廖慧敏，吳玉敏，師鳳起

(中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410000)

0 引言

高校建筑作為大型公共建筑的典型，不僅需要滿足大學(xué)生多樣化的日常需求，更需要擁有1套合理的應(yīng)急疏散系統(tǒng),以降低災(zāi)害對大學(xué)生群體造成的不良影響。應(yīng)急疏散標(biāo)識是應(yīng)急疏散系統(tǒng)的重要組成部分，其是對應(yīng)急機(jī)制的補(bǔ)充[1]。目前，大學(xué)生群體不斷壯大，高校建筑逐漸向多功能、復(fù)雜化方向發(fā)展，應(yīng)急疏散標(biāo)識所在環(huán)境越發(fā)繁雜。過多的干擾物如指示牌、裝飾物、文明標(biāo)語等，不可避免地會對大學(xué)生的應(yīng)急疏散標(biāo)識識別造成影響。因此，提高應(yīng)急疏散標(biāo)識在干擾情境中的識別高效性十分重要。

部分學(xué)者從應(yīng)急疏散標(biāo)識設(shè)計(jì)角度出發(fā)以提升標(biāo)識的有效性。在標(biāo)識本身方面，Kinateder等[2]認(rèn)為綠色箭頭類型的應(yīng)急疏散標(biāo)識有更好的逃生指向作用;Fu等[3]發(fā)現(xiàn)高位置應(yīng)急疏散標(biāo)識對逃生群體的路線選擇有積極影響;馬曉輝等[4]發(fā)現(xiàn)通道墻上的標(biāo)識被感知率相對最高，出口標(biāo)識被感知率相對最低，室內(nèi)通道微觀環(huán)境對標(biāo)識注視視場影響顯著;馬明明等[5]利用虛擬眼動設(shè)備開展逃生試驗(yàn)，對某辦公樓的疏散標(biāo)識布局進(jìn)行具體優(yōu)化。在人與標(biāo)識交互作用方面，張培紅等[6]發(fā)現(xiàn)圖形為主要設(shè)計(jì)元素的應(yīng)急疏散標(biāo)識是中青年群體的最優(yōu)選擇，且人員行為特點(diǎn)與疏散標(biāo)識決策反應(yīng)有相關(guān)性;廖慧敏等[7]發(fā)現(xiàn)個體在負(fù)向情緒影響下對應(yīng)急疏散標(biāo)識有更快的反應(yīng)速度。

綜上，鮮有學(xué)者從應(yīng)急疏散標(biāo)識所處背景環(huán)境中的干擾物出發(fā),以提高干擾物與標(biāo)識的差別性[8]，同時(shí)提升標(biāo)識被識別速度。因此，本文引入尺寸、顏色、形狀、位置4個參數(shù)設(shè)計(jì)干擾情境，采用眼動技術(shù)記錄大學(xué)生在不同高校建筑干擾情境下搜尋應(yīng)急疏散標(biāo)識的視覺行為，利用方差分析和F-聚類分析方法對眼動指標(biāo)進(jìn)行量化研究，對標(biāo)識所處情境中的干擾物設(shè)計(jì)提出建議。

1 試驗(yàn)

1.1 被試

招募中南大學(xué)學(xué)生志愿者61名，由于試驗(yàn)設(shè)計(jì)了顏色變量，為避免色覺異常者對試驗(yàn)結(jié)果的影響，先對招募人員進(jìn)行色覺測試，測試圖來自《色覺檢查圖》[9]。志愿者中有3名男生色覺測試為紅綠色弱，符合試驗(yàn)要求的被試共58名(20.21歲±0.98歲，男生38名)。被試對應(yīng)急疏散標(biāo)識有一定了解，矯正視力或裸視力達(dá)1.0及以上，無色盲色弱，避免被試在知識水平、認(rèn)知能力和視力范圍等方面的差異對試驗(yàn)造成的影響。

1.2 設(shè)備及材料

試驗(yàn)在中南大學(xué)安全人機(jī)試驗(yàn)室中進(jìn)行，溫度20 ℃，濕度62%rh，照度148 Lx。眼動追蹤設(shè)備采用Tobii Pro Nano型號眼動儀，其追蹤速度為60 Hz，采樣精度小于0.3°，準(zhǔn)確度為0.10° RMS，丟失追蹤補(bǔ)償時(shí)間250 ms；試驗(yàn)材料呈現(xiàn)設(shè)備為聯(lián)想K24e-10顯示器，尺寸為23.8寸，分辨率為1 920×1 080；采用Tobii Pro Lab設(shè)計(jì)試驗(yàn)程序。

應(yīng)急疏散標(biāo)識采用常見的綠色指向性標(biāo)識，圖片來源于《安全標(biāo)志及其使用導(dǎo)則》(GB 2894—2008)[10]。為探究干擾物與應(yīng)急疏散標(biāo)識在顏色、形狀和尺寸上有無差異，被試視覺行為是否會被影響，干擾物采取2(顏色：綠色Green、紅色Red)×3(形狀：矩形rectangle、三角形triangle、圓形circular)×3(尺寸：與應(yīng)急疏散標(biāo)識相比較小smaller、相等identical、較大larger)的設(shè)計(jì)，共18種類型。應(yīng)急疏散標(biāo)識尺寸設(shè)計(jì)為1°視角，干擾物3種尺寸設(shè)計(jì)分別為0.5°、1°、2°視角。因人的視野范圍為扁平形狀，且在中央凹區(qū)、副中央凹區(qū)、邊緣視野區(qū)的視覺行為特點(diǎn)不同[10]，本文僅研究顏色、形狀、尺寸因素對搜索行為的影響，因此為避免位置因素的干擾，選取同心圓 1°、6°、10°與子午線8個方向的交點(diǎn)，同心圓16°與子午線45°、135°、225°、315°的交點(diǎn)，同心圓21°與子午線0°、180°的交點(diǎn)，共形成32個交點(diǎn)位置。18種干擾物中的隨機(jī)1種填滿32個位置，形成干擾界面，干擾界面持續(xù)1 500 ms。在干擾界面基礎(chǔ)上，應(yīng)急疏散標(biāo)識隨機(jī)出現(xiàn)在32個位置中其中1個位置，形成搜索界面。干擾界面有18種材料類型，每種類型對應(yīng)32種搜索界面，搜索界面共有576種材料類型。干擾界面和搜索界面示例如圖1所示。

圖1 干擾界面及搜索界面Fig.1 Interference interface and search interface

1.3 流程

被試端坐在顯示屏前，距離屏幕0.50 m，保持視線水平。向被試講解試驗(yàn)流程，確保被試完全理解后對被試進(jìn)行5點(diǎn)校準(zhǔn)，平均誤差小于0.25°視為校準(zhǔn)成功[11]。校準(zhǔn)成功后，被試按任意鍵進(jìn)入練習(xí)試驗(yàn)，被試需要完成3組練習(xí)反應(yīng)。被試首先將眼睛的視野中心對準(zhǔn)屏幕中央的注視點(diǎn)，然后按鍵，干擾界面出現(xiàn)且持續(xù)1 500 ms；當(dāng)再次出現(xiàn)與此干擾界面相匹配，即干擾物種類相同的搜索界面，此時(shí)被試需要進(jìn)行視覺搜尋活動，搜尋到應(yīng)急疏散標(biāo)識位置后按鍵，回到注視點(diǎn)界面，此為1組反應(yīng)，每組流程如圖2所示。確認(rèn)被試熟悉試驗(yàn)流程后進(jìn)入正式試驗(yàn)，正式試驗(yàn)進(jìn)行576組反應(yīng)，每組材料隨機(jī)出現(xiàn)，為避免疲勞，每進(jìn)行96組休息30 s。

圖2 試驗(yàn)流程示意Fig.2 Schematic diagram of experimental process

2 結(jié)果及分析

基于前人研究[12-13]，以下3種情況的眼動數(shù)據(jù)不符合要求：1)小于80 ms或大于1 200 ms的單個注視點(diǎn)。2)對應(yīng)急疏散標(biāo)識追蹤失敗的單張刺激材料。3)眼動軌跡混亂的單個被試的單個干擾情境。將上述3種情況下的眼動數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除，刪除數(shù)據(jù)占眼動總數(shù)據(jù)的8.91%。

將搜索界面呈現(xiàn)的所有刺激材料的應(yīng)急疏散標(biāo)識位置劃為興趣區(qū)。眼動指標(biāo)選取如下[14-15]：1)反應(yīng)時(shí)間(Duration of Interval,DI)即應(yīng)急疏散標(biāo)識搜尋活動從開始到結(jié)束的時(shí)長。2)首次進(jìn)入興趣區(qū)前用時(shí)(Time to First Fixation-AOI,TFF-A)即興趣區(qū)首次出現(xiàn)注視點(diǎn)前花費(fèi)的時(shí)間，時(shí)間越短說明該興趣區(qū)能更快吸引視覺注意。3)興趣區(qū)首個注視點(diǎn)持續(xù)時(shí)間(Duration of First Fixation-AOI,DFF-A)即興趣區(qū)中首個注視點(diǎn)持續(xù)的時(shí)間，時(shí)間越長說明該興趣區(qū)識別難度越大。4)掃視時(shí)間(Total Duration of Glances,TDG)即掃視時(shí)間之和，時(shí)間越長說明該材料中標(biāo)識與干擾物差別越小。不同干擾情境的眼動指標(biāo)結(jié)果見表1。

表1 不同干擾情境的眼動指標(biāo)結(jié)果Table 1 Results of eye movement indexes in different interference situation ms

2.1 方差分析

1)方差分析結(jié)果

被試對綠色類型的DI顯著高于紅色類型，而對綠色類型的TFF-A、DFF-A、TDG均顯著低于紅色類型。被試對圓形類型的DI、DFF-A、TDG均顯著低于矩形、三角形類型，而矩形和三角形類型之間在這4個指標(biāo)上均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，且在TFF-A指標(biāo)上的形狀主效應(yīng)不顯著。被試對較小類型的DI、DFF-A、TDG顯著高于相等、較大類型，而對較大類型的TFF-A顯著低于較小、相等類型。當(dāng)在綠色條件下時(shí)，被試對圓形類型的DI、TDG顯著低于矩形、三角形類型；當(dāng)在紅色條件下時(shí)，被試對較小類型的DI、TDG顯著高于相等、較大類型；當(dāng)在三角形條件下時(shí)，被試對較小類型的DI、DFF-A、TDG顯著高于相等、較大類型。對于DI來說，紅色矩形較小顯著高于其他組合，綠色三角形較大顯著低于其他組合。對于TDG來說，紅色矩形較小顯著高于其它組合，綠色矩形較大顯著低于其它組合。具體方差分析結(jié)果見表2～5。

表2 反應(yīng)時(shí)間(DI)方差分析結(jié)果Table 2 Results of variance analysis on Duration of Interval (DI)

表3 首次進(jìn)入興趣區(qū)前用時(shí)(TFF-A)方差分析結(jié)果Table 3 Results of variance analysis on Time to First Fixation-AOI (TFF-A)

表4 興趣區(qū)首個注視點(diǎn)持續(xù)時(shí)間(DFF-A)方差分析結(jié)果Table 4 Results of variance analysis on Duration of First Fixation-AOI (DFF-A)

表5 掃視時(shí)間(TDG)方差分析結(jié)果Table 5 Results of variance analysis on Total Duration of Glances (TDG)

2)方差分析討論

由表2～5可知，當(dāng)應(yīng)急疏散標(biāo)識的顏色和干擾物的顏色相同時(shí)，即在難度系數(shù)高的干擾情境下，被試注意力高度集中，搜索效率提高，但在搜索到標(biāo)識后需要更多的時(shí)間判斷搜尋標(biāo)識的正確性；當(dāng)干擾物為圓形類型時(shí)，標(biāo)識與干擾物間的差異最大，被試搜索效率最高、反應(yīng)時(shí)間最短；當(dāng)干擾物為較小類型時(shí)，被試搜索標(biāo)識所需做出的努力最多，而為較大類型時(shí)，所需做出的努力最少；綠色圓形類型的干擾物相較于綠色矩形、綠色三角形更易使被試搜索到應(yīng)急疏散標(biāo)識，前期搜索標(biāo)識花費(fèi)的時(shí)間最短；紅色較小類型的干擾物相較于紅色相等、紅色較大更易干擾被試，使被試前期搜索標(biāo)識花費(fèi)的時(shí)間最高；三角形較小類型的干擾物相較于三角形相等、三角形較大均使被試前期花費(fèi)的時(shí)間和后期判斷所做的努力最多。

當(dāng)因素變多時(shí)，因素之間的相互關(guān)系情況也變得復(fù)雜。為找出對應(yīng)急疏散標(biāo)識影響最小的顏色、形狀、尺寸組合的干擾情境，引入F-聚類分析[16]。

2.2 F-聚類分析

1)干擾情境的F-聚類

設(shè)干擾情境為被分類對象全體U={u1,u2,…,un}，表1編號順序?qū)?yīng)u1～un。DI、TFF-A、DFF-A、TDG為特征，每一組對象ui的特征由1組數(shù)據(jù)(xi1,xi2,…,xim)表征，即xik為描述對象ui第k個特征的數(shù)據(jù)(k=1,2,…,m)，其中m=4,n=18。

對特征數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，使序列x1,x2,x3,x4變換得到新序列y1,y2,y3,y4，如式(1)所示：

(1)

對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，建立U上的相似關(guān)系R，在有限論域下R可表示為模糊相似矩陣R=(rij)n×n，其中ui和uj的相似度為rij，0≤rij≤1(i,j=1,2,…,n)。如式(2)所示：

(2)

采用平方法對相似矩陣R求傳遞閉包t(R):R→R2→R4→…→R2k，R2k=Rk=t(R)。

利用模糊矩陣的截矩陣公式得到不同λ時(shí)的不同分類情況，λ由1～0，如式(3)所示：

(3)

由式(1)～(3)得到干擾情境的動態(tài)模糊聚類圖，如圖3所示。

圖3 模糊聚類圖Fig.3 Fuzzy clustering graph

2)F-統(tǒng)計(jì)量確定最佳分類

F-統(tǒng)計(jì)量計(jì)算公式如式(4)所示：

(4)

F-統(tǒng)計(jì)量、臨界值和相對差值見表6。表6計(jì)算結(jié)果表示，在0.962的水平上，將18個干擾情境分為4類為最佳分類。聚類類別的眼動指標(biāo)越低，說明干擾物對標(biāo)識的影響越小，應(yīng)急疏散標(biāo)識的有效性越強(qiáng)。因此，按照應(yīng)急疏散標(biāo)識有效性從強(qiáng)到弱對干擾情境種類進(jìn)行排序：{u3,u6,u8,u9,u12,u15,u18}>{u2,u5,u7,u11,u14,u17}>{u1}>{u4,u10,u13,u16}。

表6 F-統(tǒng)計(jì)量、臨界值和相對差值Table 6 F-statistics,critical value and relative difference

3)F-聚類分析的討論

從動態(tài)聚類整個過程來看，干擾情境分類數(shù)量在尺寸因素的主導(dǎo)下逐漸減少，最后匯聚成1類。

最佳分類中，u3、u6、u9、u12、u15、u18的干擾物均為較大尺寸；u2、u5、u11、u14、u17的干擾物均為相等尺寸；u4、u10、u13、u16的干擾物均為較小尺寸。由此可見，與顏色、形狀相比，尺寸因素是影響應(yīng)急疏散標(biāo)識有效性強(qiáng)弱的關(guān)鍵。18種干擾情境被分為4類，對應(yīng)急疏散標(biāo)識干擾性最低的干擾情境有7種，干擾性最高的干擾情境有4種。

3 應(yīng)急疏散標(biāo)識干擾情境的設(shè)計(jì)示例

在實(shí)際情況中，高校建筑物內(nèi)部的每一處場景中除有保證安全的元素，還會出現(xiàn)滿足大學(xué)生日常學(xué)習(xí)和生活的其他元素，如裝飾元素、說明元素、提示元素等，該元素和安全元素同時(shí)出現(xiàn)在1個場景中，構(gòu)成應(yīng)急疏散標(biāo)識干擾情境?，F(xiàn)選取中南大學(xué)某場所中2處典型場景樓梯間以及走廊的緊急出口前。在樓梯間，除應(yīng)急疏散標(biāo)識外，背景墻面還會出現(xiàn)提示，如所在樓層號碼、所在樓層工作內(nèi)容、宣傳海報(bào)、廣告等；在走廊的緊急出口前，除應(yīng)急疏散標(biāo)識外，走廊墻面還會出現(xiàn)文明標(biāo)語，如“請說普通話”“禁止吸煙”“悄聲慢步”等。為將干擾物對標(biāo)識識別的干擾影響降至最低，可按照上文最佳分類中干擾性最低的7種干擾物類型設(shè)計(jì)這2處場景的應(yīng)急疏散標(biāo)識干擾情境，提高應(yīng)急疏散標(biāo)識的有效性。對這2處典型干擾情境，在此僅分別挑選3種干擾物設(shè)計(jì)和2種其他元素(所在樓層號碼、“請說普通話”)進(jìn)行展示，如圖4所示。

圖4 中南大學(xué)某場所典型情境的干擾物設(shè)計(jì)Fig.4 Design of interference objects in typical situation at a place of Central South University

4 結(jié)論

1)只考慮單因素時(shí)，應(yīng)急疏散標(biāo)識周圍的干擾物設(shè)計(jì)為綠色、圓形、較大類型是最好的。

2)應(yīng)急疏散標(biāo)識周圍的干擾物在設(shè)計(jì)時(shí)，如果同時(shí)考慮顏色、形狀2個因素，綠色圓形類型最好；如果同時(shí)考慮形狀、尺寸2個因素時(shí)，避免三角形較小類型；如果同時(shí)考慮顏色、尺寸2個因素時(shí)，避免紅色較小類型。

3)同時(shí)考慮顏色、形狀、尺寸3個因素時(shí)，在設(shè)計(jì)應(yīng)急疏散標(biāo)識周圍干擾物時(shí)，首選綠色矩形較大、綠色三角形較大、綠色圓形相等、綠色圓形較大、紅色矩形較大、紅色三角形較大、紅色圓形較大的組合類型，盡量避開綠色三角形較小、紅色矩形較小、紅色三角形較小、紅色圓形較小的組合類型。

4)對中南大學(xué)某場所的2處應(yīng)急疏散標(biāo)識干擾情境出現(xiàn)的干擾物進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以增加標(biāo)識的顯著性，提高大學(xué)生對標(biāo)識的識別效率。在實(shí)際情況中，可以在這7種較優(yōu)組合設(shè)計(jì)中挑選最符合建筑裝飾風(fēng)格的1種或多種搭配進(jìn)行應(yīng)用。