基于發光織物的交通指揮手套智能交互設計

劉月林，李嘉玲，趙玲玲

基于發光織物的交通指揮手套智能交互設計

劉月林，李嘉玲，趙玲玲

（燕山大學 藝術與設計學院，河北 秦皇島 066004）

在惡劣天氣下，有效增強交通指揮手勢辨識度，準確傳遞指揮信息，降低交通事故發生率。分析交通指揮產品的現狀和不足，構建交警與駕駛者的交通情境交互關系模型，洞察關鍵設計問題，優化交通指揮手套功能設計。探索智能織物與人體的交互方式，設計發光織物動態數字符號，增強交通手套的手勢可視性，提升手套交互效果，提高交警與駕駛者之間的信息互動效率。最后根據以上分析提出設計方案。基于可控發光織物的交通手套，可以有效增強手勢可視性，提高交警工作效率。交互關系模型有助于人們快速發現產品使用的問題點、獲取相應的設計目標，為交通指揮產品設計提供新的思路，為相關研究及設計實踐提供參考。

發光織物；交通指揮；交互設計；交互關系模型

道路交通安全是大家一直關注的問題，由世界衛生組織發布的《2018年全球交通安全現狀報告》可知，道路交通死亡人數依舊在上漲，每年死亡人數達135萬，其中包含交警因公傷亡的數量[1]。除了強化交通安全法則外，還要在設備上增加導向和警示功能，在惡劣天氣時輔助交警工作，從而降低其傷亡人數。

針對逐年增加的交通死亡人數，如何優化現有的交警指揮交通設備產品設計迫在眉睫。目前，關于道路指揮以及惡劣天氣條件下交警產品的設計研究很少。張偉[2]設計了一款智能交通控制系統，可以自動檢測道路情況并進行調整。通過調研可知，現有措施主要局限于設備監控方面，缺乏對道路改建、交通規則等相關影響因素的考慮。

1 交通產品現狀分析

交通指揮的主要方式有2種，分別是交通指示燈和交警手勢指揮。當發生緊急情況或者天氣可見度過低時，只依靠交通信號燈來調度交通難以滿足需求，事故率會大大增加。在這些難以避免的情形下，交警將會進行現場指揮和疏通，駕駛者及時獲取交警給予的指示是減少事故的關鍵。

現有的輔助交警指揮產品有交通指揮棒和交通指揮手套。在霧霾、雨雪天氣，交通指揮棒內置有LED發光二極管，適用于公路交通及人口集中的區域。標準的交警手勢需要雙手完成，交警手握指揮棒會影響手勢的規范性，且在處理事故時，該產品占用雙手會影響實際工作。

交警手套主要采用氨綸面料，在交通設備上縫制或粘貼反光材料，可以有效實現夜間辨識。反光材料直接借助車輛光照，通過將光以接近入射光的方向反射回去[3]來照亮前方，駕駛者能夠及時獲得交通指示，并調整駕駛策略。逆反射技術是成本低且相對有效的解決措施[4]。由于反光材料本身并不是發光體，自身光源需要依賴周邊環境，不確定性過高。本文主要分析交警指揮交通情境構成因素及其關系，提出創新設計方案，增強交通指示辨識度，協助交警指揮交通，高效完成指揮任務，降低道路事故發生率。

2 情境交互關系模型

情境交互主要包括5個基本要素，分別為人、行為、手段、目的（目標）和場景[5]。根據這5項基本要素，分析“交警”與“駕駛者”之間的交互行為，洞察交通事故發生的問題所在，提出合理的解決方案。傳統反光材料的不確定性直接影響著駕駛者獲取指示信息的過程，增加了道路安全事故的發生率。為了降低該類事故發生率，可以基于情境交互關系模型掌握交警、交通指揮產品以及駕駛者三者的交互關系，提高產品設計的適用性。

2.1 交通情境關系模型

研究對象為2名交警和若干駕駛者，研究場景主要是交警、駕駛者、交通指揮產品系統構成的一個特定的交通指揮現場，著重研究交通指揮、疏導或者事故處理等情景。此次研究主要以觀察法為主、錄像法為輔。

通過分析構建交通情境交互關系模型，其中包括交警與駕駛者、交警與產品和駕駛者與產品之間的關系，分別用①、②、③表示，見圖1。

圖1 交通情境交互關系模型

2.2 交通指揮產品設計目標

惡劣天氣容易導致視線受阻，交警的交通指揮手勢等一系列行為將無法及時傳遞給駕駛者。在不影響工作效率的前提下，借助產品輔助手勢傳遞路況信息，能夠降低復雜多變的環境對信息傳遞的影響，增強導向性，提升產品交互性能。產品需操作簡單，使人們能快速上手。同時考慮到職業的特殊性，附加定位及通信功能，方便應對其他可能產生的危機事件。

交通指揮產品主要有以下3個設計目標：

1）增強手勢可視性，選擇固定光源代替現有反光膜，保證光源穩定性。

2）設計光纖符號，增強符號導向性。

3）將交通情境的多變性和危險性納入考慮范圍，賦予產品通信和定位功能，方便應對各種緊急情況。分析交警規范手勢，通過電路設計實現信號燈與手勢之間的交互，準確輔助交警指揮交通。

在交警指揮交通的工作場景下，交警的手部是交警與駕駛者進行交互的重要觸點，因此，將設計定位于手部可穿戴產品。產品需符合手部人機工程學，具備便攜性等特征，具有LED燈指示和手勢燈光交互等功能。

3 交警手套交互與造型設計

根據交通情境交互關系模型，提出采用發光織物實現智能交互、指示符號以及手勢燈光交互3個設計目標。

3.1 整體交互方式設計

智能織物指將電子器件織入布料中，能夠在保證布料柔軟性的同時，具有特殊的電氣性能和機械特性[6]。可從視覺、聽覺、觸覺等角度切入，實現智能織物與人體的交互。在視覺上，可以通過改變形態和顏色來展示不同的視覺輸出界面，共有4種變色系統，分別為熱變色、光變色、水變色和壓電變色[7]。智能服裝通過改變顏色進行視覺輸出，以傳達身體或環境數據。發光服裝通過電致發光材料或者光致發光材料，實現紡織品中的照明效果[8]。電致發光線可以嵌入衣服中直接產生照明界面。發光二極管（LED）作為紡織品中光纖的光源，可以實現紡織品的發光。這些發光紡織品可以將身體變為動態表面，進而成為一種新的自我表達方式。觸覺是皮膚與外界接觸時受到輕微刺激產生的感覺。振動觸覺型可穿戴設備多用于虛擬現實，如VR游戲設備，可穿戴手套能夠發出不同頻率、形式的振動，表達不同物品給予皮膚的感覺，從而提升用戶的游戲體驗[9]。聽覺是智能服裝其他類型的輸出。可穿戴設備追求“以人為本”以及人與設備的緊密貼合，從而確保產品的適體性。科技紡織物可增強視覺上的沖擊力和表現力、觸覺上的體感舒適度，以及聽覺上的附加性[10]，從而實現產品功能的多樣化。

3.2 交警手套交互設計

3.2.1 智能交互設計

發光織物是指在表面具有發光效果的織物，能夠在保證功能實現的同時，緊貼不規則的手部表面。將光纖通過編織、刺繡等工藝與紡織纖維相結合，能夠在保持紡織品原始基本特性的同時具有與光學相關的其他功能，是現代材料科學與紡織技術相結合的產物[11]，特別是在滑雪、登山等戶外運動產品和其他安全警示產品中是不可多得的研制工藝[12]。將交通指揮設備與發光織物相結合，以實現設計目標。

3.2.1.1 發光織物光纖制備

按照發光方式可將發光光纖分為端面發光光纖和側面發光光纖[13]，端面發光光纖僅有端面可以發光，而側面發光光纖不僅端面可以發光，光纖側面也有光線輸出，且發光強度較為均勻。

側面發光光纖不僅可以將光從入射端面透射到出射端面，還可以使一部分光從光纖的皮層漏出，從而形成側面發光的效果[12]。若將端口發光光纖編織在紡織品中，則紡織品表面無法漏出光線，無法構成視覺界面。側面發光光纖材質過脆，不適宜編織入柔軟的織物中。端口發光光纖材質較為柔軟，適宜編織入紡織品中，因此，現有許多特殊處理手段能使端口發光光纖實現側面發光，并多應用于發光紡織品的研究中。

端口發光光纖實現側面發光的主要處理方法有3種：機械破壞、化學溶劑處理和激光處理[14]。通過破壞塑料光纖的表面結構，能使傳輸光線從側面漏出。經過皮層溶劑處理的PMMA發光光纖，不僅可獲得側面發光效果的光纖，還能保證一定的持久性與均勻性[15]。

3.2.1.2 發光織物結構設計

光纖織物的組織結構為平紋，設計發光光纖的使用范圍，發光二級管（LED）提供發光織物的光源，構成發光指示圖案。發光織物由普通的紡織纖維與光纖交織而成，每根緯線纖維的兩端都暴露在織物的兩側，用塑料絕緣套管對光纖和發光二極管進行連接，確保發光指示界面的輸出。發光織物結構見圖2。

圖2 發光織物結構

需保證紡織物具有較低的密度，可將光纖亮度釋放到極致，但同時確保光纖與織物之間具備足夠的摩擦力，以免脫落。滿針羅紋線圈密度可以滿足以上需求，正反面的接觸面適中，摩擦力能確保光纖牢固，且不易脫落。織物表面平滑、手感柔軟，適合用于發光織物的基礎組織結構中[16]。

3.2.2 指示符號設計

在可視度較低的環境下，駕駛者需通過交警的動作獲知交通狀況。符號作為傳遞信息的主要因素，可輔助交警傳遞交通信息，提升交互效果。為防止駕駛者的理解出現偏差，應使用已形成固定認知的符號圖案。

在我國的交通標志規范中，禁令標志和指示標志都使用圓形。對于指向性的圖標，大多使用辨認效果較好的三角形。分析交警手勢后可知，當指示車輛停止時，交警將手心展示于駕駛者；當指示車輛前行或者左右行時，交警將手背展示于駕駛者。因此，可以將禁止性圓形符號編織于手掌處，指示性三角形符號編織于手背處。

從用戶認知來看，光效因帶有“光亮”的屬性，會對用戶的視覺產生直接的刺激，能夠及時提醒駕駛者進行信息的識別和判斷。色彩本身具備一定的特性，它的差異性會給人們帶來截然不同的視覺感受和心理認知，并且具有識別時間短、反應快速直接等特點。紅色是感知危險顏色評級中級別最高的顏色，在色彩上起到警示作用，能刺激駕駛者及時做出反應，因此，可以將紅色用在手掌處的禁止符號上。綠色具有平靜、安全等含義，適合用于通行、允許等標志中，即用在手套背面的通行標志上。

通過發光織物編織結構、符號形狀設計以及電路設計3個步驟來制作交通標志部分，從而達到增強手勢可視性的設計目標。發光織物電路設計見圖3。

圖3 發光織物電路

3.2.3 手勢燈光交互設計

手勢是一種最直觀、最易被大眾接受的符號語言。從2007年10月1日開始，新的交通警察手勢信號在全國實行，分別為：停止信號、直行信號、左轉彎信號、左轉彎待轉信號、右轉彎信號、變道緩行信號、減速慢行信號、示意車輛靠邊停車信號[17]。

交警指揮交通時，借助雙臂的擺動與手部手勢的配合，能夠準確傳遞交通信息。根據觀察可知，交警在指揮過程中手部五指并攏，手腕無大幅度活動。當交警示意駕駛者停止前行時，舉起掌心朝向駕駛者且無其他動作，手腕會發生背伸運動。此外，示意車輛靠邊停車、左轉彎以及右轉彎等信號皆由2只手共同完成，一只手垂直于身體舉起，另一只手進行擺動，手掌、手臂均保持在同一水平面上。其中一種指揮手勢的手掌、手腕皆會進行屈伸運動，其余手勢的手腕都會與手掌保持在同一水平面上，見圖4。

圖4 手腕背伸運動

多數交警手勢的手腕處于繃直狀態，只有在指示禁行狀態時，手腕會進行背伸運動。為減少資源浪費，防止引導駕駛者做出錯誤判斷，在手腕處嵌入感應器，感應交警的動作變化，并隨之產生燈光交換[18]。實現手勢燈光交互設計的裝置主要包括：高強度LED燈、重力開關、耦合器、光纖織物以及電源控制開關。當腕關節進行背伸運動、手掌垂直于地面時，重力開關開啟，手心紅色LED燈與電源連接，禁止信號亮起，背部綠色LED燈與電源斷開。

3.3 設計方案

多數交通警察的工作環境在室外，佩戴的手套在經歷多次暴曬、雨淋、洗滌后，易造成反光條的磨損，進而會減少反光條的使用壽命。由此可見，用發光織物代替反光條實現符號警示，可以避免反光條長時間使用而導致的警示功能降低。結合人體工程學，可以在保證人體貼合度的同時提升手勢交互效果。在設計目標和構思的基礎上，繪制方案草圖，見圖5。

基于交警固定的手勢可知，當交警指揮車流進行流動時，手套背部箭頭形狀的發光光纖會變亮；當交警手心朝向車流表示停止行駛時，手心處的圓圈發出紅色燈光。將其運用在設計方案中（如圖5），方案1將發光織物運用在手背以及手指背部，提升手套整體的警示比例，并將安全防護作用考慮在其中；方案2將箭頭和圓圈分別應用于手背和手心處，設計松緊腕帶便于穿脫；方案3在三指以及部分手背處運用發光織物，應用三指并攏形成的形狀達到指示效果，傳遞交通信息。

圖5 設計草圖

3.4 最終設計方案

考慮到現有的交通標志規范以及交警職業的特殊性，從交警手套的草圖方案中選擇方案1進行細化，形成最終方案。手作為人體最重要的組成部分，其骨骼結構復雜，且活動度較高，因此，需要準確了解手部尺寸以及關節活動參數，以確保關節、指節的尺寸和活動范圍等方面符合人體工程學，不會給使用者帶來不適。為實現產品批量化生產，需降低成本。將反光條與發光織物相結合進行應用，讓使用者根據環境狀況進行選擇性使用。當能見度過低、駕駛者無法及時獲取信息時，開啟光源。在正常天氣下可以直接依賴反光材料。最終設計方案效果見圖6，智能應急交通情景見圖7。

圖6 應急交通手套效果

圖7 智能應急交通情景

在整體設計中手掌部分有若干塑膠防滑點，可以增大摩擦力，確保手部正常工作。由于使用人群工作的特殊性，在掌指關節處根據人機工程學原理，嵌入塑膠凸起殼進行手部防護，可減少自身傷害。手腕部分有灰色魔術貼腕帶，可以自由調節松緊度。同時將通信模塊固定在腕帶上，需要清理手套時摘下來，可以延長手套使用壽命。標識部分將滌綸和光纖作為緯線、棉作為經線，按照滿針羅紋線圈結構進行編織，既保留了滌綸結實耐磨、不易變形等特點，又具備棉的吸汗性特征。其余部分采用滌棉混紡的方式，確保穿戴的舒適性，長時間工作也不會給手部帶來生理負擔。交通標識的導向性主要通過形狀識別和顏色編碼來實現，在形狀識別上采用交通領域固定的導向符號形狀——箭頭，在顏色上根據國家交通規范，應用綠色和紅色，分別代表通行和禁行。

另外，設計還需關注產品的佩戴體驗、功耗管理和成本控制。在材質上，柔性是發光織物最大的特點，可以在不影響交警工作的前提下，自由變形并長期佩戴。在滿足手勢可視性和柔軟觸感的基礎上，將反光條與發光織物相結合，能夠在實現警示功能的同時，更大程度地節約能源、降低成本。

通過分析產品的使用場景以及使用過程中可能遇到的問題，可以發現，現有的交通通信工具多為對講機，其不受網絡的限制，是交通調度中不可替代的通信工具。在手腕處的通信模塊中內置通信卡，可以幫助交警及時控制事件，并保留事件的音頻證據。在手腕粘扣處的通信錄音設備中嵌入GPS模塊，可以在緊急情況下使定位更加準確、及時。

4 結語

隨著經濟的發展，城市交通壓力越來越大，如何降低交通事故的發生率成為一個重要的議題。基于交通情境交互關系模型，快速獲取交警與駕駛者交互行為中的痛點和不足，分別進行產品的功能和交互設計，繪制產品造型草圖，并得出最終的設計方案。基于發光織物的交通指揮手套能有效優化交通指揮效果，對緩解交通堵塞情況、減少交通事故都有著重要的意義。

[1] 張亞麗. 世界衛生組織發布《2018年全球道路安全現狀報告》[J]. 中華災害救援醫學, 2019, 7(2): 100.

ZHANG Ya-li. The World Health Organization Released the 2018 Global Road Safety Status Report[J]. Chinese Journal of Disaster Medicine, 2019, 7(2): 100.

[2] 張偉. 基于PLC環境下智能交通系統的設計[J]. 現代科學儀器, 2018(5): 10-13.

ZHANG Wei. Design of Intelligent Transportation System Based on PLC[J]. Modern Scientific Instruments, 2018(5): 10-13.

[3] 楊學政, 滕方勇. 標志反光膜逆反射性能評價方法與影響因素分析[J]. 山東交通科技, 2020(2): 106-109.

YANG Xue-zheng, TENG Fang-yong. Evaluation Method of Retroreflective Performance of Sign Reflective and Analysis of Influencing Factors[J]. Shandong Communications Technology, 2020(2): 106-109.

[4] 支榮釧, 張強. 反光材料在警用救援服中的應用研究[J]. 中國個體防護裝備, 2016(2): 46-50.

ZHI Rong-chuan, ZHANG Qiang. Research on Application of Reflective Materials in the Police Rescue Clothing[J]. China Personal Protective Equipment, 2016(2): 46-50.

[5] 張艷河. 嬰幼兒可穿戴產品的交互設計研究[J]. 裝飾, 2017(8): 126-127.

ZHANG Yan-he. Study on Interaction Design of Wearable Infant Products[J]. Art & Design, 2017(8): 126-127.

[6] 陳東義. 智能織物與服裝: 人類的“第二層肌膚”[J]. 設計, 2016(24): 72-75.

CHEN Dong-yi. Smart Fabrics and Clothing: The Second Skin of Human Beings[J]. Design, 2016(24): 72-75.

[7] 白潔. 智能紡織品的分類及其應用[J]. 毛紡科技, 2019, 47(4): 79-83.

BAI Jie. Classifications and Applications of Smart Textiles[J]. Wool Textile Journal, 2019, 47(4): 79-83.

[8] 郝士杰, 張麗平. 發光材料在紡織上的應用研究進展[J]. 紡織導報, 2017(11): 64-67.

HAO Shi-jie, ZHANG Li-ping. Research Progress in Application of Luminescent Materials in Textiles[J]. China Textile Leader, 2017(11): 64-67.

[9] 楊隨先, 劉行, 康慧, 等. 互聯網+智能設計背景下的交互設計與體驗[J]. 包裝工程, 2019, 40(16): 1-13.

YANG Sui-xian, LIU Xing, KANG Hui, et al. Interactive Design and Experience under the Background of Internet + and Intelligent Design[J]. Packaging Engineering, 2019, 40(16): 1-13.

[10] GONG Zi-dan, XIANG Zi-yang, OUYANG Xia, et al. Wearable Fiber Optic Technology Based on Smart Textile: A Review[J]. Materials (Basel, Switzerland), 2019, 12(20): 3311.

[11] 楊昆, 李美奇, 張誠. 側面發光光纖及其發光織物的研究進展[J]. 毛紡科技, 2019, 47(7): 84-89.

YANG Kun, LI Mei-qi, ZHANG Cheng. Study on Side- Emitting Polymer Optical Fiber and Resultant Luminous Fabric[J]. Wool Textile Journal, 2019, 47(7): 84-89.

[12] 郭雪峰, 楊靜芳, 葛明橋. 發光針織面料的設計開發及應用[J]. 針織工業, 2015(10): 20-23.

GUO Xue-feng, YANG Jing-fang, GE Ming-qiao. Design and Development of Photoluminescent Knitted Fabric[J]. Knitting Industries, 2015(10): 20-23.

[13] 匡麗赟, 盧俊宇. 發光針織物圖案設計及亮度研究[J]. 針織工業, 2017(8): 16-19.

KUANG Li-yun, LU Jun-yu. Patter n Design and Lighteness Study of Illuminant Knitted Fabr Ic[J]. Knitting Industries, 2017(8): 16-19.

[14] 張華玲, 王立晶. 聚合物光纖在服飾刺繡設計中的應用[J]. 服裝學報, 2017, 2(6): 522-526.

ZHANG Hua-ling, WANG Li-jing. Embroidery Design Using Polymer Optical Fiber with Luminous Effects[J]. Journal of Clothing Research, 2017, 2(6): 522-526.

[15] 陳園園, 楊斌, 金子敏. 可控發光織物的研制及其亮度表征[J]. 紡織學報, 2008, 29(8): 38-41.

CHEN Yuan-yuan, YANG Bin, JIN Zi-min. Manufacture of Controllable Luminous Fabric and Characterization of the Luminance[J]. Journal of Textile Research, 2008, 29(8): 38-41.

[16] 匡麗赟. 利用聚合物光纖制備發光針織物的研究[J]. 針織工業, 2016(9): 14-16.

KUANG Li-yun. Study of Luminescence Knitted Fabric by Using Polymer Optical Fiber[J]. Knitting Industries, 2016(9): 14-16.

[17] 羅昆. 基于神經網絡的交警動態手勢識別方法研究與實現[D]. 撫州: 東華理工大學, 2019.

LUO Kun. Research and Implementation of Traffic Gesture Dynamic Gesture Recognition Method Based on Neural Network[D]. Fuzhou: East China Institute of Technology, 2019.

[18] 覃京燕, 曹莎, 王曉慧. 綠色IT可持續設計理念下基于量化自我的智能服裝交互設計[J]. 包裝工程, 2017, 38(6): 1-6.

QIN Jing-yan, CAO Sha, WANG Xiao-hui. Interaction Design of Smart Clothing Based on Quantified Self under the Concept of Green IT Design for Sustainability[J]. Packaging Engineering, 2017, 38(6): 1-6.

Intelligent Interaction Design of Traffic Command Gloves Based on Luminous Fabric

LIU Yue-lin, LI Jia-ling, ZHAO Ling-ling

(School of Art and Design, Yanshan University, Hebei Qinhuangdao 066004, China)

This paper aims to effectively enhance traffic command hand signal recognition in bad weather, accurately convey command information and reduce the rate of traffic accidents.Firstly, it analyzes the current situation and shortcomings of traffic command products. By constructing a traffic police and driver traffic context relationship model, it gives insight into key design issues and optimization of traffic command glove function design. Secondly, explore the way of interaction between intelligent fabric and human body. Design dynamic digital symbols based on luminous fabric to enhance the gesture visibility of traffic gloves, improve the glove interaction effect, and strengthen the efficiency of information interaction between traffic police-driver. Finally, we design the corresponding scheme according to the above analysis. The traffic glove based on controllable luminous fabric can effectively enhance the gesture visibility. In this way, the efficiency of traffic police is improved. The construction of interaction relationship model helps to quickly find the problems of product usage and obtain the corresponding design objectives. The proposed product design based on light-emitting fabric provides new ideas for future traffic command product design. It also provides a helpful idea for related research and design practice.

luminous fabric; traffic command; interactive design; interaction model

TB472

A

1001-3563(2022)12-0136-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.12.015

2022–01–18

河北省引進留學人員資助項目（C20190370）

劉月林（1977—），男，博士，教授，主要研究方向為交互界面設計。

責任編輯：馬夢遙