施工场地内安全标志位置的有效性研究及其应用

郑颖琇,陈 星,徐俞凯,刘孔科,何华刚*

(1.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074；2.武汉地铁集团有限公司，湖北 武汉 430070)

我国建筑施工安全事故频发，仅2015年至2019年这五年间，全国共发生房屋市政工程生产安全事故3 275起，死亡3 840人，且逐年呈增长趋势[1]。频发的安全事故严重阻碍了建筑行业向高效益、高效率方向发展，同时也带来了很多负面的社会影响。研究表明，施工人员的不安全行为是造成事故的主要原因[2-3]，并且不安全行为与个人的风险感知能力密切相关[4]，而场所内危险信号又是影响风险感知能力的主要因素[5]。一般来说，施工场地内主要采用布置安全标志的方式传达危险信号，但是目前我国许多建筑施工现场存在安全标志布设不合理的现象[6-7]，使得危险信号传达效果不佳。因此，提高场所内危险信号的传达效果成为亟需解决的问题，若能改善这一问题，可在一定程度上避免建筑施工安全事故的发生。

对于安全标志的信息传达效能问题研究最终可归结于对安全标志的可见性研究，已有不少学者在这方面取得了一些研究成果。如Filippidis等[8]从对象角度考虑提出了标志可见性集水区(VCA)的概念，并提出了识别标志可见性集水区的方法，但VCA范围的定义仅涉及标志可视性的物理方面，未考虑观察者心理、生理方面对标志可视性的影响。例如，作者对观察者视野、注意力等生理特征进行了最优化假设；Xie等[9]建立了最大视距与观察角度的函数关系，从而将VCA范围描述为一个与标志表面相切的圆形所定义的区域，更准确地定义了标志的可见性范围，并要求参与研究实验人员的视力正常，但未考虑视野对观察行为的影响；宋冰雪等[10]深化了Xie等[9]的研究过程，增加了多组对比实验，并且在实验过程中使用视野计来保证实验人员的正常视野范围，结果发现观察距离随偏移角的增加而呈非线性减少，最终可将导向标志的可见域定性为椭圆形；Motamedi等[11]提出了一种标志牌可视性分析和优化系统，将建筑信息模型(BIM)与计算机模拟技术结合，用于模拟行人运动并计算分析标志牌的可见性和覆盖率，从而实现了标志牌的位置评估优化，但模拟中的行人被假定注意力集中、视野(Fov)平等，不考虑视野的不同范围。

在以上研究中，研究人员多从标志角度考虑可见性区域，以优化标志整体布局为目的，这在一定程度上忽略或未充分考虑人的视力、视野等生理特征因素对标志可见性区域的反向选择。鉴于此，本文选择施工场地内常见的门架式安全标志作为研究对象，从观察者的角度出发，通过理论分析和实验研究，探讨了在观察行为中安全标志的有效布置区域，并建立了有效布置区域函数，进而将这一结果与BIM结合，计算并评价工程案例中安全标志布置位置的有效性。

1 安全标志的有效布置区域

1.1 安全标志有效布置区域的概念

若安全标志布置在某个观察人员的视野范围内，并且安全标志与人员之间的距离小于或等于最大视距，则安全标志信息很容易被个人捕获[12]。若安全标志布置在大多数观察人员的视野范围内且满足视距要求，则安全标志的可见性和有效性将大大提高。因此，本文提出安全标志有效布置区域的概念，将安全标志的有效布置区域定义为能够满足大部分人员有效观察行为的安全标志布置范围。

1.2 安全标志有效布置区域的理论表示范围

对于门架所在平面，不同路径的人员能够观察到的区域不同。在能够观察到的区域内，人眼对不同位置上的安全标志的辨认效果也不同[13]。另外，人员是否位于安全标志的可见域内是决定能否清楚辨认安全标志的关键因素[9]，安全标志摆放的位置同样也决定有多少已知路径角度的人员能够进入其可见域。由此可知，安全标志的有效布置区域与观察人员的路径、视野和可见域有关。通过研究人员路径与视野的关系、路径角度与安全标志可见域的关系，可以得出安全标志有效布置区域的理论表示范围及视觉显著性特点。

1.2.1 基于路径的人员最佳观察区域

人员在通过门架过程中，需要及时看清安全标志，然后根据安全标志传达的信息内容做出反应，这就要求人员在视野范围内迅速搜寻到安全标志且辨认清楚。相关理论研究表明，在不同的视野范围内，人眼对物体的辨认效果不同[14]。在本研究中，只考虑人员在平视状态下短时间内能够辨认清物体的视野范围，即平视状态下的最佳视区，具体空间范围描述为：铅垂方向上，标准视线以上10°、以下15°；水平方向上，标准视线左、右各20°。其中标准视线周围3°以内为中心视区，辨认物体最清晰。

假设施工场地内工人在进出过程中始终保持面向门架的平视状态，不考虑人员视力及注意力等生理因素的差异性，同时忽略场地内环境因素对人员行走轨迹的影响，人员只以直线路径进出，并且保证人员的最佳视区与门架平面相交，由此人员路径可来自平面174°方向范围，图1(a)中给出了人员通过门架时所有的可能路径。其中，O点为门架位置；θ为路径角度(与门架垂直的路径角度为0°)；D为通过门架所需的路径长度。

每个试图通过门架的人员一定会在门架所在平面捕捉到一块最佳观察区域，也就是最佳视区与门架平面的相交区域，该区域会随着路径角度θ及路径长度D的变化而发生变化。如图1(b)所示，人员的平均眼高取1.568 m，在D×tan15°>1.568的条件下，人员1站在路径角度θ=0°的位置时，其在门架平面上最易观察的区域为S，人员2站在路径角度为θ的位置时，其在门架平面上最易观察的区域为S′。由此，人员以任意θ和D行走时，最佳观察区域的纵轴bd与横轴ef可由几何关系表示如下：

图1 人员路径及最佳视区的空间范围

bd=D×tan10°+min(D×tan15°,1.568)

(1)

ef=D×cosθ×[tan(θ+20°)-tan(θ-20°)]

(2)

式中：D为路径长度(m);θ为路径角度(°)。

由此，当路径长度为D时，考虑所有路径角度的人员在门架平面上的最佳观察区域，如图2所示，不难看出，该区域有界且呈一个类椭圆形，其中纵轴长度不变，始终为bd，横轴长度为

gh=D×cos3°×(tan23°+tan17°)

(3)

最佳观察区域大小随着D值的减小而减小。图2中颜色的深浅表明了最佳观察区域的显著性强弱。在最佳观察区域内，不是所有位置都能被全部路径上的人员清楚地观察到，越靠近中心点O的位置越有利于所有人观察，沿纵轴y方向延伸任意距离，都能被所有路径上的人员观察到，而沿横轴x方向朝两边延伸，随着延伸距离的增长，能够观察到相应区域的人员数量会逐渐减少。

图2 路径长度为D时所有路径角度的人员在门架平面上的最佳观察区域

1.2.2 安全标志有效布置区域的边界

由上述可知，即使安全标志布置在全部人员的最佳观察区域内，也不一定能被大多数人观察到。因此，需要在最佳观察区域内确定出安全标志的有效布置区域边界，使得该边界内所包含的全部区域满足大部分人的有效观察行为。故本节根据人员路径角度与安全标志可见域之间的关系，探讨安全标志有效布置区域的边界信息。

对于安全标志有效布置区域的横向边界，可通过人员路径角度与安全标志可见域之间的关系确定。当安全标志尺寸一定时，位于任意路径偏角θ、路径距离为D的观察者想要捕获安全标志上的信息，首先需要进入该安全标志的可见域内[9]。如图3所示，当安全标志中心点位于O点处，圆M即为安全标志的可见域，则圆M的函数表达式为

图3 安全标志的可见域

(4)

式中:b为安全标志上文字大小的一半；φ为观察单个文字时的视角，取0.29°；x、y分别为当安全标志位于坐标原点O时，安全标志可见区域边界上任意一点的横、纵坐标[9]。

假设人员在看见安全标志的瞬间能够正确辨认(即忽略反应时间和个人视力差异)，并且认为位于中心点O处的安全标志能够被所有通过门架的人员观察到。另外，安全标志在所有路径范围内能够被75%以上的人员正确辨认才算有效[15]。由角度关系可知，最多可不考虑46.5°路径角度范围的人员对安全标志的可见性，则安全标志最远可布置在O′处，其与O点的距离为L，此时安全标志的可见域为M′，根据几何关系，可以得出：

(5)

由公式(5)可知，安全标志的有效布置区域的横向边界仅与安全标志上文字大小有关，若给定文字大小，则可确定出安全标志有效布置区域的横向边界，即x≤|L|。

图4 安全标志的有效布置区域

(6)

通过以上分析可知，安全标志有效布置区域的边界仅与安全标志上文字大小有关。此外，在本研究中假设所有门架上张贴的安全标志尺寸及文字大小均与门架尺寸相匹配，符合《安全标志及其使用导则》(GB 2084—2008)标准的规定。故在讨论时不考虑门架的尺寸，认为门架的尺寸范围均在安全标志的有效布置区域内。

2 实验验证

2.1 实验方法

为了验证提出的门架式安全标志有效布置区域的理论表示范围，上述研究利用眼动实验，通过测定人员通过门架过程的眼动数据以及对安全标志的正确辨识率，并通过分析实验结果说明门架平面内的视觉显著性规律及视觉显著区域边界，进而证明门架式安全标志有效布置区域理论表示范围的正确性。

由于实际施工场地内干扰因素较多，本实验所采用的Tobii Pro Glasses 2眼动仪在室外复杂环境中采样效果不佳，得到的数据可信度较低，可能会导致实验结果存在较大的偏差。另外，已有研究证实基于照片的室内模拟场景与现场实地的评价结果高度一致[16-17]。因此，本次实验选择在室内模拟现场实地场景,主要选择施工场地内常见的门架结构作为实验素材，如钢筋加工棚门架、安全通道出入口门架、配电房门架等，并采用图片投影模式呈现。为了保证所选照片能够真实地反映施工场地内门架结构，所有照片均在一天中的同一时间段内进行拍摄，尽量避免干扰因素的影响，拍摄高度为1.568 m左右，每个门架拍摄照片数量不少于5张，并筛选画质清晰、反映全面的照片作为本实验素材。实验中使用的安全标志与门架尺寸相匹配，并符合相关标准规范的要求。实验素材相关尺寸和人员的最大视距，见表1。

表1 实验素材相关尺寸和人员的最大视距

根据胡祎程等[18]对安全标志识别性受用户因素影响的研究结论，本实验选取30名具有建筑施工短期实习经历的学生作为实验对象，在实验前向实验对象清楚讲解实验的基本要求，要求实验对象在自然平和的心态下，以平视角度观察放映的图片，并在实验过程中保证实验环境安静和足够照明。

为了更好地描述区域特性，同时也考虑到遮挡因素，以实验对角正向面对门架时的方位信息作为本实验的描述性方位，则共有5个方位表示，分别是：A(左中)、B(左上)、C(中上)、D(右上)、E(右中)。另外，根据前文对安全标志有效布置区域的理论推导，将门架平面划分为两个区域，其中区域1在有效区域内，区域2在有效区域外，门架平面具体分区见图5。在本实验中，认为人员路径角度以正对门架为0°，由于人员路径和门架平面具有对称性特点，因此仅考虑实验对象以0°、20°、60°、80°的路径角度靠近门架投影的情况。

图5 实验方案示意图

具体实验开展主要分为两个步骤：

(1) 实验前准备。准备两组门架图片，一组是将安全标志分别布置在区域1内的A1～E1位置，另一组是将安全标志布置在区域2内的A2～E2位置，在实验中两组图片穿插放映。

(2) 实验过程。每个实验对象佩戴Tobii Pro Glasses 2眼动仪，目光平视，自O点安全标志的最大视距处出发，分别以0°、20°、60°、80°直线路径角度朝门架投影行走，眼动仪记录数据，同时通过问卷调查方式记录人员对安全标志的认知信息。

2.2 实验结果

对实验数据进行了统计分析。为了保证眼动实验的有效性，首先统计了实验对象对安全标志的平均正确辨识率，见表2。其中，由于安全标志布置位置及人员路径具有对称性，因此仅考虑门架最不利于观察的一侧，当实验者路径角度为20°、60°和80°时，不考虑安全标志布置在D和E位置上的情况。

由表2可知：一方面，随着路径角度的增大，实验对象对同一位置上的安全标志的正确辨识率逐渐降低；另一方面，随着安全标志位置距离门架边缘的距离越远，来自同一路径角度的实验对象对安全标志的正确辨识率逐渐降低。其中，当实验对象以正对门架的路径行走时，对所有位置上的安全标志的正确辨识率均较高；当实验对象以60°的路径角度行走时，对布置在A2、B2、C2位置上的安全标志是不能正确辨识或不可见的；当实验对象以80°的路径角度行走时，安全标志的正确辨识率≤75%，属于无效辨识，因此路径角度为80°的这一组眼动实验数据无效。

表2 不同路径角度和标志位置条件下实验对象对安全标志的平均正确辨识率

根据以上实验对象对安全标志正确辨识率的统计结果，对安全标志正确辨识率≥75%的眼动实验数据进行处理分析，主要选取注视次数、注视点首次进入兴趣区的时间、落在兴趣区首个注视点的注视时间以及落在兴趣区的总注视时间作为评价指标，将安全标志所在的区域设置为兴趣区，利用热点图可视化分析采集到的眼动实验数据，得到路径角度为0°、安全标志位于区域2条件下的眼动实验数据热点图(见图6)。

热点图中红色越深的位置代表实验对象在注视点停留的时间越长，绿色越浅的位置说明实验对象在注视点停留的时间越短。不难看出，红色区域在图6(c)中较集中，且颜色较深，而在其他图中虽也有红色区域，但相对分散，说明该位置的安全标志易被关注。其他条件下眼动实验数据热点图的分析思路与此相同。

图6 路径角度为0°、安全标志位于区域2条件下的眼动实验数据热点图

将30名实验对象在4个模拟场景中的眼动实验数据导出后取各项评价指标的平均值，其结果见表3，并将上述4个眼动实验评价指标数据绘制成曲线并进行了对比分析，见图7。

表3 眼动实验评价指标数据汇总表

根据图7中曲线可以分析出如下规律：

图7 眼动实验评价指标数据曲线

(1) 注视次数。随着路径角度的增大，注视次数逐渐减少；同一路径角度时，实验对象在区域2的注视次数明显少于区域1；当路径角度为0°时，C位置安全标志的注视次数较多；当路径角度为20°、60°时，A、B位置安全标志的注视次数较多。注视次数是表征位置视觉显著性的一个指标，注视次数越多，说明该区域越吸引人的注意[16]。因此，由注视次数可得到安全标志布置位置的视觉显著性排序为：当实验对象路径角度为0°时，有C1>E1>A1>B1>D1=C2>A2=E2>D2>B2；当实验对象路径角度为20°时，有A1=B1>C1>A2>B2>C2；当实验对象路径角度为60°时，有A1=B1>C1。

(2) 注视点首次进入兴趣区的时间和落在兴趣区的首个注视点的持续时间。注视点首次进入兴趣区的时间越短，或者落在兴趣区的首个注视点的持续时间越短，说明兴趣区越早被实验对象发现，即该位置视觉显著性越高[19]。路径角度越大，这两个评价指标值也越大；区域2的两个评价指标值均高于区域1；根据这两个评价指标，可得到安全标志布置位置的视觉显著性排序为：当实验对象路径角度为0°时，有C1> A1=E1>B1=D1>C2>A2>E2>D2>B2；当实验对象路径角度为20°时，有A1>B1>C1>A2>B2>C2；当实验对象路径角度为60°时，有A1>B1>C1。

(3)兴趣区内的总注视时间。实验对象在兴趣区内的总注视时间越长，说明对该区域越感兴趣。当实验对象路径角度为60°时，各个位置安全标志的总注视时间最短；区域1中安全标志的总注视时间均高于区域2；当实验对象路径角度为0°时，C位置安全标志的总注视时间最长，其次是A位置；当实验对象路径角度为20°时，A、B位置安全标志的总注视时间均较长；当路径角度为60°时，A位置安全标志的总注视时间最长。

综上分析结果来看，实验对象在同一路径角度的条件下，区域1中安全标志的视觉显著性明显高于区域2，随着路径角度的增大，各个位置安全标志的视觉显著性逐渐降低。另外，针对A、B、C 3个位置，还可得到如下3条规律：

(1) 当实验对象路径角度为0°时，3个位置安全标志的视觉显著性排序为C>A>B；

(2) 当实验对象路径角度为20°时，3个位置安全标志的视觉显著性排序为A>B>C；

(3) 当实验对象路径角度为60°时，3个位置安全标志的视觉显著性排序为A>B>C。

现以灰度图表征A、B、C 3个位置安全标志的视觉显著性，并将不同路径角度的分析结果进行叠加，如图8所示。

图8 A、B、C位置安全标志的视觉显著性叠加过程图

由图8可知，综合考虑不同路径角度的条件下，A、B、C 3个位置安全标志的视觉显著性排序为A>C>B，由对称性可推测出门架平面区域内不同方位的视觉显著性排序为A=E>C>B=D，则该规律与安全标志有效布置区域的视觉显著性规律相同，将门架平面区域内的视觉显著性相同的方位点进行连线，所围成的区域大致如图9所示。

图9 门架平面区域内不同方位的视觉显著性规律

另外，根据前文统计分析出的安全标志正确辨识率可以推测出，在A1与A2、C1与C2位置之间存在一个边界，边界以内区域可以使75%路径角度的人员正确辨认安全标志，边界轮廓也大致为视觉显著性相同的方位点连线所构成的形状，该边界内所包含区域正是安全标志的有效布置区域。

3 案例应用分析

根据上述研究结论中安全标志有效布置区域的定义范围，利用BIM技术对某一建筑施工现场的安全标志布置情况依据规则进行自动检查，并提出优化建议方案，从而提高场地内门架式安全标志的可见性。

本案例选择的是武汉某一建筑工地，该建筑工地内包括正在建设中的楼栋1#和2#，分别建设至8层和10层 ，另有一楼栋，已完成基坑开挖，正在进行地板浇筑工作。该建筑施工场地内基本配套设施齐全，共有6处出入口门架，均布置了安全标志。

为了检查该建筑施工场地内门架式安全标志布置位置的有效性，主要按照以下步骤在BIM中实施检查。首先在Autodesk Revit中创建建筑施工场地的BIM模型，将场地内门架式安全标志位置按照现场实际情况布置在BIM模型中，安全标志的尺寸设置大小需符合GB 2894—2008标准的要求，场地内的门架上选择5型或6型的安全标志，工地入口处选择6型或7型的安全标志；然后借助C#语言在Visual Studio中编写外部程序，并通过 API接入Revit中，从而实现门架式安全标志布置位置的规范性自动检查的应用功能开发。对门架式安全标志的规范性自动检查流程主要包括4步：①补充参数,即通过弹窗自行输入安全标志文字大小的值；②对象提取,即根据门架编码自动遍历所有门架模型并提取模型对象的属性与几何数据；③检查计算,即利用提取到的对象数据计算出对应的门架式安全标志的有效布置区域范围，并判断已有安全标志位置数据是否满足该范围；④检查结果,即给出判断结论及建议。

该建筑工地内3处场景门架式安全标志布置位置的有效性检查结果，见图10。

图10 某建筑工地内门架式安全标志布置位置的有效性检查结果

通过自动检查可知，钢筋加工棚的“注意安全”和“必须戴安全帽”安全标志位于有效布置区域外，员工通道的“必须戴安全帽”安全标志位于有效布置区域外，可按照红色提示区域进行调整，并且鉴于视觉显著性规律，应将重要的安全标志尽量放置在中间位置。

4 结 论

本研究针对建筑施工场地内门架式安全标志，提出了有效布置区域的概念及理论表示范围，并通过眼动实验对该范围内安全标志的视觉显著性进行了验证。该研究结果可以帮助设计人员或施工人员在设计或施工中及时检查门架式安全标志布置位置的合理性，并对不合理的布置提供改进思路，正如案例应用中所示，这将可有效提高施工场地内安全标志布置的准确性，并可在一定程度上减少事故的发生。