探讨基于人因工程学的智能盲道辅助系统设计

王宇龙 黄正炜 冯太杰 严贤钊

摘 要：当代中国经济发展迅速，越来越多的人喜欢出门旅行。但是美丽的景色对于一些残障人士而言却不那么美丽，因为他们的出行还存在许多障碍和隐患，尤其是视力障碍人群，他们出行要靠盲道指引。我们在城市建设以及景观设计中可以利用先进科技，比如互联网、物联网来为他们提供便利。

关键词：人因工程学;无障碍设计;盲道设计;物联网

盲道属于无障碍设计中的重要部分[1]，中国基本上每条市政道路两侧都设置有盲道。盲道为视力障碍人群的出行提供了引导和便利，但是传统的盲道设计具有众多缺点，比如指向性不明，形状过于单一，过于曲折等，盲道被占用、截断、破坏的情况常常发生，对盲人出行造成了极大的隐患。

针对以上问题，并基于现在智能化、物联网快速发展的趋势，设计时考虑到将智能导盲杖以及智能金属盲道利用物联网统一起来，作为城市智能交通系统的一部分：将使用者和智能导盲杖作为一个点，智能盲道作为线，城市智能交通信息系统作为面。如此可以迅速精准定位使用者，结合城市智能交通系统为视力障碍人群提供信息预警和救援帮助，让盲道辅助系统更加安全、智能化、人性化，从而降低使用者的安全事故发生的概率，为其提供一个良好、友善的生活出行的城市交通环境。

一、传统盲人辅助工具的分析

传统的拐杖大多用自然材质比如竹、木制成，符合传统的人因工程学造型，材质坚硬但比较温暖，适合行动不便人群使用。但是其缺点众多，比如功能单一，只能通过声音与触觉感知地面;感知范围小，盲人只能辨别拐杖所触碰的地方，不能識别周围环境以及引导使用者及时作出反馈。在传统导盲杖使用时盲人也会失去方向感，不知道自己所处位置与目的地信息。

传统的盲道也大多数用水泥、混凝土、砖石铺成，少量用金属材质。而这些盲道具有易损坏、不易打扫等缺陷。最重要的是其形状单一，用以铺设的盲道砖皆为长方体，铺出的盲道都是直来直去，对于场地变化适应率极低，非常干扰阻碍盲人通行。且其易被侵占，致使盲人无法通行，甚至危害盲人生命安全[2]。

二、辅助系统总体方案设计

（一）辅助系统功能设计

根据现有盲道使用状况分析，决定在盲道本体上加以改进。首先将传统的盲道替换为新型具有防滑功能的不锈钢盲道模块，并且从监控系统的视觉、触觉传感器感知道路信息，通过电子智能导盲杖进行信息收集处理，再通过导盲杖的听觉、触觉传感器将信息反馈给使用者。其主要功能有：

1.实时收集盲道路面以及监控盲道两侧的道路信息。

2.判别并计算障碍物与盲人的方位与距离。

3.通过智能导盲杖将信息传递给使用者。

4.实时检测盲道路面信息并反馈。

（二）系统组件功能设计

当障碍物进入辅助系统监控区域时，会同时触动智能盲道和道路交通系统两个大的系统模块。两个系统经过识别与信息收集，处理确认障碍物的方位、距离、速度、前进路径、形状等信息，再通过金属盲道的接触式电路或者无线电波传输到使用者的智能导盲杖中，智能导盲杖再将信息通过听觉以及触觉传感器传递给使用者。

1.金属智能盲道：通过上层金属板电波异常的位置信息以及压力传感器得出障碍物的位置、体型等信息，利用下层电路板发出电信号。

2.道路监控系统：判别并计算障碍物与盲人的方位与距离，相遇几率与速度，并采取相应措施比如发出预警，通知相关人员[3]。

3.智能导盲杖：通过底端电子传感器接收金属智能盲道的信息，以及其他设备的无线信息，并将信息整理通过传感器传递给使用者[4] 。

4.盲道自检系统：实时检测盲道路面信息以及反馈。

三、辅助系统硬件设计

（一）金属智能盲道设计

传统的盲道只有长方体一种形态，两种纹样，在引导上单调，指向性不强。而且正方体在实际道路铺设中对于路面要求高，对于多变地形适应力极差，尤其转角处，碰上固定障碍物必须转数个弯，既不美观，又不节约材料，更不利于盲人行走，容易与固定障碍物、行人、车辆发生碰撞。所以在盲道面板选材上采用防滑金属材质。

首先金属有良好的塑形能力以及抗压力强，非常适合做造型多样的盲道的面板，可以根据实际要求进行批量生产，铺设。其次金属具有易清洗、不易损坏、使用时间长、容易识别等优点。但是金属材质较为光滑，需要在金属盲文上做额外防滑纹样以及其他防滑处理。

采用不锈钢材质符合盲道建材规定。在住建部发布的《无障碍建设指南》（GB 50763-2012）中，防滑不锈钢是符合盲道铺设条件的建设材料。方形单体砖形状，与国家标准的盲道砖尺寸规格一致。对于拐角处采用圆弧的盲道，可以根据实际道路信息、转角角度制定盲道砖的规格，从而打破一般盲道的局限性。

金属面板下方设置集成电路板，上面安装压力传感器、电流传感器、电信号接收器等功能模块。当有障碍物或者人行走的时候，施加压力，改变电路板的电流从而测出障碍物的尺寸、体重、位置等信息。电路板将原始的电流信息传递到信息处理系统。并且当智能导盲杖的金属底端触碰到金属面板时候，盲道电路板受到导盲杖的链接信号电波激发会互相传递道路信息，从而可以利用盲道急速传输信息，实现厘米级精细的道路坐标定位，做到及时、快速、高效地反馈使用者位置等信息。比如在盲人偏离盲道时发出警戒信息，以及在使用者有危险或者异常情况下时也可以迅速发出有效求救信号。

（二）智能导盲杖功能设计

导盲杖采用一些符合人体工程学的人体使用尺寸，以便使用者使用时更加舒适，契合。

比如，导盲杖的高度制定时，首先参考人的一般坐姿以及站姿人体尺寸。男性坐姿肘高一般为586mm～775mm之间，女性一般在532mm～716mm之间;男性站姿手功能高度为656mm～828mm之间，女性一般在630mm～778mm之间[5]。而导盲杖使用时一般两种姿势兼具，既要保证使用者行走时导盲杖起到自然支撑、探测道路信息的作用，又要保证在坐立时舒适的把握与起身时的支撑功能。根据以上人体尺寸分析，拐杖整体高度就制定在750mm左右。

其次，把手处采用贴合手掌把握的突出曲线。因为人握平滑的东西时手心和物体还有一段弧形空隙，人的手心长度约为117mm，手握姿势时手心与平面的夹角大约在12°。根据以上人手把握姿势的数据，将手把设计成比手心略长的流线型。

现研发的导盲杖种类繁多，功能各异，但是与金属盲道无法形成有效互动，大都是在城市交通系统里处于一种孤立的存在：有的不能实时更新宏观信息，比如城市上实时的道路交通状况、路面维修情况等;有的虽然具有红外线，有较强的侦测环境的功能，但是使用比较局限，不能判断转角或者较远处的路况。针对这种情况，设计时将智能导盲杖设计成为整个城市交通信息系统的一部分，将使用者和智能导盲杖作为一个点，智能盲道作为线，城市智能交通信息系统作为面，如此便将使用者的信息迅速精准定位，为视力障碍人群提供信息预警和救援帮助。

智能导盲杖内置语音助手以及震动模式。当有路况时，智能导盲杖接收城市信息通过语音助手通过使用者的听觉传递给使用者。当有前方有紧急情况时，则语音助手播报并且开启震动模式警戒使用者，而且振动模式可以在使用者找不到导盲杖时提供声源与震动感，便于快速找到导盲杖。当使用者遇险时导盲杖可以检测是否脱离盲道，从而向城市交通系统发出求救信号。而其它社会服务机构，比如交通系统、医疗系统、社会服务志愿者等接收到求救信号后，可以根据信号具体信息为遇险的使用者提供救援与帮助，最大程度地帮助遇险者提供安全保护。整个系统为使用者提供一个事前、事发、事后的人身保护。

四、结语

人因工程学作为一门新兴学科，涉及生理学、心理学、工程学等学科，看起来离我们很远，其实就在我们生活的方方面面中。不断研究与探析人因工程学会为我们的生活带来更好的改变。

此次设计就是探究如何利用人因工程学来为视力障碍人群，主要是盲人提供更好、更人性化的设计。研究方向也是偏向于中国航空航天率先提出的人—机器—环境系统的人因工程学[5]。

在设计分析时，考虑到盲人由于自身的特殊性，无法依靠自身对外界一些信息作出快速有效的反应，出行时有很大的安全隐患，要求设计师不光要考虑盲人与导盲杖的关系，还要考虑到导盲杖与周围环境的关系，甚至与整个城市的关系。所以在此次设计中对于盲人、辅助機器、环境三者之间的关系进行探究。

传统方式无法将盲人和城市交通无法直接连接起来，但是本文提出的方式可以通过导盲杖将盲人与盲道连接起来，再通过盲道与城市智能交通信息系统连接，做到了盲人与城市的“对话”。而基于这种“对话”就可以为视力障碍人群构筑一道由前期预防、提前规避、遇险救援组成的，利用时间与空间的三重人身安全保护体系。

参考文献

[1]马力，张金朝.宁波市城市公共空间无障碍设施的现状调查与研究[J].宁波工程学院学报，2018，（3）：47-51.

[2]戴先任.盲人难行暴露公共服务短板[N].健康报，2018-10-16（002）.

[3]姚丽，武慧荣，卢俊，等.智能导盲辅助系统的设计与实现[J].山西建筑，2018，（14）：254-255.

[4]新华社新媒体.中国大学生研发“智能导盲杖”[EB/OL].（2018-11-07）[2018-12-24].https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1616439638168201551&wfr=spider&for=pc.

[5]徐磊青.人体工程学与环境行为学[M].北京：中国建筑工业出版社，2006：27-33.

作者单位：

湖南工业大学包装设计艺术学院