基于虚拟仿真技术的舰船控制室人机界面评估方法及系统

技术领域

本发明涉及虚拟现实技术和人因工程领域，具体涉及一种基于虚拟仿真技术的舰船控制室人机界面评估方法及系统。

背景技术

随着虚拟现实技术的发展，在软件、硬件层面已经有了较大的进步。在工业设计的虚拟现实设计领域，已从较为复杂的CAVE(Cave Automatic Virtual Environment，洞穴状自动虚拟系统)，变为可方便穿戴的头戴式沉浸系统，同时使用激光定位系统，结合手部惯性计算方法，可以对手指形态、动作进行精确虚拟描述，方便设计人员观察模型在空间中的形态和装配方式。通过沉浸式的虚拟仿真系统，得到的主观测评数据将更为精确，同时，结合传统的人机校核软件，分析客观数据，可得到较为准确的客观测评数据，最后使用综合评估法，实现综合评估。

人机界面是指用户和机器在信息交换和功能上接触或互相影响的领域或称界面，广义上的人机界面不仅包括用户与机器点线面的直接接触，还包括远距离的信息传递与控制的作用空间。舰船控制室作为舰船的核心部位，其任务重要且复杂，人机界面设计一直是重中之重。一直以来，有很多种方法能对控制室的单项人机界面进行评估，但很少有控制室人机界面综合评估技术。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于虚拟仿真技术的舰船控制室人机界面评估方法及系统，能够较为客观的对设计完毕的控制室人机界面方案进行综合评估。

为达到以上目的，本发明提供的一种基于虚拟仿真技术的舰船控制室人机界面评估方法，包括以下步骤：

基于建模软件对舰船控制室人机界面进行建模，基于该建模进行场景搭建，并将搭建的场景导入VR设备以在VR场景中进行任务模拟；

基于任务模拟情况得到模拟结果记录表，统计分析模拟结果记录表得到第一评价分数；

基于建模软件对舰船控制室人机界面进行建模，并将该建模导入Delmia中进行人机仿真；

通过Delmia中的人机仿真模块并结合舰船控制室人机界面的设计，进行人机尺寸校核，对校核结果进行统计分析后得到第二评价分数；

将得到的第一评价分数和第二评价分数进行对比，基于对比对舰船控制室人机界面进行优化设计。

在上述技术方案的基础上，所述基于建模软件对舰船控制室人机界面进行建模，基于该建模进行场景搭建，具体步骤包括：

基于POLY建模软件对舰船控制室人机界面进行建模；

将建模导入UE4引擎中，编写互逻辑，并进行材质编辑，完成场景搭建。

在上述技术方案的基础上，所述模拟结果记录表包括空间尺度主观评价量表、设备布局主观评价量表、作业环境主观评价量表、主观满意度量表和任务失误率量表。

在上述技术方案的基础上，

所述基于任务模拟情况得到模拟结果记录表，统计分析模拟结果记录表得到第一评价分数，其中，统计分析为基于SHEL模型，使用AHP层次分析法对SHEL模型提供的指标进行拆解，并进行赋权值。

在上述技术方案的基础上，所述通过Delmia中的人机仿真模块并结合舰船控制室人机界面的设计，进行人机尺寸校核，其中，校核的内容包括成员视域维度、显示装置设计维度、控制装置设计维度、集控台设计维度、作业空间维度、船用座椅设计维度和总体评价维度。

在上述技术方案的基础上，所述对校核结果进行统计分析后得到第二评价分数，其中，统计分析为基于SHEL模型，使用AHP层次分析法对SHEL模型提供的指标进行拆解，并进行赋权值。

在上述技术方案的基础上，所述基于建模软件对舰船控制室人机界面进行建模，具体为：基于POLY建模软件对舰船控制室人机界面进行建模。

本发明提供的一种基于虚拟仿真技术的舰船控制室人机界面评估系统，包括：

模拟模块，其用于基于建模软件对舰船控制室人机界面进行建模，基于该建模进行场景搭建，并将搭建的场景导入VR设备以在VR场景中进行任务模拟；

第一评价模块，其用于基于任务模拟情况得到模拟结果记录表，统计分析模拟结果记录表得到第一评价分数；

仿真模块，其用于基于建模软件对舰船控制室人机界面进行建模，并将该建模导入Delmia中进行人机仿真；

第二评价模块，其用于通过Delmia中的人机仿真模块并结合舰船控制室人机界面的设计，进行人机尺寸校核，对校核结果进行统计分析后得到第二评价分数；

对比模块，其用于将得到的第一评价分数和第二评价分数进行对比，基于对比对舰船控制室人机界面进行优化设计。

在上述技术方案的基础上，所述模拟模块基于建模软件对舰船控制室人机界面进行建模，基于该建模进行场景搭建，具体过程包括：

基于POLY建模软件对舰船控制室人机界面进行建模；

将建模导入UE4引擎中，编写互逻辑，并进行材质编辑，完成场景搭建。

在上述技术方案的基础上，所述主观评价模块基于任务模拟情况得到模拟结果记录表，统计分析模拟结果记录表得到第一评价分数，其中，统计分析为基于SHEL模型，使用AHP层次分析法对SHEL模型提供的指标进行拆解，并进行赋权值。

与现有技术相比，本发明的优点在于：基于建模软件对舰船控制室人机界面进行建模，基于该建模进行场景搭建，并将搭建的场景导入VR设备以在VR场景中进行任务模拟，实现第一评价分数的得到，基于建模软件对舰船控制室人机界面进行建模，并将该建模导入Delmia中进行人机仿真，实现第二评价分数的得到，通过将主观评价流程、客观评价流程结构化，引入多种综合评估数学方法，能较为客观的对设计完毕的控制室人机界面方案进行综合评估。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种基于虚拟仿真技术的舰船控制室人机界面评估方法的流程图；

图2为本发明实施例中一种基于虚拟仿真技术的舰船控制室人机界面评估方法的原理图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种基于虚拟仿真技术的舰船控制室人机界面评估方法，通过将主观评价流程、客观评价流程结构化，引入多种综合评估数学方法，能较为客观的对设计完毕的控制室人机界面方案进行综合评估。本发明实施例相应地还提供了一种基于虚拟仿真技术的舰船控制室人机界面评估系统。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参见图1所示，本发明实施例提供的一种基于虚拟仿真技术的舰船控制室人机界面评估方法，具体包括以下步骤：

S1：基于建模软件对舰船控制室人机界面进行建模，基于该建模进行场景搭建，并将搭建的场景导入VR设备以在VR场景中进行任务模拟。即当场景搭建完成后，将搭建的场景导入VR设备，被试佩戴VR设备(可以以HTC VIVIE头显作为主要硬件设备)，进入编辑好的VR场景中，进行任务模拟。

本发明实施例中，基于建模软件对舰船控制室人机界面进行建模，基于该建模进行场景搭建，具体步骤包括：

S101：基于POLY建模软件对舰船控制室人机界面进行建模；POLY建模软件可以为3dmax。

S102：将建模导入UE4(虚幻4)引擎中，编写互逻辑，并进行材质编辑，完成场景搭建。

S2：基于任务模拟情况得到模拟结果记录表，统计分析模拟结果记录表得到第一评价分数。需要先根据任务和设备实际布局创建模拟结果记录表，第一评价分数相当于主观评价分数，模拟结果记录表相当于主观量表。基于任务模拟情况进行模拟结果记录表的填写，统计分析后得到第一评价分数。根据不同的控制室，研究人员需要根据任务及实际设备布局情况编制模拟结果记录表，本发明实施例中，模拟结果记录表包括空间尺度主观评价量表、设备布局主观评价量表、作业环境主观评价量表、主观满意度量表和任务失误率量表。统计分析后得到第一评价分数，为研究员根据被试填写的模拟结果记录表，首先进行数据清洗，排除错误数据，然后进行统计分析，得到第一评价分数。

S3：基于建模软件对舰船控制室人机界面进行建模，并将该建模导入Delmia(Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application，数字化企业的互动制造应用软件)中进行人机仿真。本发明实施例中，基于建模软件对舰船控制室人机界面进行建模，具体为：基于POLY建模软件(如Catia)对舰船控制室人机界面进行建模。Delmia提供了详细的人机数据库，通过键入合适的人体数据，可以得到负荷任务的虚拟人体。

S4：通过Delmia中的人机仿真模块并结合舰船控制室人机界面的设计，进行人机尺寸校核，对校核结果进行统计分析后得到第二评价分数，第二评价分数相当于客观评价分数；

通过Delmia中的人机仿真模块并结合舰船控制室人机界面的设计，进行人机尺寸校核，其中，校核的内容包括成员视域维度、显示装置设计维度、控制装置设计维度、集控台设计维度、作业空间维度、船用座椅设计维度和总体评价维度。

S5：将得到的第一评价分数和第二评价分数进行对比，基于对比对舰船控制室人机界面进行优化设计。评价结果：将得到的主、客观评估分数进行比较，分析结论中的分值最低项，即人因冲突项；返回前期的评估指标，进行再设计。改进结果：将改进的结果，重复之前的流程，最终得到人因测评优化后方案。

研究院使用客观评估流程，对设计方案里的各模块进行一一校核，同时使用相应评价方法对统计结果进行分析，得到第二评价分数。

本发明实施例中，基于任务模拟情况得到模拟结果记录表，统计分析模拟结果记录表得到第一评价分数，其中，统计分析为基于SHEL模型，使用AHP层次分析法对SHEL模型提供的指标进行拆解，并进行赋权值。SHEL模型包括L-H关系(liveware-hardware，成员与硬件设备、设施交互关系)、L-S关系(liveware-software，成员与管理、规范、文化等软件关系)、L-E关系(liveware-environment，成员与噪声、振动、照明等作业环境关系)和L-L关系(liveware-liveware，成员素质、作业团队协作、能力关系)。

本发明实施例中，L-H关系的指标包括视域设计、控制装置、显示装置、报警设计、软件界面设计、集控台设计、船用座椅设计和显控布局设计；L-S关系的指标包括管理、制度、文化、价值观、士气和形象；L-E关系的指标包括微气候、照明、色彩、振动、噪声、空气污染、辐射和次声；L-L关系的指标包括生理指标、心里指标、技能能力、思想平的、协作能力和绩效。以控制室盘台作为举例，其主观评价指标可拆解为：盘台操作舒适型(人机结构)、盘台工作台面布局、盘台视野、盘台间有无干涉、盘台整体表面材质给人的触觉感受、盘台整体色彩搭配和盘台整体造型感觉。

以控制室盘台作为举例，其主观评价指标可拆解为：盘台操作舒适型(人机结构)、盘台工作台面布局、盘台视野、盘台间有无干涉、盘台整体表面材质给人的触觉感受、盘台整体色彩搭配和盘台整体造型感觉。例如，使用AHP分析法，可得到如下表1结果。

表1

表1中，CI值表示一致性指标。从表1中可知这七项的权重分别是：0.30807、0.28491、0.10016、0.07626、0.07687、0.07687、0.07687。

本发明实施例中，对校核结果进行统计分析后得到第二评价分数，其中，统计分析为基于SHEL模型，使用AHP层次分析法对SHEL模型提供的指标进行拆解，并进行赋权值。AHP分析法可得到如下表2的结果。

表2

从表2中可知这十项的权重分别是：0.17007、0.14741、0.13286、0.06227、0.13279、0.11209、0.05935、0.07112、0.05602、0.05602。

对于本发明实施例中的综合评估法：将得到的主第二评价分数进行综合评估，此处应用综合评估合成模型，且采用加权平均型，即

参见图2所示，为本发明实施例的基于虚拟仿真技术的舰船控制室人机界面评估方法的原理图。图2中的VR模型对应步骤是，图2中的模拟结果记录表和主观评估对应步骤S2，图2中的工程模型对应步骤S3，图2中的客观校核和客观评估对应步骤S4。

以下对本发明实施例的基于虚拟仿真技术的舰船控制室人机界面评估方法的具体工作方式进行说明。具体工作方式包括实施主观评估、实施客观评估和评估优化方案。

对于实施主观评估，通过搭建POLY模型，并使用UE4引擎作为VR主要软件载体，HTCVIVIE平台作为主要硬件载体，能够给被试呈现真实的虚拟实验环境，其VR模型包含如下特点：能够实现1：1尺寸的沉浸式环境漫游；可以进行视野评估；能够进行控制室内部环境的真实模拟；能够进行外部环境模拟。被试通过给定的任务完成相关实验后，填写已设计好的量表，被试数量不得少于7人。

对于实施客观评估，通过搭建NURBS模型，使用Delmia作为人机校核软件，导入控制室相关国军标标准后，进行人机尺寸校核工作，其校核特点有：采用经过修正的中国成年人人体尺寸；能进行一段时间内的任务流程编辑，并可以输出矢量化的动画仿真；能够进行肢体舒适性、负重等仿真任务；拥有多种接口，可以进行数据的导入导出，方便二次开发。

对于评估优化方案，分析主客观实验数据，得到影响控制室某项设计因素的设计人机冲突点；进行指向性的优化设计；经过多轮校核、测评后，能得到最终的控制室人机界面优化设计方案。

本发明实施例的基于虚拟仿真技术的舰船控制室人机界面评估方法，基于建模软件对舰船控制室人机界面进行建模，基于该建模进行场景搭建，并将搭建的场景导入VR设备以在VR场景中进行任务模拟，实现第一评价分数的得到，基于建模软件对舰船控制室人机界面进行建模，并将该建模导入Delmia中进行人机仿真，实现第二评价分数的得到，通过将主观评价流程、客观评价流程结构化，引入多种综合评估数学方法，能较为客观的对设计完毕的控制室人机界面方案进行综合评估。

本发明实施例提供的一种基于虚拟仿真技术的舰船控制室人机界面评估系统，包括模拟模块、主观评价模块、仿真模块、客观评价模块和对比模块。

模拟模块用于基于建模软件对舰船控制室人机界面进行建模，基于该建模进行场景搭建，并将搭建的场景导入VR设备以在VR场景中进行任务模拟；主观评价模块用于根据任务和设备实际布局创建模拟结果记录表，并基于任务模拟情况得到模拟结果记录表，统计分析模拟结果记录表得到第一评价分数；仿真模块用于基于建模软件对舰船控制室人机界面进行建模，并将该建模导入Delmia中进行人机仿真；客观评价模块用于通过Delmia中的人机仿真模块并结合舰船控制室人机界面的设计，进行人机尺寸校核，对校核结果进行统计分析后得到第二评价分数；对比模块用于将得到的第一评价分数和第二评价分数进行对比，基于对比对舰船控制室人机界面进行优化设计。

本发明实施例中，模拟模块基于建模软件对舰船控制室人机界面进行建模，基于该建模进行场景搭建，具体过程包括：

基于POLY建模软件对舰船控制室人机界面进行建模；

将建模导入UE4引擎中，编写互逻辑，并进行材质编辑，完成场景搭建。

本发明实施例中，主观评价模块基于任务模拟情况得到模拟结果记录表，统计分析模拟结果记录表得到第一评价分数，其中，统计分析为基于SHEL模型，使用AHP层次分析法对SHEL模型提供的指标进行拆解，并进行赋权值。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。