、复杂)下被试的视觉搜索特征存在显著差异；高时间压力与复杂界面显示都会给被试带来较高的心理认知负荷；时间压力在简单界面显示中存在倒“U”型关系.研究为飞机驾驶舱复杂人机界面设计提供了科学的理论依据.     

汽车前照灯检测技术探讨

汽车前照灯是在夜间行驶的主要照明装置,远近光形的好坏和照射方向对汽车夜间安全行驶起着重要的作用。因此,为保障机动车运行安全,应对前照灯的有关性能进行严格检验。本文就汽车前照灯远近光检测技术进行了分析。     

考虑驾驶员年龄的公路隧道照明小目标可见度

人口老龄化环境下中老年驾驶人群数量逐步增加,对现有公路隧道光环境要求更高。借助阈限亮度对比实验探讨了驾驶员年龄对公路隧道照明条件下小目标可见度的影响作用。基于定值刺激法通过计算机模拟,得到了青年组和中老年组实验样本在正负亮度对比、小目标物呈现时间2 s条件下的阈限亮度对比实验数据。经过统计分析并依据观察者年龄修正系数、小目标物正负亮度对比修正系数和小目标物呈现时间修正系数得到不同年龄组实验样本的阈限亮度差。最后,建立不同年龄组实验样本的阈限亮度差与小目标可见度水平之间的数学模型。结果表明：相同隧道光环境条件下青年组实验样本的小目标可见度高于中老年组。可见中老年组对隧道内光环境的视觉要求比青年组的更高,因此为了满足行车安全等目的,隧道照明设计必须考虑驾驶员的年龄因素。     

一种汽车自适应前大灯控制系统的控制方法

为了解决夜间行驶时车辆在弯道上的视线盲区的问题,提高驾驶人夜间行车的安全性。基于汽车方向盘转角,建立基于方向盘转角的AFS模型,同时基于预瞄角度建立基于预瞄角度的AFS模型。在matlab/simulink的环境中建立相应的汽车前大灯水平角度调整的控制算法,并在40km/h、60km/h、80km/h和100km/h的车速下进行了仿真对比。仿真结果表明：汽车AFS的前大灯水平调整角度的变化对车速不敏感,基于预瞄角度的AFS的水平调整角度的变化曲线更加平滑,并且没有出现调整角度的突然增大和减小。     

高速公路过海隧道入口部照明设计

司机白天进入隧道时,会产生"黑洞"效应.为了使进入隧道内时有良好的人眼视觉环境,使司机心理和视觉有舒适感,要求在隧道内、外的亮度之间有一个合理的过渡和衔接,根据人眼视觉特性,设计符合人眼适应曲线的隧道亮度减光方法.在隧道口部照明设计中采用分段递减亮度的设计方法,将入口处亮度的阶跃变化转换成几个梯度变化,亮度变化更平缓,得到更理想的视觉环境,而且节能效果明显.对隧道口部减光照明设计具有参考价值.     

基于GDIM的纹理图像光流估计

针对传统的光流估计方法不适用于在环境亮度不均匀变化情况下,在无显著特征动态图像模型(GDIM)基础上,提出了一种处理不均匀亮度变化问题的光流计算方法.通过建立纹理图像滤波器对原始图像进行预处理,获得纹理图像;然后在GDIM中应用反复加权最小二乘方方法抑制不稳定的流约束获得鲁棒光流估计.对于Yosemite基准图像序列,通过使用该算法和传统算法进行实验比较,证明其具有较好的性能.     

改进小波亮度融合的低照度图像增强算法

针对普通小波分解算法应用到夜间低照度图像增强时出现无法提取出边缘光滑特征点、且亮度拉伸曝光等问题,提出了一种改进小波亮度融合的低照度图像增强算法.在小波变换对夜间低照度图像进行频域变换的过程中分别提取出图像的低频和高频分量,并对高低频分量分别处理.对小波分解后形成的低频成分使用加入权值的引导滤波,得到边缘增强的低频分量.将高频成分基于不同的区域范围进行特性融合,得到细节均匀统一的高频分量.将处理后的分量进行亮度提取与融合,最后转入RGB空间得到增强图像.仿真实验结果表明,该算法在均值、信息熵、峰值信噪上相较于直方图均衡算法提高了21.715%、13.531%、73.768%,相较于小波变换提高了85.456%、26.014%、19.621%.