公園游步道設計提升健步功效的研究
——以南京魚嘴濕地公園游步道設計為例

王 南

魏維軒

劉濱誼*

體育可以促進人類身心健康，是一個民族的繁榮之本，是一個國家的振興之源。中國國務院《“健康中國2030”規劃綱要》[1]與《體育強國建設綱要》[2]中均強調，“共建共享、全民健康”是建設健康中國的戰略主題，統籌利用公園游步道等公共設施是提高全民身體素質的重要手段。今天，以公園游步道為日常運動載體，慢走、快走、慢跑等中低強度健步活動因其節奏平穩、安全舒適、實施時空靈活，正在成為城市居民主要的健身方式。以風景園林學科為主導，融合運動醫學和體育保健學知識，從優化公園合理健步量、識別游步道景觀要素與健步功效的關系、評價公園游步道健步功效三方面著手，三位一體地開展“公園游步道設計提升健步功效的研究”，這是探索風景園林推動健康生活的一條基本而重要的途徑[3-4]。

20世紀末起，合理健步量的研究多集中于運動醫學和體育保健學領域[5]，采用雙標水法、總耗氧量測定、代謝當量計算、跑臺計步、加速度傳感器、體力日記等方式[6]，以定性為主，進而通過模型量化，循證得出不同步頻、步速、時長等變量與健康的增益效應[7]。然而，這些研究多在實驗室進行，忽略了公園游步道等健步載體環境這一重要而真實的客觀因素影響。

21世紀初，預防醫學領域最早探索公園環境與健步的關系，認為公園游步道最能影響健步活動[8]。隨后，利用GPS定位、GIS分析、ActiGraph加速度傳感器的測試表明，游步道中更大的綠量、水體和更長的線路會促進健步功效[9]；借助智慧景區物聯網理論，也在推動公園健康設計的發展[10]；采用客觀測試、主觀問詢等方法，發現游步道長度、寬度、鋪裝、植栽等均與健步量存在量化關系[11]，出現了探尋影響健步的游步道空間形態與總結優化策略的研究[12]。

但是，健步者對特定要素的偏好、影響健步功效的公園游步道評價標準指標等研究尚待開展，客觀數據需與健步活動對游步道要素的主觀感應相結合。且相關研究多側重于游步道的空間設計本身，健步量、健步偏好、健步路徑等運動醫學、體育保健學因素僅在研究初期涉及，而深入到通過游步道設計來提升健步功效的問題仍然屬于未解之謎。適宜我國健步者的公園游步道健步量是多少？健步者主觀偏愛哪些游步道？哪些游步道客觀上更適宜健步？如何評價游步道的健步功效？如何優選公園游步道中的健步路徑組合？如何以風景園林設計提升健步功效？等等，諸多問題有待破解。

以上種種問題表明，無論“景觀+健康”或“運動+醫療”均局限于“二元”領域，其突破點在于實現風景園林、醫學、體育學“三元耦合”而成的“公園游步道設計一體”的“三元一體”研究戰略：在風景園林游步道空間內實現健康健步量的醫學落地、識別游步道景觀要素與健步功效之關系的體育學落實、探索評價公園游步道健步功效的風景園林學途徑，即景觀要素、游步道、健步活動“三元耦合”的綜合研究，優選最能提升健步功效的游步道一周健步路徑組合，指導公園游步道健康設計(圖1、2)。這正是本研究的基本思路。該思路源于劉濱誼教授提出的“人居環境三元論”和“風景園林三元論”，并在其主持的諸項國家自然科學基金項目研究中得到了成功應用[13-14]。

1 公園游步道合理健步量的Meta分析

1.1 Meta分析方法

采用Meta分析檢索目前已相對成熟的健步量研究文獻，總結國際上廣泛認同的合理健步量。但公園游步道中的健步量仍需通過現場實測進一步認定，后期調研測試后再修正分析結果。以“physical activity/walking/jogging”與“health/healthy”等為英文關鍵詞，檢索Pubmed、Web of Science、Scope等外文數據庫；以“體力活動/步行/行走/慢走/散步/快走/健走/慢跑”與“健康/適宜/合理”等為中文關鍵詞，檢索中國期刊全文數據庫(CNKI)，收集相關論文。質量評價篩選后輸入Revman 5.3與Stata 14.1軟件統計分析，以begg和egger法評價發表偏倚。

為降低研究復雜性，減少年齡差異對運動頻度及強度的影響，只關注文獻中25～45歲人群的健步量建議，結合重點高頻次被引文獻，比較其成果異同，提出本研究適合的健步量。

1.2 公園游步道合理健步量優化

Meta分析中的重要文獻包括對能量消耗測定方法的研究，如用計步器、跑臺、體力活動日記等推算了步行能量消耗和一日總能量消耗公式[15]，概述了體力活動與健康的關系[16]；也包括具體的指標，如通過測量場地步行的能耗特征，根據ROC curves確定的步頻切點，提出我國成年人每日至少以110步/min的步頻行走30min，或以相同步頻每日走3 200步，或步行2km，在步行速度達到130步/min以上時有額外的健康效益[17]。

重點高頻被引文獻中，常提及我國的《全民健身指南(2017)》[18]與美國的《美國體力活動指南(2018)》[19]。前者指出：對于經常鍛煉的人，每天有效健身活動時間應為30～90min，每周運動3～7d，進行30～60min的中強度運動，或20～25min的大強度運動；其中，運動強度主要以心率(＜100/min為小強度，100～140/min為中強度，＞140/min為大強度)、呼吸和主觀體力感覺劃分。后者建議：成年人每周應有150～300min的中強度(3～6METs)有氧運動，相當于每周5～7d、每次30～60min的快走或慢跑。

1.3 公園游步道一周健步量組合方案

綜合上述成果，基于各類建議健步量方案的平均值，并考慮國民身體素質，咨詢專家后確定：以戶外空間運動為宜，長期穩定的體育健身活動至少應包括每周進行200～300min的中強度運動，經換算即為：每周5～7d，每日中強度運動30～60min，或小強度運動60～90min。

本研究的健步活動中，屬小強度運動(心率<100/m i n)的包括散步、郊游、慢走等(3km/h)，屬中強度運動(心率100～140/min)的包括快走(4.5km/h)、慢跑(6～8km/h)等。

結合《全民健身指南》提出的長期體育活動(一周)健身方案，暫不考慮力量訓練，并將針對體能訓練的快跑降級為更適宜大眾體適能的慢跑活動，對健步類型、距離、時間等依Meta分析的結果進行換算，調整后的公園游步道一周健步量組合方案如表1所示。

此方案并非唯一合理的健步量組合，具體健步類型與健步量可在不同的訓練日隨機調整，維持總量與日間平衡即可。

2 公園游步道健步功效影響要素調查與評價標準指標設定

由于具備免費經濟、方便快捷、環境優美等特征，公園游步道常成為健步的主要空間。然而，除少數體育公園外，大部分公園游步道設計并未以提升健步功效為初衷，影響了健步者在公園中的運動達標、安全與舒適，既不能適應，也不能引導健步的健康走向。因此，需分析影響健步功效的主要因素，包括健步者對公園游步道景觀要素的主觀偏好，以及健步活動對公園游步道景觀要素的客觀要求。

圖1 研究戰略圖示——I、II、III的三元耦合構成IV的一體

表1 公園游步道一周健步量組合方案建議

2.1 南京魚嘴濕地公園現場調查

為探尋健步量與公園游步道景觀要素的關系，確定健步者的游步道空間特征偏好，于2019年5—10月，在適宜戶外運動的晴朗天氣下，選擇運動人群較多、運動條件較好的南京魚嘴濕地公園(以下簡稱“魚嘴公園”)，在每日高峰運動時段(6：00—9：00、11：00—13：00、17：00—20：00)，共進行4組7d的有效問卷調查(n＝447)，詢問以健步為目的的25～45歲人群：健步活動發生的主要路徑，這些路徑具有何種吸引點，對理想健步活動路徑的需求等。以無人機對定點路段進行影像學調查，追蹤拍照攝像健步活動較密集路段，記錄健步者軌跡與活動偏好，包括：健步者常選擇的公園游步道路徑識別，高頻健步路徑的不同健步類型，高頻健步路徑空間特征等。

2.2 現場調查結果

魚嘴公園共有4個出入口，主要游步道分4類(圖3)：1)東西向的公園主路，人行和非機動車行，塑膠鋪裝；2)濕地游覽路，人行，木棧道鋪裝；3)西側的江河交叉口廣場游園路，人行，石材和沙礫鋪裝；4)東側節點游園路，人行和非機動車行，混凝土和沙礫鋪裝。

結合問卷調查的主觀結果與影響學調查的客觀佐證，表明以下幾點。

1)影響健步活動的主要因素：重點在于游步道的連續度、緩彈度、平整度等客觀標準指標，并輔以影響健步意愿與舒適的視覺感應美感度等主觀標準指標，其各因素影響權重隨健步類型的不同而不同。

2)慢跑等快速度健步活動對游步道的連續度、緩彈度、平整度等要求較高；慢跑多發生于連續度較強的主園路，因其節奏性強于其他類型的健步活動，若出現轉折數量過多、交叉口打斷較多，運動節奏則會受到影響，運動功效不顯著，且易發生步速控制不及時而受傷等危險；慢跑人群偏愛彈性較大的塑膠鋪裝主園路，因運動速度較快造成關節沖擊，而塑膠鋪裝減震效果較好；由于慢跑的大部分人群均非專業運動員，故并不刻意追求高強度訓練，對坡度活動興趣不大，甚至更傾向平坦的道路；因運動速度較快，視覺的時間感知力弱，美感度不是影響跑步空間選擇的主導因素。

圖2 研究框圖

表2 公園游步道健步功效評價標準指標

圖3 魚嘴公園現狀分析圖

3)快走等中強度健步活動也主要發生在主園路，因快走活動人群也偏愛連續度較強、緩沖與彈性較好的游步道，但又需避免與跑步類快速運動不同速度的沖撞損傷，故也有選擇石材和混凝土鋪裝的東西側游園道路，砂礫鋪裝不適宜。

4)由于速度慢，慢走對游步道連續度、緩彈度要求不高，且慢速爬坡對心率體能等影響并不明顯，故平整度對慢走影響不顯著；人群常選擇濕地棧道和西側江河交口開闊地的游步道，景色優美、轉折豐富、趣味性強，因此對美感度要求較高。

2.3 公園游步道健步功效評價標準指標設定

根據上述調查結果，結合不同健步類型，重點考慮游步道的連續度、緩彈度、平整度和美感度4度標準，依據其影響因素選取可量化的具體指標。在本研究中，針對每類標準初步采用1～2項指標進行賦分評價，并根據不同健步類型調整權重(表2)。

3 魚嘴公園游步道健步功效評價

3.1 魚嘴公園游步道單指標健步功效評價分析

結合合理健步量、場地調研、健步者偏愛、運動行為安全等方面的考慮，根據4度標準及初選指標，以5級評分方法分析評價魚嘴公園游步道的健步功效。

1)連續度：調查表明，健步速度越快，越偏愛連續路徑。現場較長的無轉折、無交叉路段約為200m。因此，以200m為切點，結合各路段現狀與偏愛程度，評價游步道連續度，評分規則為：＞200m評5分，100～199m評4分，50～99m評3分，20～49m評2分，＜19m評1分(圖4-1)。

2)緩彈度：現場道路鋪裝多為塑膠、混凝土、木棧道、石材、砂礫，考慮運動安全與舒適，以緩沖與反彈性能為依據，塑膠5分、混凝土4分、木棧道3分、石材2分、砂礫1分(圖4-2)。

3)平整度：現場游步道的最大坡度為6°，基本平整，對健步能量消耗差異較小，人群活動時的體感稍有變化，因此，<3°評5分，3°～4°評4分，4°～5°評3分，5°～6°評2分(圖4-3)。

4)美感度：采用航拍衛星圖觀測、無人機影像攝制、現場線路全景調查、活動人群評分等方式，確定游步道的美感度。植被豐富、水景優美評5分，植被較豐富、水景較優美評4分，植被一般、水景一般評3分，植被較少、水景較差評2分，幾乎無植被、水景評1分(圖4-4)。

3.2 魚嘴公園游步道健步功效綜合評價

針對慢跑、快走、慢走3類運動對4度標準指標的不同需求，優化健步功效綜合評價。考慮因素包括：1)慢跑——對各指標要求均較高，因速度較快，需減少轉折數量，注重連續度和節奏感；因關節沖擊較強，更適宜塑膠跑道；慢跑屬中強度有氧運動，坡度過大易增加代謝當量，不易控制運動量；但因運動速度較快，景色因素可稍弱化，有一定綠化即可；2)快走——對連續度要求仍較高，但鋪地類型可不局限于塑膠跑道，且為避免與慢跑活動的速度差異而產生碰撞，應盡量避免與慢跑路線疊合；3)慢走——常與休閑游憩相結合，速度較慢，對連續度、緩彈度要求均較低，但有更多時間欣賞周邊環境，故對美感度要求較高；考慮安全性，應避免與慢跑、快走路線疊合。

根據每段游步道的4項指標評分，針對健步類型所需要的指標權重差異進行微調，優化后的健步功效綜合評價以路段為單位，總體趨勢仍是慢跑對道路綜合評分要求更高。其中，5分為慢跑功效最優，4分為慢跑、快走功效最優，3分為快走、慢走功效最優，2分為慢走功效最優，1分為健步功效不明顯(圖5)。

游步道健步功效評價結果表明：連接1、2、3號入口的塑膠跑道主路評分最高，最能提升慢跑功效；其次為西側江河交叉口廣場游園主路、東側節點游園主路、靠近南側跑道的平行木棧道，連續度較強、緩彈度較好、美感度高，最能提升慢跑、快走功效，可作為每日不同運動方案的替換路徑；夾江岸邊的大部分木棧道因連續度較強、美感度較高，能提升快走、慢走功效；其余路徑更能提升慢走功效，或有部分轉折過多、砂礫鋪裝的道路，健步功效不明顯。

4 提升健步功效的公園游步道健步路徑優選

根據公園游步道的健步功效評價，結合合理健步量，以及優化后的一周健步量組合方案，可優選出公園游步道最能提升健步功效的運動路徑，即在某一公園中，以任一日健步量組合方案為例，哪些游步道是更適宜當日類型、距離、強度、速度、時間的最優運動路徑。由于人工選線工作量巨大，且缺乏科學性與客觀性，故引入最佳健步功效游步道的遞歸模型，以大數據運算和人工篩選相結合的方式進行組合優選。

4.1 模型運算與人工優化相結合的公園游步道路徑優選

4.1.1 最佳健步功效游步道的路徑組合原則

1)組合距離模數原則。

模型運算根據優化后的一周健步量組合方案設定6類模數：3.5km慢走(3.5km/h)、1/1.5/4km快走(4.5km/h)、3.5/4km慢跑(7.5km/h)。

2)運動路徑連接原則。

盡量以公園4個主要出入口為起點，各類健步活動的單次距離應是連續道路的長度疊加。但在實際健步活動中，包括了從居住地出發、進入公園、到達選線路徑的距離，也包括了在選線路徑上運動結束后，從結束點離開公園、返回居住地的距離，這些增加的健步量暫不考慮。

3)安全舒適多樣原則。

出于對速度差異與安全因素的考慮，避免各健步類型路徑的過多疊合；盡管高評分道路往往適宜多種健步活動，但優先考慮要求較高的慢跑；考慮健步舒適，盡量避免回頭路、斷頭路、環境單一或較差道路；在方案中盡量避免各類活動路線的重復；結合周邊居民分布，考慮4個出入口不同起點路徑的均勻選擇。

4.1.2 最佳健步功效游步道遞歸模型運算程序開發

利用Java語言開發最佳健步功效游步道遞歸模型，以道路線形、組合、模數為基礎，實現多重選線算法。在選線組合計算的過程中，為了保證計算過程的完整性，規定起點位置可位于魚嘴公園內任意路段起點開始計算，后經人工篩選以主要出入口為起點的路徑。

為保證路徑的完整與連貫，模型優化路徑算法：1)為防止路徑過于煩瑣，路段總數不超過15段；2)不考慮路徑組合的方向性；3)防止重復“跑圈”，閉環路徑只計算一次；4)只按路徑模數數值進行運算，即1/1.5/3.5/4.5km這4類模數，根據其健步功效總評分，歸至不同健步類型；5)為保證精確性與靈活性，用m為單位計算長度，且設定±10m的波動空間。

路徑組合的總評分根據組合內各段健步功效評分進行加和與平均計算，根據路徑組合評分進行排序(4度指標滿分為20分)，以篩選出最優健步功效的路徑組合。

4.1.3 模型運算與結果

通過最佳健步功效游步道遞歸模型運算，各健步路徑模數組合詳情如表3所示。

4.2 功效最優的魚嘴公園游步道健步路徑組合

4.2.1 基于模型運算結果的人工選線優化

在57段游步道中，計算機程序能夠解決龐大數據的排列組合運算與評分排序問題，實現“組合距離模數原則”與“運動路徑連接原則”，而“安全舒適多樣原則”的主觀性較強，且常需根據不同公園的不同特性分析，計算機運算復雜、工作量巨大，在本研究中以人工方式優化。

同時，根據游步道的不同類型健步功效評價，慢跑路徑主要在高評分路段中依序篩選，快走路徑可在中高評分路段篩選，為與慢跑、快走路徑交錯，慢走路徑的篩選可放寬至中低評分路段，但仍需保證該路段美感度的單項評分。

因此，結合安全舒適多樣原則中的要求與健步功效評價結果，根據各距離模數優選出的高評分路段組合排序，盡量以主出入口為起點，結合人工方式篩選5條功效最優的健步活動推薦路徑。

4.2.2 功效最優的魚嘴公園游步道健步路徑組合

遵循上述原則，在6類路徑組合內“優中選優”，挑選最高分路徑(表4)，繪制功效最優的魚嘴公園游步道健步路徑組合圖(圖6)。

圖4 魚嘴公園游步道健步功效評價圖圖4-1 魚嘴公園游步道連續度評價圖圖4-2 魚嘴公園游步道緩彈度評價圖圖4-3 魚嘴公園游步道平整度評價圖圖4-4 魚嘴公園游步道美感度評價圖

圖5 魚嘴公園游步道健步功效綜合評價圖

圖6 功效最優的魚嘴公園游步道健步路徑組合圖

但健步者不必局限于某一條或某幾條路徑，而可根據結合自身體力條件與習慣偏好，在優選路徑的大范圍內，自由調整健步時間、方向、路徑及其組合，以最大化提升科學、精準、舒適、個性的健步功效。這些路徑的風景園林設計，也應關注其對各種類型健步活動功效的促進性。

5 優選公園游步道路徑提升健步功效的驗證反饋

依據公園游步道一周健步量組合方案，在經模型運算求得的功效最優魚嘴公園游步道健步路徑組合中，請受試(n＝100)進行7d的健步活動，自測心率、呼吸，并評價主觀體力感覺。79%的受試表示，優選路徑與主觀偏愛健步路徑相符，能夠主動、達標、安全、舒適的在推優選路徑中完成一周健步活動方案，健步過程中心率<140/min，呼吸平緩或急促，主觀體力感覺輕松或稍累，符合中小強度的合理健步量需求。

6 結語

基于風景園林學、醫學、體育學“三位一體”的交叉融合，通過健步活動、景觀要素、游步道“三元耦合”，以提升健步功效為目標的公園游步道設計具有重要的研究意義和廣闊的應用前景。

提升健步功效的公園游步道設計應以游步道合理健步量為參考，以健步功效評價為依據，以功效最優游步道路徑組合為指導：在待建公園游步道設計中，預先評價、模擬、優選提升健步功效的路徑，重點關注其連續度、緩彈度、平整度、美感度等方面的設計實現；在建成公園游步道使用中，優選適宜不同健步類型的路徑組合，引導健步者運動，精確認知和提升健步功效。

表3 最佳健步功效游步道遞歸模型運算結果

目前，公園游步道設計提升健步功效的研究仍處于起步階段，本研究已完成的內容包括：優化游步道合理健步量、識別游步道景觀要素與健步功效的關系、初步評價游步道健步功效，嘗試優選最能提升健步功效的游步道健步路徑組合，但仍需大量的測試、調研、分析、運算以得到更科學準確的結論。后續研究更應落實于游步道形態(長寬、高差、轉折)、鋪裝(彈性、摩擦、肌理)、視覺(節點、通廊、場域)等要素的具體量化設計，為游步道風景園林工程實踐提供科技支撐。

表4 6類路徑中健步功效最優的游步道組合

注：文中圖片均由王南繪制。