高馨薇,陳登凱,孫意為
(西北工業(yè)大學 工業(yè)設計與人機工效工信部重點實驗室,西安 710072)
海洋強國作為世界科技強國的重要組成部分,正逐漸成為我國建設優(yōu)先發(fā)展的主要戰(zhàn)略方向[1]。受戰(zhàn)略需求牽引,海洋強國正在形成從先進水面支持母船,到可下潛1 000~11 000 m的載人/無人深海潛水器的綜合譜系[2],實現高效勘探、作業(yè)技術的綜合能力。載人潛水器的發(fā)展在一定程度上代表著國家海洋資源勘探開發(fā)能力乃至海洋權益維護能力和科技水平[3]。
載人潛水器作為深海運載工具,現已成為人類開展深海研究、開發(fā)和保護的技術手段和裝備[2]。隨著電子顯示和信息系統(tǒng)的發(fā)展,潛器信息、能源情況、避碰決策等視覺任務通過潛航員與電子顯示屏之間系統(tǒng)交互完成。潛航員處理艙內外的視覺能力直接影響潛水器作業(yè)安全性和準確度。研究表明,惡劣的視覺表現與光線條件差存在顯著的關系[3],惡劣光照條件下潛航員的態(tài)勢感知和決策能力減弱,勢必威脅潛水器作業(yè)安全[4]。在深海作業(yè)過程中,潛水器內部主要光源來自于屏幕光,外部光源來自于高亮度探照燈,內外強烈的亮度對比對潛航員視覺功效有著顯著影響。
人從光亮的地方進入黑暗的地方,開始視覺感受性很差,然后又逐漸提高,這個過程稱為暗適應。統(tǒng)計得出,暗適應現象是引發(fā)交通事故的重要原因之一[5-7],駕駛人暗適應時間與事故發(fā)生率呈正相關。Nakagawara等[8]研究發(fā)現,暴露在明亮燈光下的夜間飛行導致的視覺問題是引起主要航空事故來源之一。而過渡照明作為縮短暗適應時間的方法之一,現已廣泛應用在多個領域的安全工程中。張凌超等[9]在車輛駕駛適宜性方面確立亮度分級指標,以緩解暗適應帶來的視覺障礙,減少事故發(fā)生概率;袁環(huán)宇等[10]提出在列車運營過程中實現過渡照明設計與普通照明銜接,進而緩解列車入庫處視覺明暗差異帶來的不適感;李光曦[11]細化過渡照明參數并運用在地下車庫出入口處,將弱化的室外自然光線引入室內過渡段以達到過渡照明的目的;肖志軍[12]與He等[13]針對隧道照度對行車安全的影響進行探討,提出在隧道出入口處設立有級調光,進行有效的階梯性照明。但大量的研究僅圍繞交通安全進行過渡照明評估,未將過渡照明與載人潛水器這一特殊環(huán)境相結合。
綜上所述,過渡照明方法在國內外有著廣泛的應用,可見過渡照明方法在暗適應優(yōu)化設計過程中的必要性和可行性。但以往過渡照明設計主要運用于普通交通工具,未對載人潛水器這一特殊空間提出具體的暗適應優(yōu)化策略。因此,本文提出了一種應用于潛水器艙內的過渡屏照明方法,評估人員暗適應恢復程度,最大限度縮短潛航員暗適應時間。
載人潛水器作為球形潛水裝置,內部操作界面主要包括操作面板、數據采集模塊、航行控制模擬模塊和綜合顯示模塊[14],其中操作面板作為潛航員控制和信息獲取的主要界面,包括了操縱與駕駛所需的絕大部分開關和指示燈。
以“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器艙內布局為例,操作面板位于駕駛臺正前方,主駕駛面前共有4塊顯示屏、1塊控制面板和1個圓形觀察窗,駕駛員正上方的1塊顯示屏顯示著潛水器的動力情況、工作時間、下潛深度和實時報警信息等各項狀態(tài)數值,潛航員可以通過該面板在第一時間獲取潛水器以及外界環(huán)境的相關數據。駕駛臺正前方的控制面板主要由設備的啟動和操作按鍵所組成,如燈光、攝像機,聲學系統(tǒng)等,是主駕駛進行調試控制和報警信息獲取的主要界面。下方橫向排列的3塊矩形顯示面板是水下高清攝像機顯示屏,可隨時觀測到海底地形、地貌等情況,方便駕駛和取樣。主駕駛座正前方有一個直徑為20 cm的有機玻璃觀察窗,兩側乘員座位前各有一個直徑為12 cm的觀察窗。3個觀察窗觀測視野部分重合[15]。
潛器內布局及操作界面如圖1與圖2所示。
圖1 潛器布局 圖2操作界面
載人潛水器通過LED、HID、HMI等數盞水下探照燈對海底進行探照,使在潛水器前方形成直徑為15 m的照明區(qū)域。潛航員在整個下潛作業(yè)過程中,不僅需要隨時通過觀察窗口觀測外界環(huán)境,還需留意顯示屏獲取潛水器當前數據,確??茖W調查和樣本的采集有序進行。
受暗適應影響,在通過觀察窗觀看外界環(huán)境時候,潛航員逐漸適應外界探照燈營造的高亮光環(huán)境,當需要獲取潛水器當前數據時,駕駛員需要經歷一段時間適應低亮度視場。
潛航員實際操縱情景見圖3。
圖3 實際操縱
暗適應是人眼適應暗環(huán)境的一種能力,隨著光照強度的降低,人眼裸眼視力銳減,具體表現為從看不清周圍事物到逐漸看清的視覺適應過程[16]。Shi等[17]通過對屏幕顯示技術研究得出,較低照度環(huán)境下亮度是影響視覺反應的決定因素;孫銘壑[18]通過對儀表照明水平對視覺工效的研究,得出暗環(huán)境中儀表的適宜光照度為0.1lx,低于該亮度時,人員反應效率隨儀表亮度的降低而降低;Plainis等[19]通過實驗分析不同亮度下的暗適應時間證實了適應后的亮度值越低,暗適應時間越長的結論。
通過文獻可知,處于低光照的潛器內環(huán)境將導致潛航人員暗適應時間延長,從而直接影響潛器操作。暗適應時間作為潛航過程中影響潛航員的重要視覺因素,其內外惡劣光照條件導致的暗適應問題仍舊有待解決。
隨著下海勘探的深入,我國潛水器不斷突破潛水極限,這給潛航員作業(yè)環(huán)境帶來新的問題。潛航員進入深海作業(yè)最長接近12 h,即使?jié)摵絾T在實際下海之前做好面對狹小密閉環(huán)境心理準備[20],但嚴苛的光環(huán)境、狹小密閉的空間及驟變的溫度,對他們都是極大的考驗和挑戰(zhàn)。余浩等[21]通過研究表明潛艇艙室光環(huán)境直接影響艇員的健康狀況,長時間處于視覺狹小的艙室內會影響人員視覺反應時間,記憶能力及警覺度。而暗適應作為影響潛航員操控的重要視覺影響因素,在國內外雖取得了一定的成果,但其研究主要集中在陸上交通領域,鮮有針對載人深潛內光環(huán)境對視覺的影響進行評估[22]。因此緩解暗適應帶來的視覺延遲,提高潛航員操作質量、減少視覺失誤率無疑會起到積極作用。
實驗為暗適應閾值測試,實驗過程需要控制無關變量,排除外部光照影響,避免外部光環(huán)境對實驗產生影響,選擇在模擬搭建的暗環(huán)境內進行實驗研究。為證明過渡照明方法對縮短人眼暗適應反應時間有積極作用,實驗分別設置常規(guī)組和非常規(guī)組,常規(guī)組為被試人員通過暗適應儀接受5 min的光環(huán)境后直接進入暗適應閾值測試階段,通過觀察并對暗適應儀內箭頭視標做出反應,獲取主觀暗適應時間數據;非常規(guī)組為被試人員接受5 min光環(huán)境后立刻接受相應時間的計算機屏幕亮度,隨后返回暗適應儀進行暗適應閾值測試,獲取主觀暗適應時間數據。
為了更好的模擬潛水器中作業(yè)環(huán)境,本實驗采用載人潛水器屏幕布局圖作為過渡屏的背景圖,隨著每組實驗調節(jié)不同屏幕亮度及觀看時間。過渡屏界面示意圖見圖4。
圖4 過渡屏幕示意圖
整個實驗分為兩組,第一組實驗是亮度對照實驗,由5個連續(xù)的子實驗組成,子實驗1為常規(guī)實驗,子實驗2~5為過渡屏亮度分別達到15%、25%、35%、45%的對照實驗,在每個子實驗階段將過渡屏亮度調節(jié)到對應的預設值,測得被試者在不同過渡屏亮度下的主觀暗適應能力。暗適應閾值視標亮度等級和過渡屏亮度等級見表1。
表1 暗適應實驗相關亮度值
第二組實驗為時間對照組實驗,由4個連續(xù)子實驗組成,該組實驗以亮度對照實驗中最優(yōu)過渡屏亮度等級為固定過渡屏亮度,在此基礎上改變受試者觀看固定亮度過渡屏的時間,其他步驟與第一組實驗一致。
實驗探究了隨著觀看過渡屏時間的增加,人眼暗適應能力的變化。將初始時間自變量設置為5 s,根據潛航員任務操作時間,每隔3 s劃分時間等級,設置該組實驗的時間梯度設置為5 s、8 s及11 s。在亮度實驗的基礎上,受試者需要另外觀察固定亮度過渡屏8 s和11 s,隨后正常進行暗適應閾值的測試。結合亮度對照實驗,最終紀錄下常規(guī)實驗及觀看固定亮度過渡屏5 s、8 s、11 s共4項人眼暗適應反應時間數據。
本實驗對象均為在校研究生。共有24名健康志愿者作為本實驗的被測試者,實驗對象年齡在22~28之間(平均25歲,標準差6.50)。參與者視力正?;蚺宕魈幏界R片,有服用過任何藥物。被測試者年齡與潛航員相仿,矯正后視力狀態(tài)與潛航員相似。
被測試者信息見表2。
表2 被試人員情況
2.3.1 實驗環(huán)境
由于潛水器內較強的背景光會對潛航員操作安全造成不利影響,因此實驗在密閉暗環(huán)境中再現了潛航員應對的兩種嚴苛的光環(huán)境。潛水器內部光環(huán)境主要由過渡屏幕亮度決定,觀察窗外部環(huán)境由暗適應儀所提供的明環(huán)境決定,由于潛航員在下潛時視覺不僅受到過渡屏的光源影響,還會受到操作間內其他光源影響,包括指示燈、儀表盤及其他終端光源,這些以點光源為主的儀器儀表指示燈由于尺寸較小,亮度過低而對整個實驗影響程度較小,所以忽略其他光源對實驗的影響。實驗選取過渡屏亮度為唯一變量,控制其他變量不變,整個實驗無其他背景光源。
2.3.2 實驗儀器
1) 暗適應儀
本實驗采用YAK-2型暗適應客觀檢查儀進行暗適應閾值的測量,用于監(jiān)測在亮度突變時視力急劇下降后的恢復能力,其基本原理是首先提供一個明適應環(huán)境,經過明適應后去觀察不同亮度等級的暗視標,對視標進行判斷,從而記錄人眼達到適應的時間。
暗適應儀中視標外觀見圖5。
圖5 暗適應儀器視標外觀
該儀器配有LED燈光刺激源,其照度為640 cd/m2±10%,視距為300 mm±10%,經過5 min的光亮環(huán)境后燈光后立即熄滅,被試者在暗環(huán)境中觀察視標方向并做出判斷。
2) 過渡屏
實驗過程中,16寸筆記本電腦屏幕亮度作為密閉空間中唯一的過渡屏光源。研究發(fā)現,視覺系統(tǒng)沿橫向比沿縱向具有更快的視覺反應能力[23],故本實驗中將電腦屏幕放置在YAK-2型客觀暗適應檢查儀的水平右側,以達到提供不同過渡屏亮度的目的。將屏幕亮度百分位作為過渡屏不同亮度標準(見表1)。
3) 亮度計
實驗選取HPL-210L型亮度傳感器檢測過渡屏中心位置亮度與實驗人員面部周圍亮度[24]。該亮度計可以實現全程實時測量,精度高,手持便攜,既可準確測量屏幕亮度,亦可測量環(huán)境亮度。
為預防被試人員因多次實驗出現疲勞、煩躁的狀態(tài)影響實驗結果,亮度對照實驗與時間對照實驗被分開在不同時間進行,兩組實驗進行時間大于12 h。被試者在實驗開始之前需知曉整個實驗安排及注意事項,被試者應提前適應黑暗封閉環(huán)境,且始終用雙眼進行觀察。
步驟1 實驗人員選擇暗適應閾值測試,輸入測試序號、受試者年齡等資料,選擇打印數據。實驗開始后,第一組實驗為常規(guī)實驗。受試者雙眼緊貼暗適應儀器觀察孔處,接受5 min的明環(huán)境適應。
步驟2 光環(huán)境結束后,受試者觀察暗適應儀內箭頭方向,待受試者眼睛識別箭頭方向之后,手動操作反應按鍵或推桿。操作后暗適應儀內箭頭亮度及方向切換,受試者進行下一閾值亮度等級測試,直到J3亮度等級操作完畢。
步驟3 實驗人員確認數據錄入并打印成功后,受試者休息2 min,隨后進入對照實驗。受試者按照步驟一所述接受5 min明環(huán)境適應。
步驟4 光環(huán)境結束后,受試者根據實驗人員指導看向儀器水平右側的過渡屏,同時實驗人員讀出倒計時秒數提醒受試者雙目回到暗適應儀繼續(xù)暗適應閾值實驗。
步驟5 受試者按照步驟2完成儀器內的觀察、操作過程。
步驟6 實驗人員確認數據錄入并打印成功后,受試者休息2 min,隨后返回步驟3進行下一組實驗。待收集到充足的實驗數據后,實驗停止。
步驟7 完成上述工作后,請下一位受試者重復此實驗步驟,直到試驗結束。
整個實驗流程見圖6。
圖6 亮度對照實驗流程
在實驗流程的基礎上,亮度對照實驗由常規(guī)實驗(子實驗1)和對照實驗(子實驗2~5)組成。
實驗具體數值見表3,對照實驗中過渡屏亮度值在2.4節(jié)步驟4中呈現。
表3 亮度對照實驗組指標
全部實驗完成后,將所有實驗數據憑條作為初始數據進行整合、匯總后導入excel表格。為提高數據的準確性,決定采用各組暗適應總反應時間及J3(最大值)減去J0(初始值)的時間差值。其中暗適應總反應時間為每組各個檔位(J0~J3)數值的疊加;J3-J0時間差值為實驗數據最大值和最小值的數據差,即最初檔位到最末檔位的時間,兩種變量相互修正,縮小個人差異,避免因為錯誤次數過多而導致時間過長,確保數據有效性。在整理過程中篩出具有較大誤差的數據,手動剔除所在組,然后對數據進行重新整合。通過將過渡屏亮度等級與人眼暗適應反應總時間及J3-J0反應時間差值的數據分別進行相關性分析,求出人眼視覺反應擬合曲線,從而得到過渡屏最優(yōu)亮度范圍。
常見的相關性分析包括皮爾遜(Pearson)相關分析及斯皮爾曼(Spearman)相關性分析。皮爾遜相關性分析作為最常使用的相關性分析,要求兩組必須符合或近似正態(tài)分布。在正態(tài)性檢驗中,當顯著性檢驗P值均大于0.05,則可以進行皮爾遜相關分析;斯皮爾曼相關性分析則應用于雙變量不符合正態(tài)分布或其中一個變量不符合正態(tài)分布,趙新恒等[25]在數據分析過程中通過相關性分析分別檢驗人眼不同指標之間的相關性,證實了不同測試環(huán)境下影響視覺質量的統(tǒng)計學意義。
本實驗通過對數據進行正態(tài)分布檢驗和相關性分析。將實驗所獲得的總反應時間及J3-J0反應時間差值導入SPSS軟件,以過渡屏亮度等級為橫坐標,分別將反應總時間及J3-J0反應時間差作為縱坐標進行分析,得到包含所有數據的散點圖。
反應總時間及J3-J0反應時間差散點圖見圖7和圖8。
圖7 實驗所得人眼暗適應總時間散點圖
圖8 實驗所得人眼暗適應時間差散點圖
通過對散點圖粗略分析發(fā)現,反應總時間及J3-J0反應時間差值不僅僅是簡單的遞增或遞減變化規(guī)律。具體規(guī)律無法直觀的觀察出來。但是通過散點圖可以大致看出,當過渡屏的亮度等級在25%到35%之間時,總反應時間和反應時間差相對于常規(guī)組和其他對照組時,人眼暗適應時間明顯縮短,但究其內部規(guī)律及相關性而言,還需進一步探究。
2.6.1 正態(tài)分布檢驗
SPSS中進行正態(tài)性檢驗的方法有兩種:柯爾莫戈洛夫-斯米諾夫檢驗(Kolmogorov-Smirnov test),簡稱K-S檢驗;夏皮洛-威爾克檢驗(Shapiro-Wilk test),簡稱S-W檢驗。如果數據量在3~50之間,傾向于S-W檢驗結果,若樣本量多于50,則更適用于K-S檢驗。
正態(tài)性檢驗如表4和表5所示。
表4 J3-J0反應總時間組的正態(tài)性檢驗
表5 J3-J0反應時間差組正態(tài)性檢驗
表格數據表明二者顯著性檢驗P值均大于0.05,由于本實驗單個樣本數據量大于50,故以K-S檢驗數據結果為主。實驗結果表明常規(guī)實驗,對照組實驗的各組數據均滿足正態(tài)分布。
2.6.2 相關性分析
運用SPSS軟件進行相關性分析時,通過相關系數r值判斷數據是否具有統(tǒng)計學依據。判定標準為變量之間的顯著性值小于0.01,則二者之間相關性較高,如若二者顯著性值小于0.05則意味著兩個變量之間存在顯著相關的關系,如果顯著性值大于0.05,則表明二者之間無相關性。從正態(tài)分布檢驗圖表分析可得,各組數據符合正態(tài)分布,且在亮度遞增的條件下,顯著性檢驗P值均大于0.05,符合皮爾遜相關分析條件。因此對總反應時間及J3-J0反應時間差值進行皮爾遜相關分析。
相關性檢驗見表6和表7。
表6 J3-J0檔位反應總時間的皮爾遜相關性
表7 J3-J0檔位反應時間差的皮爾遜相關性
實驗結果顯示過渡屏亮度等級和總反應時間的皮爾遜相關系數r值為-0.249且顯著性為0.000,得出隨著過渡屏亮度等級的增加,人眼暗適應反應時間縮短,且相關性較強。在過渡屏亮度等級與人眼反應時間差相關性分析中,皮爾遜相關系數r值為-0.374且顯著性為0.000,得出J3-J0檔位人眼反應時間差與過渡屏亮度存在顯著相關性。
通過分析可得,無論因變量采用總時間還是J3-J0時間差值,得到的結論類似,因此更加證明人眼暗適應時間與過渡屏亮度呈高度相關性這一結論的正確性。但是其變化趨勢及人眼暗適應時間最低值還需進一步探究。
2.6.3 回歸分析
對過渡屏的亮度等級和人眼反應總時間及J3-J0時間差值進行曲線回歸分析,對散點圖進行曲線估算,設置過渡屏亮度等級為自變量,因變量分別為反應總時間和J3-J0反應時間差,選出R值最大的的分析方式,得到最合適的函數擬合曲線。
通過對過渡屏亮度等級和反應總時間以及J3-J0反應時間差值的R方值進行分析,得出在過渡屏亮度等級遞增的條件下,反應總時間的三次函數擬合的R方值最大,J3-J0時間差值的二次函數擬合的R方值最大,因此得出在過渡屏亮度在0%~45%范圍內,與人眼暗適應總反應時間的函數擬合曲線為三次函數,與J3-J0時間差值的函數擬合曲線為二次函數。
回歸分析擬合曲線圖見圖9和圖10。
圖9 亮度對照組總時間擬合曲線
圖10 亮度對照組J3-J0時間差擬合曲線
在過渡屏亮度等級遞增的情況下,無論是人眼暗適應總時間擬合曲線還是J3-J0時間差值擬合曲線,所得最小值均集中于25%~35%的過渡屏亮度范圍區(qū)間內,通過擬合圖發(fā)現25%檔位所用時間較短于35%檔位,因此可以認定在過渡屏為25%檔位時人眼暗適反應時間應優(yōu)于35%檔位。為了使結論更具體,決定通過二分法提取過渡屏亮度范圍中值,即30%亮度等級進行二次實驗。實驗設計、設備、流程及實驗數據分析與之前實驗一致,將得到過渡屏為30%(61.62 cd/m2)的人眼暗適應反應時間。
二次實驗回歸分析擬合曲線圖見圖11和圖12。
圖11 總時間30%擬合曲線
圖12 J3-J0時間差30%擬合曲線
根據圖表數據得出在觀看處于25%到35%亮度之間的過渡屏5 s時,人眼暗適應時間最短,對比發(fā)現25%亮度等級較優(yōu)于30%亮度等級,故以25%過渡屏亮度作為固定亮度進行時間對照實驗。
在實驗流程及亮度對照實驗的基礎上,時間對照實驗由常規(guī)實驗(子實驗1)、對照實驗(子實驗2~4)組成,實驗對照組實驗指標見表8。
表8 時間對照組實驗指標
采用25%過渡屏亮度為標準亮度進行時間對照實驗,由于子實驗1、2已在之前實驗中完成,接下來只需進行子實驗3、4即可。2.4節(jié)中實驗流程步驟4中實驗人員需提醒受試者所在子實驗的觀察時間。
時間對照組實驗流程見圖13。
圖13 時間對照實驗流程
將過渡屏亮度等級分別與反應總時間和J3-J0反應時間差值的R方值進行分析。分析結果表明,二次曲線、三次曲線和復合函數均有較好的擬合效果,由于在過渡屏亮度等級遞增的條件下,總時間的三次函數擬合的R方值最大,J3-J0時間差值的二次函數擬合的R方值最大,因此得出從觀看過渡屏0~11 s范圍內,與人眼暗適應總反應時間的函數擬合曲線為三次函數,見圖14;與J3-J0時間差值的函數擬合曲線為二次函數,見圖15。
圖14 時間對照組總時間擬合曲線
圖15 時間對照組J3-J0時間差擬合曲線
在過渡屏觀察時間遞增的情況下,無論是人眼暗適應總時間擬合曲線還是J3-J0時間差值擬合曲線,所得最小值均集中于5 s過渡時間內,由此可得觀看亮度為50.05 cd/m2,尺寸為35.4 cm×19.9 cm的屏幕5 s能最大限度緩解暗適應帶來的視覺障礙。
1) 通過國內外文獻及實驗結果得出,高強度光源所造成的惡劣光照條件對視覺性能有著顯著的負面影響,這些影響可以由過渡屏照明來補償。本文采用過渡照明方法,將亮度過渡屏應用于載人深潛器內以達到縮短潛航員暗適應時間的目的。實驗有效證明該情況下過渡屏提供的屏幕亮度具有優(yōu)化視覺效應的作用,且觀看亮度為50.05 cd/m2,長寬尺寸為35.4 cm×19.9 cm的過渡屏5 s可最大限度的緩解潛航員人眼暗適應帶來的視覺障礙。在實際操作中,潛航員的視覺性能受顯示終端、外部光環(huán)境等因素影響,合理的過渡照明補償對減輕潛航員工作負荷,提升潛航員視覺任務安全性與準確度,保證深潛器順利運作無疑會產生積極作用。
2) 亮度實驗結果顯示當接受45%(89.51 cd/m2)或以上的過渡亮度時,人眼反應時間無限延長,其趨勢甚至高出常規(guī)組數值,不符合客觀實際。因此本實驗僅研究0~89.51 cd/m2范圍內過渡亮度對人眼暗適應的影響。同理,在時間對照實驗中僅評估接受0~11 s范圍內的過渡亮度。
3) 在實驗過程中,由于實驗采用主觀暗適應閾值測試,被試人員對視標的識別標準各有不同,導致個體之間總體時間差異較大,但是同一個體不同檔位暗適應反應時間則具有一定規(guī)律。同時,被試人員在實驗中的反應時間包括人眼的識別時間及識別方向后做出的反應時間之和。識別后作出反應的時間因人而異,但是同一個體反應時間大體一致。該實驗僅做個體內比較,不做個體間橫向比較,因此個體間差異當作系統(tǒng)差異忽略不計。