仿真實(shí)驗(yàn)室駕駛艙人機(jī)工效虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)
一、產(chǎn)品概述
ErgoVR駕駛艙光環(huán)境人機(jī)工效虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)（天空光環(huán)境虛擬仿真平臺、ErgoHMI駕駛艙人機(jī)交互虛擬現(xiàn)實(shí)評估系統(tǒng)）
ErgoVR駕駛艙光環(huán)境人機(jī)工效虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)包括符合CIE國際標(biāo)準(zhǔn)的ErgoVR天空光環(huán)境虛擬仿真平臺、各類型駕駛艙三維數(shù)據(jù)庫、仿真艙室光環(huán)境管理系統(tǒng)、ErgoHMI人機(jī)交互界面仿真與測試評估系統(tǒng)、飛行員仿真操控系統(tǒng)以及駕駛艙照明效果人機(jī)工效評估體系等。
系統(tǒng)通過光環(huán)境模擬仿真軟件模擬天空背景光和太陽直射光，模擬在不同經(jīng)緯度下不同年份、天氣類型和時(shí)間的外界光環(huán)境，根據(jù)明視覺、暗視覺下人眼對不同顏色，亮度，對比度，色彩飽和敏感度和人眼眩光等人眼工作屬性的生理數(shù)據(jù)，仿真出人眼真實(shí)視覺觀察圖像，通過光環(huán)境模擬仿真軟件搭建駕駛艙照明系統(tǒng)，同時(shí)結(jié)合投影屏幕和操作桿讓飛行員更好的實(shí)時(shí)模擬各種飛行任務(wù)，結(jié)合ErgoLAB人機(jī)環(huán)境測試與人機(jī)工效主客觀評估系統(tǒng)進(jìn)行定量的人機(jī)交互測試與人機(jī)工效評估。
該系統(tǒng)成功建立后，將形成涵蓋國內(nèi)外各種飛機(jī)駕駛艙艙室主照明及輔助照明效果仿真設(shè)計(jì)評估能力，形成功能完善的眩光、雜散光、照明死角暗區(qū)等查找評估能力，并能通過人眼視覺仿真結(jié)果給出整體照明近乎真實(shí)的視覺照明效果。同時(shí)形成座艙人機(jī)交互界面效果仿真設(shè)計(jì)、座艙人機(jī)工效評估能力，形成功能完善的智能座艙人機(jī)工效主客觀定量分析評價(jià)。降低研制成本、縮短研制周期、減少技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。
二、需求分析：
1、雖然我國照明技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)擁有飛機(jī)航空多種類型照明產(chǎn)品和具備了一定的研究基礎(chǔ)，但仍處于滿足單個(gè)設(shè)備功能性需求階段，主要受到國內(nèi)系統(tǒng)性光學(xué)設(shè)計(jì)、測試設(shè)備、仿真軟件等的限制和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的不足，照明系統(tǒng)的性能和質(zhì)量仍落后于世界*先水平。
2、在顯示及視覺工效研究上，美國等發(fā)達(dá)國家在人機(jī)工效研究上起步較早，在人機(jī)工效評價(jià)指標(biāo)定義和選擇、評價(jià)模型建立、算法評價(jià)等多個(gè)方面均處于*先地位。國內(nèi)在這方面研究起步較晚，對于飛機(jī)駕駛艙工效評價(jià)，基本還處于基礎(chǔ)研究階段。
3、近些年來，國內(nèi)企業(yè)和研究所已經(jīng)重視該方面研究，并取得了相當(dāng)快的進(jìn)步。在航空照明中，單純的光度學(xué)不能滿足飛機(jī)飛行和作戰(zhàn)要求，進(jìn)而向視覺工效研究提升，減少視覺信息強(qiáng)度、避免有害光干擾，滿足高機(jī)動性、長航時(shí)、復(fù)雜氣象環(huán)境下，飛行員視覺需求。
4、如今采用虛擬現(xiàn)實(shí)手段進(jìn)行工業(yè)產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)日益成為決定產(chǎn)品能否成功的重要因素。為了滿足工業(yè)設(shè)計(jì)研究者不斷快速變化的需求，設(shè)計(jì)評估人員需要使用專門的工具在短時(shí)間內(nèi)開發(fā)和交流生產(chǎn)出色的設(shè)計(jì)產(chǎn)品，同時(shí)還要在整個(gè)設(shè)計(jì)流程中進(jìn)行靈活的修改。而可視化可幫助理解創(chuàng)意，將創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)環(huán)境是設(shè)計(jì)師用以進(jìn)行可用性評價(jià)、評估設(shè)計(jì)方案、聽取各方反應(yīng)、交流意圖和分析概念的重要技術(shù)手段。
三、技術(shù)特點(diǎn)：
ErgoVR駕駛艙光環(huán)境人機(jī)工效虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)核心模塊采用津發(fā)科技自主研發(fā)的ErgoLAB人機(jī)環(huán)境同步平臺以及符合CIE國際標(biāo)準(zhǔn)的ErgoVR天空光環(huán)境虛擬仿真平臺，生成的VR虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境*兼容CATIA、UG（NX）、Creo Parametric（pro/E）和Spaceclaim等國際標(biāo)準(zhǔn)的CAD平臺，強(qiáng)大的解決方案提供*美的可視化光學(xué)系統(tǒng)和直觀的人機(jī)交互平臺，其仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛用于航空、航天、、汽車、軌道交通、通用照明等工業(yè)領(lǐng)域的研究機(jī)構(gòu)、公司。
津發(fā)公司的ErgoVR虛擬現(xiàn)實(shí)人因設(shè)計(jì)解決方案主要是基于CAD數(shù)字樣機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的人-機(jī)-環(huán)境數(shù)據(jù)同步測試的人機(jī)交互和人因工效分析應(yīng)用方案，系統(tǒng)方案可以將通用CAD數(shù)字樣機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)3D桌面工作流程同步輸出至一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，并提供實(shí)時(shí)的3D渲染和人機(jī)交互機(jī)制以及1:1的沉浸式視覺體驗(yàn)，為三維人因設(shè)計(jì)內(nèi)容提供一個(gè)實(shí)時(shí)的、1：1的設(shè)計(jì)評審和量化人機(jī)工效評估虛擬仿真環(huán)境。用戶不需要進(jìn)行邏輯編程，不需要進(jìn)行任何3D模型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，無論是3D模型、過程還是設(shè)計(jì)結(jié)果，都是原始的數(shù)據(jù)，3D工作過程和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)人機(jī)交互和工效學(xué)分析應(yīng)用同步，無縫對接，3D虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用變得所見即所得。
系統(tǒng)解決方案功能特性：
- 真三維的立體視覺顯示體驗(yàn)
- 實(shí)時(shí)交互，保護(hù)主流交互設(shè)備的無縫接入
- 支持多通道沉浸式三維顯示環(huán)境，如多通道柱面投影、平面投影、CAVE洞穴式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)等
- 基于人機(jī)環(huán)境同步技術(shù)的主客觀人機(jī)工效評估
四、其他解決方案：
ErgoSIM復(fù)雜光環(huán)境工效學(xué)模擬艙以開展裝備人機(jī)工效光環(huán)境試驗(yàn)測試評估為出發(fā)點(diǎn)，搭建物理環(huán)境模擬艙室環(huán)境，可以適合不同的裝備進(jìn)行光環(huán)境模擬人機(jī)工效實(shí)驗(yàn)測試。系統(tǒng)包括ErgoSIM光環(huán)境模擬艙室、含一般照明模擬、局部照明模擬、太陽光模擬、月亮光模擬、云層\環(huán)境反射光模擬、云霧/閃電模擬、光學(xué)屬性采集、環(huán)境模擬控制系統(tǒng)、光環(huán)境監(jiān)測與測試系統(tǒng)、結(jié)合光環(huán)境模擬仿真系統(tǒng)和ErgoLAB人機(jī)環(huán)境同步平臺可以進(jìn)行人機(jī)工效分析、視覺工效學(xué)評估、ErgoVR光環(huán)境虛擬現(xiàn)實(shí)評估。
ErgoSIM光環(huán)境模擬工效學(xué)實(shí)驗(yàn)室在整個(gè)裝備全生命周期貫徹“人因設(shè)計(jì)"，通過SPEOS光環(huán)境模擬仿真系統(tǒng)為核心搭建環(huán)境模擬艙，主要承擔(dān)著不同天氣環(huán)境下的自然采光和照明方案驗(yàn)證和載人座艙、艦船艙室或建筑室內(nèi)視覺工效評估，具有各種天氣情況和場景的模擬功能。因此，從實(shí)驗(yàn)室方案設(shè)計(jì)上，可以根據(jù)不同研究方向設(shè)計(jì)解決方案滿足一般天空模擬、日/月光模擬、夜環(huán)境模擬（城市光環(huán)境、夜視環(huán)境）、特殊場景模擬（海面，不同天空背景等）并結(jié)合ErgoLAB人機(jī)環(huán)境測試云平臺進(jìn)行人機(jī)交互任務(wù)模擬與評估、主客觀人因設(shè)計(jì)與測評、人機(jī)工效分析和評價(jià)。
三、系統(tǒng)特點(diǎn)
視覺工效學(xué)評估系統(tǒng)：主要通過對比表盤圖像信息，文字信息或照明區(qū)域亮度與背景場景亮度，同時(shí)測取相關(guān)被觀察體的顏色，觀察面大小等信息用于量化分析被觀察體，如表盤圖像，表盤文字信息，駕駛艙眩光可被人眼感知的可能性，具體結(jié)果除了可以以函數(shù)曲線量化表達(dá)外，該模塊能夠自動測量與背景相比的標(biāo)志、字母或發(fā)光區(qū)域的視覺對比度，結(jié)果提供了清晰可見/限制能見度/不可見狀態(tài)三種基于標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算下的定性分析?？梢曅阅K可幫助設(shè)計(jì)人員在優(yōu)化重要圖像信息的可視性，同時(shí)減少如眩光等有害反射的可視性。
對于汽車、飛機(jī)、高鐵等駕駛艙室內(nèi)飾工業(yè)設(shè)計(jì)、駕駛艙室環(huán)境設(shè)計(jì)、駕駛艙室人為因素審定評估等方面，建立能夠模擬接近真實(shí)人眼視覺色彩環(huán)境的仿真平臺，利用先進(jìn)的仿真評估技術(shù)實(shí)現(xiàn)駕駛艙室視覺工效分析的光學(xué)一體化虛擬設(shè)計(jì)，進(jìn)一步改善人機(jī)工效分析，使得駕駛艙室在概念設(shè)計(jì)階段就能被預(yù)見其實(shí)體的整體效果，以及消除不必要的光學(xué)安全隱患。
新特性包括:
●不舒適眩光分析：內(nèi)部視覺環(huán)境直接影響內(nèi)飾設(shè)計(jì)的舒適性與安全性，眩光在內(nèi)部視覺環(huán)境中表現(xiàn)極為重要，主要是指在駕駛員可視視野中，由于強(qiáng)光直射或者反射引起的不適宜亮度分布，造成*端的亮度對比，使視野內(nèi)產(chǎn)生人眼無法適應(yīng)之光亮感覺，或者由于發(fā)光器件在使用過程中，特別是對汽車、飛機(jī)、軌道交通等駕駛艙室，發(fā)光顯示器件的大量應(yīng)用，復(fù)雜的光學(xué)環(huán)境極易引起各種有害光的出現(xiàn)，在駕駛員視野范圍內(nèi)形成的反射投影，影響駕駛員操作安全和視野環(huán)境，而引起視覺疲勞，均屬于眩光考察范圍之內(nèi)。
●1、汽車內(nèi)部眩光分析：汽車內(nèi)部視覺環(huán)境是汽車內(nèi)飾部分最主要的人機(jī)界面，隨著汽車駕駛室的人性化設(shè)計(jì)要求越來越高，舒適性與安全性的照明設(shè)計(jì)越來越重要,駕駛員的駕駛感受與體驗(yàn)受到極大重視，對汽車內(nèi)飾視覺環(huán)境下的眩光要求被提到新的高度，車內(nèi)的光學(xué)干擾：
●2、飛機(jī)內(nèi)部眩光分析：飛機(jī)艙內(nèi)飾光學(xué)問題近來一直受到各飛機(jī)研制廠商的關(guān)注，駕駛艙視覺工效的模擬仿真，應(yīng)該包括：
●3、軌道交通內(nèi)部眩光分析：現(xiàn)代動車駕駛艙設(shè)計(jì)中，對消除眩光風(fēng)險(xiǎn)均非常關(guān)注，對于內(nèi)飾環(huán)境的眩光仿真正逐漸受到廣大研究人員的青睞。軌道交通高鐵、地鐵等合理的駕駛艙總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括駕駛艙前窗及側(cè)窗的位置、形狀、尺寸，操縱臺儀表面板，照明設(shè)備的形狀、尺寸、朝向以及與操縱臺的相對位置等，都能影響駕駛艙視覺效果，SPEOS 光學(xué)軟件可以通過模擬仿真定位眩光區(qū)域，分析駕駛艙內(nèi)部儀表或材料產(chǎn)生的眩光原因，不僅可以在設(shè)計(jì)前期實(shí)現(xiàn)防眩光設(shè)計(jì)，也可以在設(shè)計(jì)后期進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)對比驗(yàn)證，促進(jìn)軌道交通駕駛艙光環(huán)境設(shè)計(jì)。
●環(huán)境照明眩光分析：環(huán)境照明主要包括家庭住宅、辦公樓、寫字樓、商店、工廠等室內(nèi)外的照明建設(shè)，室內(nèi)照明眩光一般在人眼視野內(nèi)由于光的亮度分布或者照明范圍不適當(dāng)，在空間上形成亮度對比懸殊，以致引起眼睛不舒適或者觀察能力下降，使人感受到眩光，因此室內(nèi)照明對人眼范圍內(nèi)的燈具眩光分析極為重要。SPEOS眩光分析功能提供專業(yè)的UGR評價(jià)，通過仿真燈具的眩光指數(shù)和眩光評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對比，分析燈具產(chǎn)生眩光的原因，從而更改設(shè)計(jì)、照明燈具或光學(xué)材料控制消除眩光。
●汽車內(nèi)部照明模擬分析：汽車內(nèi)照明燈是為了在夜間上下車安全及行駛時(shí)使用，汽車內(nèi)照明系統(tǒng)主要包括室內(nèi)燈、車內(nèi)閱讀燈、后席閱讀燈、門燈、踏步燈、氛圍燈等，滿足車內(nèi)照明的同時(shí)，同時(shí)對照明效果要求溫暖、放松、舒適。
●汽車外部照明模擬分析：SPEOS針對汽車外部照明燈的有專業(yè)的設(shè)計(jì)和分析功能，主要針對汽車頭燈（包括遠(yuǎn)光燈和近光燈），霧燈，示寬燈，倒車燈，高位剎車燈等燈具設(shè)計(jì)和分析，結(jié)合ECE和SAE設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在燈具設(shè)計(jì)模擬仿真過程中提供參考設(shè)計(jì)值。
●飛機(jī)駕駛艙照明模擬分析：座艙照明是飛機(jī)內(nèi)部照明系統(tǒng)的重要組成部分，能夠給飛行人員提供精準(zhǔn)的照明指示信息，特別是在不同的外界環(huán)境下，座艙機(jī)內(nèi)照明起到非常重要的作用，飛機(jī)座艙的照明質(zhì)量不僅影響飛機(jī)的照明環(huán)境，更重要的是影響駕駛員和飛機(jī)信息傳遞。駕駛艙照明模擬分析，是在基本的座艙三維數(shù)模的基礎(chǔ)上，設(shè)置主照明和輔助照明的參數(shù)，包括：顯示器信息裝置，導(dǎo)光板儀表信息，座艙內(nèi)泛光照明系統(tǒng)，通過虛擬設(shè)計(jì)平臺，可協(xié)助設(shè)計(jì)人員，設(shè)計(jì)照明區(qū)域，設(shè)計(jì)燈具尺寸，發(fā)光角度，安裝位置高度，實(shí)現(xiàn)照明與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一體化，模擬仿真精準(zhǔn)的照度、亮度和色度水平，幫助設(shè)計(jì)人員調(diào)整照明設(shè)計(jì)，控制重點(diǎn)照明區(qū)域，照明陰影面積及其發(fā)生區(qū)域，最大限度的保證飛行員的飛行視覺工作環(huán)境的安全性。
●飛機(jī)客艙照明模擬與分析：光學(xué)成像系統(tǒng)模擬與分析客艙內(nèi)部照明系統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)：客艙內(nèi)部照明包括閱讀燈、行李架照明、安全通知照明等，主要涉及照明燈具的安裝位置、角度、數(shù)量等布局設(shè)計(jì)。客艙內(nèi)部照明系統(tǒng)的照明分析（是否滿足能量指標(biāo)要求）：客艙照明需要滿足的基本照明能量，不同的光色配比實(shí)現(xiàn)多種情景照明模式，長期處于無自然光照明環(huán)境和特定場所的照明需求模擬與分析。
雖然我國照明技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)擁有飛機(jī)航空多種類型照明產(chǎn)品和具備了一定的研究基礎(chǔ)，但仍處于滿足單個(gè)設(shè)備功能性需求階段，主要受到國內(nèi)系統(tǒng)性光學(xué)設(shè)計(jì)、測試設(shè)備、仿真軟件等的限制和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的不足，照明系統(tǒng)的性能和質(zhì)量仍落后于世界*先水平。在顯示及視覺工效研究上，美國等發(fā)達(dá)國家在人機(jī)工效研究上起步較早，在人機(jī)工效評價(jià)指標(biāo)定義和選擇、評價(jià)模型建立、算法評價(jià)等多個(gè)方面均處于*先地位。國內(nèi)在這方面研究起步較晚，對于飛機(jī)駕駛艙工效評價(jià)，基本還處于基礎(chǔ)研究階段。
近些年來，國內(nèi)企業(yè)和研究所已經(jīng)重視該方面研究，并取得了相當(dāng)快的進(jìn)步。在航空照明中，單純的光度學(xué)不能滿足飛機(jī)飛行和作戰(zhàn)要求，進(jìn)而向視覺工效研究提升，減少視覺信息強(qiáng)度、避免有害光干擾，滿足高機(jī)動性、長航時(shí)、復(fù)雜氣象環(huán)境下，飛行員視覺需求。
ErgoSIM駕駛艙光環(huán)境人機(jī)工效虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)包括符合CIE國際標(biāo)準(zhǔn)的天空光環(huán)境模擬與虛擬仿真平臺、各類型駕駛艙三維數(shù)據(jù)庫、仿真艙室光環(huán)境管理系統(tǒng)、ErgoHMI人機(jī)交互界面仿真測試評估系統(tǒng)、飛行員仿真操控系統(tǒng)以及駕駛艙照明效果人機(jī)工效評估體系等。系統(tǒng)通過光環(huán)境模擬仿真軟件模擬天空背景光和太陽直射光，模擬在不同經(jīng)緯度下不同年份、天氣類型和時(shí)間的外界光環(huán)境，根據(jù)明視覺、暗視覺下人眼對不同顏色，亮度，對比度，色彩飽和敏感度和人眼眩光等人眼工作屬性的生理數(shù)據(jù)，仿真出人眼真實(shí)視覺觀察圖像，通過光環(huán)境模擬仿真軟件搭建駕駛艙照明系統(tǒng)，同時(shí)結(jié)合投影屏幕和操作桿讓飛行員更好的實(shí)時(shí)模擬各種飛行任務(wù)，結(jié)合ErgoLAB人機(jī)環(huán)境測試與人機(jī)工效主客觀評估系統(tǒng)進(jìn)行定量的人機(jī)交互測試與人機(jī)工效評估。
該系統(tǒng)成功建立后，將形成涵蓋國內(nèi)外各種飛機(jī)駕駛艙艙室主照明及輔助照明效果仿真設(shè)計(jì)評估能力，形成功能完善的眩光、雜散光、照明死角暗區(qū)等查找評估能力，并能通過人眼視覺仿真結(jié)果給出整體照明近乎真實(shí)的視覺照明效果。同時(shí)形成座艙人機(jī)交互界面效果仿真設(shè)計(jì)、座艙人機(jī)工效評估能力，形成功能完善的智能座艙人機(jī)工效主客觀定量分析評價(jià)。降低研制成本、縮短研制周期、減少技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。
駕駛艙人機(jī)工效虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)
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