船舶艙室內推進監控顯控臺界面布局優化設計

劉丞均

(鄭州科技學院，河南 鄭州 450007)

0 引 言

當前船舶艙室內推進監控顯控臺界面上存在狀態參數顯示重復過多，控制元件色彩差異不顯著、不直觀，部分控制元件位置設定不科學等問題[1]。由此造成艙室內推進監控線控臺的用戶不能直觀、快速、準確地獲取監控信息，提升了用戶對于監控內容的認知負荷[2]，令艙室內推進監控顯控臺操作績效下降。針對這些問題，相關學者進行了大量研究。李源楓等[3]在進行界面布局優化過程中以用戶導向為目標構建模型，利用遺傳算法求解模型得到布局結果。許永生等[4]在界面布局優化過程中以注意力分配機制為基礎，從視覺層、行為層與心理層3 個角度出發采集眼動數據，基于所采集數據獲取優化結果。韋艷麗等[5]在研究界面布局優化問題時，利用隨機森林算法預測界面元素的布局位置。上述研究結果中均未考慮人眼視覺特性，導致最終界面布局結果不符合視覺審美標準。針對這一問題，研究船舶艙室內推進監控顯控臺界面布局優化設計方法，由此提升界面布局結果的視覺審美性。

1 顯控臺界面布局優化設計方法

1.1 顯控臺界面元素視覺注意度影響因素分析

船舶艙室內推進監控顯控臺界面中包含多個控制元件，不同元件間具有明顯的形狀、色彩、大小與間距等視覺特征差異。用戶在艙室內推進監控顯控臺應用過程中，對于部分控制元件較容易發現，但同樣有部分控制元件容易被用戶忽視，這種情況表明對于用戶來說，容易被發現的控制元件與容易被忽視的控制元件相比具備更顯著的視覺注意力。由此可知，確定對視覺注意力產生直接影響的各個因素，是優化船舶艙室內推進監控顯控臺界面布局的重要環節。因此可從距離、色彩與視覺注意力等級3 個角度分析不同控制元件的視覺注意力[6]。

1.1.1 控制元件的距離

m表示待布置控制元件的數量，空間元件i的長度和寬度分別為li和ki，以控制元件的中心點作為其位置坐標，其在船舶艙室內推進監控顯控臺界面上的坐標值可通過(xi,yi) 表示，由此控制元件i與控制元件j的距離計算式為：

在確定不同控制元件間距離過程中，需保障各控制元件在布局過程中彼此互不干涉，因此設定控制元件距離的約束條件為：

1.1.2 控制元件的色彩

根據式(1)可構建控制元件i與其他控制元件j的色彩差異性：

式中：ci j和oi j分別表示控制元件i與控制元件j的色彩對比度和相關水平， φ表示常數，其主要功能為劃分控制元件的相關水平大小。

1.1.3 控制元件的注意力等級

uig和Si分別表示控制元件i的形心在不同視野區域g的等級和其在事業區域內所占面積，ag和bg分別表示不同視野區域g的橢圓長軸和短軸。則控制元件i的視覺注意力可描述為：

1.2 影響因素權重計算

基于上述3 個元素視覺注意度影響因素，選取G1 法確定顯控臺界面內不同控制元件的關鍵度。將不同控制元件的關鍵度實施兩兩對比，影響因素的相對關鍵度為：

式中，wk為控制元件uk的關鍵度。表1 為rk的賦值。

表1 相對關鍵度的賦值表Tab.1 Assignment table of relative criticality

在此基礎上，確定不同控制元件的權重值：

1.3 顯控臺界面布局優化模型構建

在待布置的船舶艙室內推進監控顯控臺界面空間內，并不是所有位置都能夠引起用戶視覺注意，也不能將不同的空間元件都布置在最優位置上，所以在構建艙室內推進監控顯控臺界面布局優化模型過程中需整體分析不同控制元件的權重值。依照控制元件的距離、色彩與注意力等級計算公式與相應約束條件，設定優化目標為構建的目標函數去取得最大值[7]，目標函數為：

1.4 基于粒子群優化算法的目標函數求解

粒子群優化算法通過速度—位移模型，受適應度函數信息導向，通過獨特的記憶性能跟蹤搜索粒徑，達到以種群為基礎的全局搜索目的，與此同時實時調整搜索策略。通過粒子群算法能夠有效解決多維空間多峰問題尋優以及動態目標尋優等問題，且具有高效率、高解質量以及高魯棒性等優勢。利用粒子群算法求解艙室內推進監控顯控臺界面布局優化模型的具體過程為：

式 中，i=1,2,···,M；d=1,2,···,D；w表 示 慣 性 權重，其值通常為0.4～0.9，依照迭代次數逐漸下降；c和r分別表示學習因子和隨機數，通常情況下，c的取值為2.0，r的取值為[0,1]。

粒子群內不同目標函數解依照式(9)與式(10)持續更新進化，在飛行速度的引導下經由跟蹤Pi和Pg，推動整體目標函數解種群最終收斂至Pg，由此完成船舶艙室內推進監控顯控臺界面布局優化模型目標函數的求解。

2 實驗結果與分析

本文研究船舶艙室內推進監控顯控臺界面布局優化設計方法，為驗證本文方法的實際應用性能，以某型船舶為研究對象，采用本文方法對研究對象艙室內推進監控顯控臺界面進行布局優化測試。

研究對象艙室內推進監控顯控臺界面內共包含12 個不規則的控制元件，將其定義為K1～K12，不同控制元件分為4 組。其中，K1 為顯示內容切換按鈕，K2～K5 為工作方式顯示區域，K6 為火力控制參數區域，K7～K10 為系統檢測結果顯示區域，K11～K12 為控制界面。表2 為各控制元件的尺寸參數值。

表2 控制元件的尺寸參數值Tab.2 Size parameter values of control components

2.1 界面布局優化結果

采用本文方法計算研究對象艙室內推進監控顯控臺界不同控制元件的權重值，所得結果如表3 所示。分析可知，在4 組控制元件內，工作方式顯示區域的權重值最高，其次為控制界面，火力控制參數區域與系統檢測結果顯示區域的權重值最低。

表3 控制元件權重值計算結果Tab.3 Calculation results of control element weight values

根據表3 中的權重值計算結果，令優化后的研究對象艙室內推進監控顯控臺界面布局更符合用戶視覺注意力機制，基于設定的模型參數，通過Matlab 軟件求解目標函數，獲取最大適應度函數值對應的最優個體編碼，逼格對其實施解碼計算，獲取表象數據參數，將其引入實際界面布局過程中，得到最新優化后的界面坐標結果，如表4 所示。可知，采用本文方法能夠有效實現船舶艙室內推進監控顯控臺界面布局優化。

表4 優化后控制元件坐標值Tab.4 Coordinates of control elements after optimization

2.2 優化結果對比

為進一步說明本文方法對于研究對象艙室內推進監控顯控臺界面布局優化的性能，對比采用本文方法優化前后的研究對象室內推進監控顯控臺界面布局，結果如圖1 所示。

圖1 布局優化結果對比Fig.1 Comparison of layout optimization results

可知，采用本文方法對研究對象艙室內推進監控顯控臺界面布局進行優化后，權重值相對各控制元件的均被安排在視野A 范圍內，同時將這種安排對于界面的實際操作產生積極影響，同時將工作方式顯示區域等主要控制元件設置在界面中心位置，剩余各控制元件均勻分布在周邊，符合人類視覺審美標準。

3 結 語

本文研究船舶艙室內推進監控顯控臺界面布局優化設計方法，通過控制元件布局的各影響因素進行權重計算，并將其引入目標函數中，由此構建基于視覺注意力機制的界面優化模型，采用粒子群優化算法求解模型目標函數。實驗結果顯示該方法能夠有效實現界面優化目的，令優化后的界面更符合人類視覺審美標準。