手机使用者步行安全的照明与视觉环境补偿措施的可行性研究

2021-03-16范珅瑞袁梓洋

照明工程学报 2021年1期

刘爽，范珅瑞，袁梓洋，杨彪

(哈尔滨工业大学(深圳)建筑学院，广东深圳 518055)

引言

在城市步行环境和交通研究领域，行人安全问题始终是人们关注的重要话题。根据世界卫生组织WHO发布的数据显示，每年有大约135万人死于交通事故，其中行人在道路交通伤害中达总数量的一半以上，并发现在交通事故中使用手机的驾驶员比不用手机的驾驶员发生危险的概率约高4倍[1]。据某市公安交管局统计[2]，2017年因手机分心驾驶而导致的交通事故一共3905起，其中打电话、看手机和发微信占比65.94%。根据Governors Highway Safety Association最新报告显示[3]，美国行人死亡数量在2018年达到近30年来最高，智能手机分散行人注意力成为造成行人伤害的可能原因之一。

随着人们对手机的依赖日益增加，走路使用手机的现象随处可见，发生的行人伤害事故也在增加。Nasar和Troyer[4]在2013年统计2004年至2010年美国消费者产品安全委员会(US Consumer Product Safety Commission)的数据发现，因为手机而导致行人受伤的数量逐渐上升，在2010年已经超过了司机受伤数量。Thompson等[5]通过现场观察的方式记录行人的过街行为，发现有近三分之一的行人行走过程中从事分心活动，包括听音乐、发短信和手机通话等不安全行为。赵艳等[6]2015年在北京市路口、路段对行人过街使用手机比例也进行了实地调查，并通过文献分析得出行人过街使用手机会降低道路通行能力进而引发交通事故。Tapiro等[7]2016年在半沉浸式虚拟环境中比较了儿童和成人在使用手机通话时的过马路行为，研究发现当行人忙于对认知需求更高的对话任务时，他们过路的反应更慢。Ioannidou等[8]2017年通过实验深入研究发现，有限的中央视觉足够让行人在楼梯上正常行走，但是使用手机很大程度上分散行人注意力，当遇到意想不到的障碍时可能会对行人造成伤害。

1 手机使用者步行需求理论——能力模型

建设人性化合理化的城市步行环境是提高行人安全的有效方式之一。设计师们更需要逐渐全面考虑所有人群的步行需求，让有视觉障碍和行动不便的人群同等公平地享受城市步行空间环境，其中明确手机使用者的步行需求也是一项尤为重要的任务。

明确手机使用者步行需求首先明确其视觉特征。在步行过程中，手机使用者的中央视觉注意力被手机占据，用于观察周边环境(台阶、站台间隙与坑洼等)的视觉注意力资源减少，继而导致对步行环境的认知能力降低，因此只能用周边视觉观察路况。但是周边视觉观察到的环境资源较少且模糊，其探测能力与中央视觉相比较弱，因此整体观察路况能力比普通行人低。基于Tyler院士[9]指出的能力模型(Capabilities Model)与广义的无障碍定义，我们认为步行状态下的手机使用者可以被视为有视觉认知障碍的人群。

能力模型是比较人与环境之间的需求供给关系，用以考虑改变降低环境对行人的需求能力是否可以提高生活品质的有效方法。能力模型包括三个基本要素：希望从事某项任务的人、希望从事的任务和从事该任务所需要的环境。其中完成某项任务所需要的能力被其定义为“需求能力(Required Capabilities)”，人们会在自己想要从事的任务中提供自己所具有的相关这次任务(包括应对环境)的一套能力被定义为“供给能力(Provided Capabilities)”。人为完成任务所呈现出的“供给能力”要能大于任务对人要求的“需求能力”(包括应对环境)就被定义为无障碍。

步行环境下最基本的任务就是走路，正常行人的供给能力基本能够无障碍完成。但当人的供给能力小于任务所需的能力时人就会产生行为障碍，比如步行状态下的手机使用者因为使用手机使其自身行为能力下降，导致其总供给能力不足以达到任务的需求能力，继而使手机使用者产生步行障碍。但是如果可以通过优化环境来降低环境对行人的需求能力标准，使其满足“人的供给能力大于任务需求能力(其他所需+环境所需)的模式”，便能够消除障碍影响(见图1)。

图1 手机使用者步行需求能力模型

2 现有步行环境补偿措施

2.1 补偿措施应用现状

目前已经有很多国家针对行人安全问题在步行环境方面做出了很多实质性的改善。在国外加利福尼亚州的圣何塞市的人行道上[10]布置能够感应车辆的嵌入式地面闪光灯在人行斑马线的两侧，在行人通过时可以持续闪烁提醒行人注意安全并警示司机及时刹车避让行人(见图2)。荷兰为了提醒手机使用者何时可以过横道[11]，在人行道和十字路口的边缘处安装了彩色条状灯，红灯状态时表示禁止通行，绿灯状态时表示可以通行(见图3)。在冰岛的伊萨菲厄泽小镇，环境管理者Trylla利用人的视觉错觉原理绘制了具有3D效果的斑马线[12]，既能引起行人注意又能提醒司机(见图4)。韩国的永登浦地铁站[13]设计出感应音乐楼梯提示行人注意安全，当行人连踩到台阶时，台阶上的灯就会发光并就像钢琴一样有节奏的产生音乐，步行动作结束音乐和灯光也会随之结束(见图5)。

图2 嵌入式地面闪光灯[10]

图3 彩色条状灯[11]

图4 3D效果斑马线[12]

图5 音乐台阶[13]

在中国有很多地方也逐渐重视行人步行安全问题，采取了不同措施提高行人视觉感知能力。例如使用LED灯带[14]、彩色的防滑磨砂警示带、彩色涂料和铺装材料等方式提高行人视觉注意力，防止出现摔倒和踩空等不安全行为(见图6～图9)。

图6 LED灯带[14]

图7 防滑磨砂警示带

图8 彩色斑马线

图9 彩色铺装

随着科学技术的迅速发展，更多智能化过街系统逐渐被应用(见图10～图13)。很多公司也在尝试将斑马线换成许多不同颜色的LED警示灯以提醒行人[15](见图10)。武汉市左岭新城某社区正式启用智慧人行过街系统[16]，该系统中的智能斑马线能在行人通过连续闪烁以提示过往车辆减速(见图11)。上述方式对于手机使用者、正常行人和司机都有视觉警示作用。上述方式都是基于听觉或视觉方面来提高手机使用者、正常行人或者司机的安全问题，此外还有从触觉的角度在地面上设置突起的闪光灯来警示行人[18](见图13)。

图10 智慧过街系统[15]

图11 LED斑马线[16]

图12 灯光台阶[17]

图13 突起闪光灯[18]

这些实际应用在过马路时会发挥很大的警示作用，但是目前不能够广泛适用于其他类型步行空间中。对于一些夸张设计的环境补偿方式，不仅影响建筑公共空间和步行环境的美观，还会影响行人的视觉舒适度。

2.2 照明与视觉环境补偿措施研究现状

学者们对于手机使用者的步行安全从不同角度提出了一些补偿措施。

1)从开发手机程序以警示行人的角度进行的研究。学者们研究了很多预防措施。如Chen和Zhu[19]开发了一个手机应用程序，该程序会分析行人在虚拟环境中的运动，并且在行人穿过潜在危险的街道之前会发出警告。Hwang[20]在2014年研究出基于道路用户GPS数据的安全感知导航应用程序(SANA)，可以提高手机用户步行安全。Wang等[21]也研究出CrowdWatch手机应用，该应用程序与交通灯和动态障碍物同步，通过分析行人的加速度、方位、GPS等数据来显示并提醒行人潜在的危险。Zhou[22]利用手机传感器开发步行模式识别系统(HeadsUp)，通过嵌入式传感器得到的数据，分析出手机用户的运动模式，在行人走路时提醒行人并锁定屏幕。采取智能手机技术虽然能够一定程度上改善行人步行安全，但是不能够提高行人对环境的多种视觉任务认知能力，反而容易产生错误警告。

2)从城市步行环境基础设施建设角度进行的研究。何永明等[23]针对行人过街安全，设计一种由地面凸起警示子系统、信息采集子系统和声光警示子系统组成的城市行人过街交通安全警示系统，利用地面频闪灯、语音提示和地面凹凸变化，从视觉、听觉和触觉三方面引起手机使用者的注意力来提高行人安全，结果表明这种警示系统能够大幅度减少行人看手机过街行为，有效避免过街时由于看手机引起的分心影响，从而保证行人过街安全。 Barin[24]在2018年也进行了观察性研究，研究发现人行道上彩色的“放下手机”图案标识对行人使用手机分心的干预作用(见图14)。

图14 放下手机的标识[21]

3)有学者发现光环境能够影响行人视觉认知能力。Sobhani[25]在2018年利用一种新型的头戴式虚拟互动现实环境(VIRE)，评估了三种情况(没有分心、被手机分心和被智能手机分心但提供安全措施)对行人过路影响。研究发现智能LED闪烁和变色灯能够缓解手机对行人分心的影响。杨秀和郝洛西[26]通过在室内步行空间照明场景下进行模拟实验发现LED光源的SPD值对行人的障碍物探测能力有影响，且照度一定时色温越高，行人的认知能力越强。宋佳音[27]探究在不同道路等级下LED光源与行人反应时间的视觉功效函数，研究结果发现同等亮度下，LED灯的视觉感知效率明显高于高压钠灯，一定程度上证明了LED光源能够补偿行人的视觉感知能力。

对于步行过程中的照明与视觉环境补偿措施的研究目前还处于初步探索的阶段，针对目前视觉环境补偿措施的过度应用，有必要找出高效的补偿措施，为城市步行安全环境建设提供理论和实践依据。

3 手机使用者视觉环境补偿措施调查

3.1 问卷目的

问卷主要调查行人对生活中现有视觉环境补偿措施可行性的评价与看法。步行环境补偿措施设置目的是为了提高行人步行安全。步行环境措施和警示标识设计的功能相似，因此都需要满足美观、经济、实用和安全的设计原则。所以选取安全性、有效性、成本、形式美观和可推广性这五项评价指标作为变量来评价现有的步行环境补偿措施的可行性。调查对象是使用手机的人群。

3.2 问卷结构化设计

正式问卷主要包括问卷说明、人口统计信息、步行环境措施量表，主要采取5级Likert 计分形式进行打分，分数越高表示认同感越高。问卷说明主要告诉被试需要如何答题。人口统计信息主要是了解被试的年龄、学历背景和拥有手机数量情况。步行环境措施量表主要评价从不同角度改善手机使用者步行安全措施的可行性，主要包括三个部分：照明与视觉环境补偿措施、智能手机技术措施和公共管理措施。具体如下，见表1：

1)照明与视觉环境补偿措施部分主要是比较现有的三类视觉环境补偿措施的安全性、有效性、成本、美观程度和可推广度：灯光类(静态/动态)、涂料与胶带类和标识类。

2)智能手机技术措施部分主要是评价三种手机APP功能对提高手机使用者步行安全是否有效和值得推广：“步行遇到障碍物时手机会震动或响铃”、“步行状态过程中手机会自动锁屏”和“步行时手机摄像头将步行环境作为短信编辑的背景”。

3)公共管理措施部分主要是评价不同宣传措施和立法措施对管理行人自觉约束不玩手机是否有效和值得推广:“宣传有关走路看手机的视频、短片或广告”、“通过参加会议或者宣传活动”、对“步行使用手机的人进行罚款”和“过马路使用手机罚款，走路时不需要罚款”。

表1 手机使用者步行安全措施可行性调查问卷

由于本问卷是针对步行环境中手机使用人群，因此主要采取发布电子问卷的方式进行调查。互联网调查的方式具有速度快、覆盖面广、群众随机等优势。为了保证问卷的质量，所有问卷在“CEM.WENJUAN.COM”网站进行不记名式填写，并设置了每个IP地址，每个手机和每个微信都只能答一次的要求。问卷启动无效问卷筛选，答题时间少于3 min被视为无效问卷，其结果不计入数据统计。最终本次回收问卷391份，剔除无效问卷得到297份有效问卷。

3.3 描述性统计分析

在297份调查样本结果中男女比例平衡，男性占48.15%，女性占51.85%。所有被试中19～30岁的被试居多占总数的69.02%，其次是30～50岁的占21.21%，12～18岁的占7.41%，50岁以上的最少占总数的2.36%。根据调查发现手机使用者主要为大学以上学历人群，其中大学生占44.44%，硕士以上学历占44.11%。根据人们手机拥有数量调查发现，手机普及程度高，其中手机数量3～6部的人占总数最多为43.43%，1～3部的占34.01%，7部以上的占12.79%，仅有一部的人数占9.76%。对于从三种不同角度来改善手机使用者步行环境安全问题人们更倾向于从“视觉的角度改善步行环境设施，提高行人安全”，所选人数占58.59%；选择从“设计手机app，利用手机震动，锁屏等功能提醒行人注意安全”的人数占27.61%；选择“通过举办活动或媒体等方式，对大众进行安全文化教育”的人数占12.46%，还有1.35%的极少数人选择了从设立法律法规进行管理的角度提高步行使用者的步行安全问题。

3.4 步行环境补偿措施可推广性分析

利用Excel统计人们对三种从不同角度改善手机使用者步行环境补偿措施的评价数据分析发现，虽然人们认为从智能手机技术措施角度改善手机使用者步行安全问题有效性更高，但是人们认为照明与视觉环境补偿措施更具有推广性(见图15)。这与问卷中Q20题人们所倾向的结果一致。

图15 不同角度警示措施的有效性和可推广性

3.5 照明与视觉环境补偿措施推广性分析

从照明与视觉环境补偿措施数据统计发现，人们认为灯光类(动态/静态)比涂料/胶带类和标识类安全性更高，效果更好，形式更美观以及可推广性也最高。但是成本比涂料和标识类更高(见表2)。

表2 照明与视觉环境补偿措施的评分结果

1)安全性。LED灯光类中每个措施的安全性都被认为比涂料/胶带类和标识类的更安全，其中“Q8:在台阶或高差处设置LED灯带或闪烁灯(4.115)”和“Q11:过街警示系统会在路面投影红绿灯，语音播放‘请抬头看路’(4.169)”这两种方式，人们认为最安全。在涂料与胶带类中“Q12：在台阶处涂带色颜料或粘胶带”(3.826)方式比“Q6:利用彩色涂料绘制的斑马线”这种形式被认为更安全。标识类中“Q15地面上设置‘请抬头，收起手机’标识”(3.455)比“Q9设置‘行人不要玩手机’标志”更安全(见图16)。

2)有效性。人们认为灯光类中“Q8:在台阶或高差处设置LED灯带或闪烁灯(4.032)”和“Q11:过街警示系统会在路面投影红绿灯，语音播放‘请抬头看路’(3.964)”这两种方式是所有方式中对改善手机使用者步行安全有效性最高。智能手机技术措施中“Q10:走路遇见障碍物时，手机会震动并发出蜂鸣声来提醒你注意完全(3.950)”的警示效果仅次于Q8和Q11得分。有效性得分最低的是“Q9:设置‘行人不要玩手机’标志”和“Q18:通过参加会议或者宣传活动，让行人走路自觉不玩手机”这两种方式，得分分别是2.701和2.822。由此可见人们更加认可从照明与步行环境补偿措施角度来改善手机使用者步行安全问题(见图16)。

3)成本。研究发现，人们对照明与视觉环境补偿措施的成本评价符合实际情况，认为灯光类成本偏高，涂料/胶带类最低，其次是标识类(见图16)。

4)形式美观。统计结果显示，在照明与视觉环境补偿措施中灯光类的“Q8:在台阶或高差处设置LED灯带或闪烁灯”形式美观程度最高得分4.356。涂料类/胶带类中“Q6利用彩色涂料绘制的斑马线”的方式相比“Q12: 在台阶处涂带色颜料或粘胶带”美观程度高。标识类中“Q15地面上设置‘请抬头，收起手机’标识”比“Q9设置‘行人不要玩手机’标志”的美观程度高(见图16)。

5)可推广性。统计结果显示，照明与视觉环境补偿措施中的灯光类“Q8:在台阶或高差处设置LED灯带或闪烁灯”可推广程度最高得分(3.947)，其次是Q11(3.875)。涂料类/胶带类中“Q12：在台阶处涂带色颜料或粘胶带(3.684)”的方式相比“Q6:利用彩色涂料绘制的斑马线(3.398)”推广程度高。标识类中Q15(3.320)和Q9(3.381)两种方式可推广程度几乎相同。对于智能手机技术措施方面“Q10:走路遇见障碍物时，手机会震动并发出蜂鸣声来提醒你注意完全”方式可推广性得分较高达3.779仅次于Q11，此结果说明人们认可控制手机的使用来提高行人安全。公共管理措施类中“Q14: 宣传有关走路看手机的视频，短片或广告”的可推广得分比“Q18:通过参加会议或者宣传活动，让行人走路自觉不玩手机”，“Q17：对‘步行使用手机的人进行罚款’，减少行人走路玩手机的行为”和“Q7：过马路使用手机罚款，走路时不需要罚款，减少行人走路玩手机的行为”高(见图16)。

3.6 照明与视觉环境补偿措施推广度回归分析

为了了解安全性、有效性、成本、形式美观对人们判断各类措施可推广性的影响程度，将可推广性作为因变量，安全性(X1)、有效性(X2)、成本低(X3)、形式美观(X4)作为自变量，对8个照明与视觉环境补偿措施的数据结果进行多元线性回归统计分析。从调整后的拟合系数(Adjusted R Square)来看，8个线性回归方程拟合效果很好均在0.600以上(见表3)。

从每个措施的回归系数(coefficients)分析四个变量对其可推广度的影响(见表4)，发现有效性(X2)的系数值最大，其次是形式美观(X4)。由此可见，影响人们判断措施可推广性最主要的指标是有效性和形式美观程度。