建筑物應急疏散標識在干擾情境中的大學生視覺行為研究*

廖慧敏，吳玉敏，師鳳起

(中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410000)

0 引言

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

部分學者從應急疏散標識設計角度出發以提升標識的有效性。在標識本身方面，Kinateder等[2]認為綠色箭頭類型的應急疏散標識有更好的逃生指向作用;Fu等[3]發現高位置應急疏散標識對逃生群體的路線選擇有積極影響;馬曉輝等[4]發現通道墻上的標識被感知率相對最高，出口標識被感知率相對最低，室內通道微觀環境對標識注視視場影響顯著;馬明明等[5]利用虛擬眼動設備開展逃生試驗，對某辦公樓的疏散標識布局進行具體優化。在人與標識交互作用方面，張培紅等[6]發現圖形為主要設計元素的應急疏散標識是中青年群體的最優選擇，且人員行為特點與疏散標識決策反應有相關性;廖慧敏等[7]發現個體在負向情緒影響下對應急疏散標識有更快的反應速度。

綜上，鮮有學者從應急疏散標識所處背景環境中的干擾物出發,以提高干擾物與標識的差別性[8]，同時提升標識被識別速度。因此，本文引入尺寸、顏色、形狀、位置4個參數設計干擾情境，采用眼動技術記錄大學生在不同高校建筑干擾情境下搜尋應急疏散標識的視覺行為，利用方差分析和F-聚類分析方法對眼動指標進行量化研究，對標識所處情境中的干擾物設計提出建議。

1 試驗

1.1 被試

招募中南大學學生志愿者61名，由于試驗設計了顏色變量，為避免色覺異常者對試驗結果的影響，先對招募人員進行色覺測試，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，符合試驗要求的被試共58名(20.21歲±0.98歲，男生38名)。被試對應急疏散標識有一定了解，矯正視力或裸視力達1.0及以上，無色盲色弱，避免被試在知識水平、認知能力和視力范圍等方面的差異對試驗造成的影響。

1.2 設備及材料

試驗在中南大學安全人機試驗室中進行，溫度20 ℃，濕度62%rh，照度148 Lx。眼動追蹤設備采用Tobii Pro Nano型號眼動儀，其追蹤速度為60 Hz，采樣精度小于0.3°，準確度為0.10° RMS，丟失追蹤補償時間250 ms；試驗材料呈現設備為聯想K24e-10顯示器，尺寸為23.8寸，分辨率為1 920×1 080；采用Tobii Pro Lab設計試驗程序。

應急疏散標識采用常見的綠色指向性標識，圖片來源于《安全標志及其使用導則》(GB 2894—2008)[10]。為探究干擾物與應急疏散標識在顏色、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：與應急疏散標識相比較小smaller、相等identical、較大larger)的設計，共18種類型。應急疏散標識尺寸設計為1°視角，干擾物3種尺寸設計分別為0.5°、1°、2°視角。因人的視野范圍為扁平形狀，且在中央凹區、副中央凹區、邊緣視野區的視覺行為特點不同[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，同心圓16°與子午線45°、135°、225°、315°的交點，同心圓21°與子午線0°、180°的交點，共形成32個交點位置。18種干擾物中的隨機1種填滿32個位置，形成干擾界面，干擾界面持續1 500 ms。在干擾界面基礎上，應急疏散標識隨機出現在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。向被試講解試驗流程，確保被試完全理解后對被試進行5點校準，平均誤差小于0.25°視為校準成功[11]。校準成功后，被試按任意鍵進入練習試驗，被試需要完成3組練習反應。被試首先將眼睛的視野中心對準屏幕中央的注視點，然后按鍵，干擾界面出現且持續1 500 ms；當再次出現與此干擾界面相匹配，即干擾物種類相同的搜索界面，此時被試需要進行視覺搜尋活動，搜尋到應急疏散標識位置后按鍵，回到注視點界面，此為1組反應，每組流程如圖2所示。確認被試熟悉試驗流程后進入正式試驗，正式試驗進行576組反應，每組材料隨機出現，為避免疲勞，每進行96組休息30 s。

圖2 試驗流程示意Fig.2 Schematic diagram of experimental process

2 結果及分析

基于前人研究[12-13]，以下3種情況的眼動數據不符合要求：1)小于80 ms或大于1 200 ms的單個注視點。2)對應急疏散標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種情況下的眼動數據進行刪除，刪除數據占眼動總數據的8.91%。

將搜索界面呈現的所有刺激材料的應急疏散標識位置劃為興趣區。眼動指標選取如下[14-15]：1)反應時間(Duration of Interval,DI)即應急疏散標識搜尋活動從開始到結束的時長。2)首次進入興趣區前用時(Time to First Fixation-AOI,TFF-A)即興趣區首次出現注視點前花費的時間，時間越短說明該興趣區能更快吸引視覺注意。3)興趣區首個注視點持續時間(Duration of First Fixation-AOI,DFF-A)即興趣區中首個注視點持續的時間，時間越長說明該興趣區識別難度越大。4)掃視時間(Total Duration of Glances,TDG)即掃視時間之和，時間越長說明該材料中標識與干擾物差別越小。不同干擾情境的眼動指標結果見表1。

表1 不同干擾情境的眼動指標結果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個指標上均無統計學意義，且在TFF-A指標上的形狀主效應不顯著。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。當在綠色條件下時，被試對圓形類型的DI、TDG顯著低于矩形、三角形類型；當在紅色條件下時，被試對較小類型的DI、TDG顯著高于相等、較大類型；當在三角形條件下時，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。具體方差分析結果見表2～5。

表2 反應時間(DI)方差分析結果Table 2 Results of variance analysis on Duration of Interval (DI)

表3 首次進入興趣區前用時(TFF-A)方差分析結果Table 3 Results of variance analysis on Time to First Fixation-AOI (TFF-A)

表4 興趣區首個注視點持續時間(DFF-A)方差分析結果Table 4 Results of variance analysis on Duration of First Fixation-AOI (DFF-A)

表5 掃視時間(TDG)方差分析結果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，當應急疏散標識的顏色和干擾物的顏色相同時，即在難度系數高的干擾情境下，被試注意力高度集中，搜索效率提高，但在搜索到標識后需要更多的時間判斷搜尋標識的正確性；當干擾物為圓形類型時，標識與干擾物間的差異最大，被試搜索效率最高、反應時間最短；當干擾物為較小類型時，被試搜索標識所需做出的努力最多，而為較大類型時，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急疏散標識，前期搜索標識花費的時間最短；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，使被試前期搜索標識花費的時間最高；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的時間和后期判斷所做的努力最多。

當因素變多時，因素之間的相互關系情況也變得復雜。為找出對應急疏散標識影響最小的顏色、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

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

對特征數據進行歸一化處理，使序列x1,x2,x3,x4變換得到新序列y1,y2,y3,y4，如式(1)所示：

(1)

對數據進行標定，建立U上的相似關系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-統計量確定最佳分類

F-統計量計算公式如式(4)所示：

(4)

F-統計量、臨界值和相對差值見表6。表6計算結果表示，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越低，說明干擾物對標識的影響越小，應急疏散標識的有效性越強。因此，按照應急疏散標識有效性從強到弱對干擾情境種類進行排序：{u3,u6,u8,u9,u12,u15,u18}>{u2,u5,u7,u11,u14,u17}>{u1}>{u4,u10,u13,u16}。

表6 F-統計量、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

從動態聚類整個過程來看，干擾情境分類數量在尺寸因素的主導下逐漸減少，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，尺寸因素是影響應急疏散標識有效性強弱的關鍵。18種干擾情境被分為4類，對應急疏散標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 應急疏散標識干擾情境的設計示例

在實際情況中，高校建筑物內部的每一處場景中除有保證安全的元素，還會出現滿足大學生日常學習和生活的其他元素，如裝飾元素、說明元素、提示元素等，該元素和安全元素同時出現在1個場景中，構成應急疏散標識干擾情境。現選取中南大學某場所中2處典型場景樓梯間以及走廊的緊急出口前。在樓梯間，除應急疏散標識外，背景墻面還會出現提示，如所在樓層號碼、所在樓層工作內容、宣傳海報、廣告等；在走廊的緊急出口前，除應急疏散標識外，走廊墻面還會出現文明標語，如“請說普通話”“禁止吸煙”“悄聲慢步”等。為將干擾物對標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種干擾物類型設計這2處場景的應急疏散標識干擾情境，提高應急疏散標識的有效性。對這2處典型干擾情境，在此僅分別挑選3種干擾物設計和2種其他元素(所在樓層號碼、“請說普通話”)進行展示，如圖4所示。

圖4 中南大學某場所典型情境的干擾物設計Fig.4 Design of interference objects in typical situation at a place of Central South University

4 結論

1)只考慮單因素時，應急疏散標識周圍的干擾物設計為綠色、圓形、較大類型是最好的。

2)應急疏散標識周圍的干擾物在設計時，如果同時考慮顏色、形狀2個因素，綠色圓形類型最好；如果同時考慮形狀、尺寸2個因素時，避免三角形較小類型；如果同時考慮顏色、尺寸2個因素時，避免紅色較小類型。

3)同時考慮顏色、形狀、尺寸3個因素時，在設計應急疏散標識周圍干擾物時，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)對中南大學某場所的2處應急疏散標識干擾情境出現的干擾物進行設計，可以增加標識的顯著性，提高大學生對標識的識別效率。在實際情況中，可以在這7種較優組合設計中挑選最符合建筑裝飾風格的1種或多種搭配進行應用。