探討基于人因工程學的智能盲道輔助系統設計

王宇龍 黃正煒 馮太杰 嚴賢釗

摘 要：當代中國經濟發展迅速，越來越多的人喜歡出門旅行。但是美麗的景色對于一些殘障人士而言卻不那么美麗，因為他們的出行還存在許多障礙和隱患，尤其是視力障礙人群，他們出行要靠盲道指引。我們在城市建設以及景觀設計中可以利用先進科技，比如互聯網、物聯網來為他們提供便利。

關鍵詞：人因工程學;無障礙設計;盲道設計;物聯網

盲道屬于無障礙設計中的重要部分[1]，中國基本上每條市政道路兩側都設置有盲道。盲道為視力障礙人群的出行提供了引導和便利，但是傳統的盲道設計具有眾多缺點，比如指向性不明，形狀過于單一，過于曲折等，盲道被占用、截斷、破壞的情況常常發生，對盲人出行造成了極大的隱患。

針對以上問題，并基于現在智能化、物聯網快速發展的趨勢，設計時考慮到將智能導盲杖以及智能金屬盲道利用物聯網統一起來，作為城市智能交通系統的一部分：將使用者和智能導盲杖作為一個點，智能盲道作為線，城市智能交通信息系統作為面。如此可以迅速精準定位使用者，結合城市智能交通系統為視力障礙人群提供信息預警和救援幫助，讓盲道輔助系統更加安全、智能化、人性化，從而降低使用者的安全事故發生的概率，為其提供一個良好、友善的生活出行的城市交通環境。

一、傳統盲人輔助工具的分析

傳統的拐杖大多用自然材質比如竹、木制成，符合傳統的人因工程學造型，材質堅硬但比較溫暖，適合行動不便人群使用。但是其缺點眾多，比如功能單一，只能通過聲音與觸覺感知地面;感知范圍小，盲人只能辨別拐杖所觸碰的地方，不能識別周圍環境以及引導使用者及時作出反饋。在傳統導盲杖使用時盲人也會失去方向感，不知道自己所處位置與目的地信息。

傳統的盲道也大多數用水泥、混凝土、磚石鋪成，少量用金屬材質。而這些盲道具有易損壞、不易打掃等缺陷。最重要的是其形狀單一，用以鋪設的盲道磚皆為長方體，鋪出的盲道都是直來直去，對于場地變化適應率極低，非常干擾阻礙盲人通行。且其易被侵占，致使盲人無法通行，甚至危害盲人生命安全[2]。

二、輔助系統總體方案設計

（一）輔助系統功能設計

根據現有盲道使用狀況分析，決定在盲道本體上加以改進。首先將傳統的盲道替換為新型具有防滑功能的不銹鋼盲道模塊，并且從監控系統的視覺、觸覺傳感器感知道路信息，通過電子智能導盲杖進行信息收集處理，再通過導盲杖的聽覺、觸覺傳感器將信息反饋給使用者。其主要功能有：

1.實時收集盲道路面以及監控盲道兩側的道路信息。

2.判別并計算障礙物與盲人的方位與距離。

3.通過智能導盲杖將信息傳遞給使用者。

4.實時檢測盲道路面信息并反饋。

（二）系統組件功能設計

當障礙物進入輔助系統監控區域時，會同時觸動智能盲道和道路交通系統兩個大的系統模塊。兩個系統經過識別與信息收集，處理確認障礙物的方位、距離、速度、前進路徑、形狀等信息，再通過金屬盲道的接觸式電路或者無線電波傳輸到使用者的智能導盲杖中，智能導盲杖再將信息通過聽覺以及觸覺傳感器傳遞給使用者。

1.金屬智能盲道：通過上層金屬板電波異常的位置信息以及壓力傳感器得出障礙物的位置、體型等信息，利用下層電路板發出電信號。

2.道路監控系統：判別并計算障礙物與盲人的方位與距離，相遇幾率與速度，并采取相應措施比如發出預警，通知相關人員[3]。

3.智能導盲杖：通過底端電子傳感器接收金屬智能盲道的信息，以及其他設備的無線信息，并將信息整理通過傳感器傳遞給使用者[4] 。

4.盲道自檢系統：實時檢測盲道路面信息以及反饋。

三、輔助系統硬件設計

（一）金屬智能盲道設計

傳統的盲道只有長方體一種形態，兩種紋樣，在引導上單調，指向性不強。而且正方體在實際道路鋪設中對于路面要求高，對于多變地形適應力極差，尤其轉角處，碰上固定障礙物必須轉數個彎，既不美觀，又不節約材料，更不利于盲人行走，容易與固定障礙物、行人、車輛發生碰撞。所以在盲道面板選材上采用防滑金屬材質。

首先金屬有良好的塑形能力以及抗壓力強，非常適合做造型多樣的盲道的面板，可以根據實際要求進行批量生產，鋪設。其次金屬具有易清洗、不易損壞、使用時間長、容易識別等優點。但是金屬材質較為光滑，需要在金屬盲文上做額外防滑紋樣以及其他防滑處理。

采用不銹鋼材質符合盲道建材規定。在住建部發布的《無障礙建設指南》（GB 50763-2012）中，防滑不銹鋼是符合盲道鋪設條件的建設材料。方形單體磚形狀，與國家標準的盲道磚尺寸規格一致。對于拐角處采用圓弧的盲道，可以根據實際道路信息、轉角角度制定盲道磚的規格，從而打破一般盲道的局限性。

金屬面板下方設置集成電路板，上面安裝壓力傳感器、電流傳感器、電信號接收器等功能模塊。當有障礙物或者人行走的時候，施加壓力，改變電路板的電流從而測出障礙物的尺寸、體重、位置等信息。電路板將原始的電流信息傳遞到信息處理系統。并且當智能導盲杖的金屬底端觸碰到金屬面板時候，盲道電路板受到導盲杖的鏈接信號電波激發會互相傳遞道路信息，從而可以利用盲道急速傳輸信息，實現厘米級精細的道路坐標定位，做到及時、快速、高效地反饋使用者位置等信息。比如在盲人偏離盲道時發出警戒信息，以及在使用者有危險或者異常情況下時也可以迅速發出有效求救信號。

（二）智能導盲杖功能設計

導盲杖采用一些符合人體工程學的人體使用尺寸，以便使用者使用時更加舒適，契合。

比如，導盲杖的高度制定時，首先參考人的一般坐姿以及站姿人體尺寸。男性坐姿肘高一般為586mm～775mm之間，女性一般在532mm～716mm之間;男性站姿手功能高度為656mm～828mm之間，女性一般在630mm～778mm之間[5]。而導盲杖使用時一般兩種姿勢兼具，既要保證使用者行走時導盲杖起到自然支撐、探測道路信息的作用，又要保證在坐立時舒適的把握與起身時的支撐功能。根據以上人體尺寸分析，拐杖整體高度就制定在750mm左右。

其次，把手處采用貼合手掌把握的突出曲線。因為人握平滑的東西時手心和物體還有一段弧形空隙，人的手心長度約為117mm，手握姿勢時手心與平面的夾角大約在12°。根據以上人手把握姿勢的數據，將手把設計成比手心略長的流線型。

現研發的導盲杖種類繁多，功能各異，但是與金屬盲道無法形成有效互動，大都是在城市交通系統里處于一種孤立的存在：有的不能實時更新宏觀信息，比如城市上實時的道路交通狀況、路面維修情況等;有的雖然具有紅外線，有較強的偵測環境的功能，但是使用比較局限，不能判斷轉角或者較遠處的路況。針對這種情況，設計時將智能導盲杖設計成為整個城市交通信息系統的一部分，將使用者和智能導盲杖作為一個點，智能盲道作為線，城市智能交通信息系統作為面，如此便將使用者的信息迅速精準定位，為視力障礙人群提供信息預警和救援幫助。

智能導盲杖內置語音助手以及震動模式。當有路況時，智能導盲杖接收城市信息通過語音助手通過使用者的聽覺傳遞給使用者。當有前方有緊急情況時，則語音助手播報并且開啟震動模式警戒使用者，而且振動模式可以在使用者找不到導盲杖時提供聲源與震動感，便于快速找到導盲杖。當使用者遇險時導盲杖可以檢測是否脫離盲道，從而向城市交通系統發出求救信號。而其它社會服務機構，比如交通系統、醫療系統、社會服務志愿者等接收到求救信號后，可以根據信號具體信息為遇險的使用者提供救援與幫助，最大程度地幫助遇險者提供安全保護。整個系統為使用者提供一個事前、事發、事后的人身保護。

四、結語

人因工程學作為一門新興學科，涉及生理學、心理學、工程學等學科，看起來離我們很遠，其實就在我們生活的方方面面中。不斷研究與探析人因工程學會為我們的生活帶來更好的改變。

此次設計就是探究如何利用人因工程學來為視力障礙人群，主要是盲人提供更好、更人性化的設計。研究方向也是偏向于中國航空航天率先提出的人—機器—環境系統的人因工程學[5]。

在設計分析時，考慮到盲人由于自身的特殊性，無法依靠自身對外界一些信息作出快速有效的反應，出行時有很大的安全隱患，要求設計師不光要考慮盲人與導盲杖的關系，還要考慮到導盲杖與周圍環境的關系，甚至與整個城市的關系。所以在此次設計中對于盲人、輔助機器、環境三者之間的關系進行探究。

傳統方式無法將盲人和城市交通無法直接連接起來，但是本文提出的方式可以通過導盲杖將盲人與盲道連接起來，再通過盲道與城市智能交通信息系統連接，做到了盲人與城市的“對話”。而基于這種“對話”就可以為視力障礙人群構筑一道由前期預防、提前規避、遇險救援組成的，利用時間與空間的三重人身安全保護體系。

參考文獻

[1]馬力，張金朝.寧波市城市公共空間無障礙設施的現狀調查與研究[J].寧波工程學院學報，2018，（3）：47-51.

[2]戴先任.盲人難行暴露公共服務短板[N].健康報，2018-10-16（002）.

[3]姚麗，武慧榮，盧俊，等.智能導盲輔助系統的設計與實現[J].山西建筑，2018，（14）：254-255.

[4]新華社新媒體.中國大學生研發“智能導盲杖”[EB/OL].（2018-11-07）[2018-12-24].https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1616439638168201551&wfr=spider&for=pc.

[5]徐磊青.人體工程學與環境行為學[M].北京：中國建筑工業出版社，2006：27-33.

作者單位：

湖南工業大學包裝設計藝術學院