建筑物应急疏散标识在干扰情境中的大学生视觉行为研究*

廖慧敏，吴玉敏，师凤起

(中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410000)

0 引言

高校建筑作为大型公共建筑的典型，不仅需要满足大学生多样化的日常需求，更需要拥有1套合理的应急疏散系统,以降低灾害对大学生群体造成的不良影响。应急疏散标识是应急疏散系统的重要组成部分，其是对应急机制的补充[1]。目前，大学生群体不断壮大，高校建筑逐渐向多功能、复杂化方向发展，应急疏散标识所在环境越发繁杂。过多的干扰物如指示牌、装饰物、文明标语等，不可避免地会对大学生的应急疏散标识识别造成影响。因此，提高应急疏散标识在干扰情境中的识别高效性十分重要。

部分学者从应急疏散标识设计角度出发以提升标识的有效性。在标识本身方面，Kinateder等[2]认为绿色箭头类型的应急疏散标识有更好的逃生指向作用;Fu等[3]发现高位置应急疏散标识对逃生群体的路线选择有积极影响;马晓辉等[4]发现通道墙上的标识被感知率相对最高，出口标识被感知率相对最低，室内通道微观环境对标识注视视场影响显著;马明明等[5]利用虚拟眼动设备开展逃生试验，对某办公楼的疏散标识布局进行具体优化。在人与标识交互作用方面，张培红等[6]发现图形为主要设计元素的应急疏散标识是中青年群体的最优选择，且人员行为特点与疏散标识决策反应有相关性;廖慧敏等[7]发现个体在负向情绪影响下对应急疏散标识有更快的反应速度。

综上，鲜有学者从应急疏散标识所处背景环境中的干扰物出发,以提高干扰物与标识的差别性[8]，同时提升标识被识别速度。因此，本文引入尺寸、颜色、形状、位置4个参数设计干扰情境，采用眼动技术记录大学生在不同高校建筑干扰情境下搜寻应急疏散标识的视觉行为，利用方差分析和F-聚类分析方法对眼动指标进行量化研究，对标识所处情境中的干扰物设计提出建议。

1 试验

1.1 被试

招募中南大学学生志愿者61名，由于试验设计了颜色变量，为避免色觉异常者对试验结果的影响，先对招募人员进行色觉测试，测试图来自《色觉检查图》[9]。志愿者中有3名男生色觉测试为红绿色弱，符合试验要求的被试共58名(20.21岁±0.98岁，男生38名)。被试对应急疏散标识有一定了解，矫正视力或裸视力达1.0及以上，无色盲色弱，避免被试在知识水平、认知能力和视力范围等方面的差异对试验造成的影响。

1.2 设备及材料

试验在中南大学安全人机试验室中进行，温度20 ℃，湿度62%rh，照度148 Lx。眼动追踪设备采用Tobii Pro Nano型号眼动仪，其追踪速度为60 Hz，采样精度小于0.3°，准确度为0.10° RMS，丢失追踪补偿时间250 ms；试验材料呈现设备为联想K24e-10显示器，尺寸为23.8寸，分辨率为1 920×1 080；采用Tobii Pro Lab设计试验程序。

应急疏散标识采用常见的绿色指向性标识，图片来源于《安全标志及其使用导则》(GB 2894—2008)[10]。为探究干扰物与应急疏散标识在颜色、形状和尺寸上有无差异，被试视觉行为是否会被影响，干扰物采取2(颜色：绿色Green、红色Red)×3(形状：矩形rectangle、三角形triangle、圆形circular)×3(尺寸：与应急疏散标识相比较小smaller、相等identical、较大larger)的设计，共18种类型。应急疏散标识尺寸设计为1°视角，干扰物3种尺寸设计分别为0.5°、1°、2°视角。因人的视野范围为扁平形状，且在中央凹区、副中央凹区、边缘视野区的视觉行为特点不同[10]，本文仅研究颜色、形状、尺寸因素对搜索行为的影响，因此为避免位置因素的干扰，选取同心圆 1°、6°、10°与子午线8个方向的交点，同心圆16°与子午线45°、135°、225°、315°的交点，同心圆21°与子午线0°、180°的交点，共形成32个交点位置。18种干扰物中的随机1种填满32个位置，形成干扰界面，干扰界面持续1 500 ms。在干扰界面基础上，应急疏散标识随机出现在32个位置中其中1个位置，形成搜索界面。干扰界面有18种材料类型，每种类型对应32种搜索界面，搜索界面共有576种材料类型。干扰界面和搜索界面示例如图1所示。

图1 干扰界面及搜索界面Fig.1 Interference interface and search interface

1.3 流程

被试端坐在显示屏前，距离屏幕0.50 m，保持视线水平。向被试讲解试验流程，确保被试完全理解后对被试进行5点校准，平均误差小于0.25°视为校准成功[11]。校准成功后，被试按任意键进入练习试验，被试需要完成3组练习反应。被试首先将眼睛的视野中心对准屏幕中央的注视点，然后按键，干扰界面出现且持续1 500 ms；当再次出现与此干扰界面相匹配，即干扰物种类相同的搜索界面，此时被试需要进行视觉搜寻活动，搜寻到应急疏散标识位置后按键，回到注视点界面，此为1组反应，每组流程如图2所示。确认被试熟悉试验流程后进入正式试验，正式试验进行576组反应，每组材料随机出现，为避免疲劳，每进行96组休息30 s。

图2 试验流程示意Fig.2 Schematic diagram of experimental process

2 结果及分析

基于前人研究[12-13]，以下3种情况的眼动数据不符合要求：1)小于80 ms或大于1 200 ms的单个注视点。2)对应急疏散标识追踪失败的单张刺激材料。3)眼动轨迹混乱的单个被试的单个干扰情境。将上述3种情况下的眼动数据进行删除，删除数据占眼动总数据的8.91%。

将搜索界面呈现的所有刺激材料的应急疏散标识位置划为兴趣区。眼动指标选取如下[14-15]：1)反应时间(Duration of Interval,DI)即应急疏散标识搜寻活动从开始到结束的时长。2)首次进入兴趣区前用时(Time to First Fixation-AOI,TFF-A)即兴趣区首次出现注视点前花费的时间，时间越短说明该兴趣区能更快吸引视觉注意。3)兴趣区首个注视点持续时间(Duration of First Fixation-AOI,DFF-A)即兴趣区中首个注视点持续的时间，时间越长说明该兴趣区识别难度越大。4)扫视时间(Total Duration of Glances,TDG)即扫视时间之和，时间越长说明该材料中标识与干扰物差别越小。不同干扰情境的眼动指标结果见表1。

表1 不同干扰情境的眼动指标结果Table 1 Results of eye movement indexes in different interference situation ms

2.1 方差分析

1)方差分析结果

被试对绿色类型的DI显著高于红色类型，而对绿色类型的TFF-A、DFF-A、TDG均显著低于红色类型。被试对圆形类型的DI、DFF-A、TDG均显著低于矩形、三角形类型，而矩形和三角形类型之间在这4个指标上均无统计学意义，且在TFF-A指标上的形状主效应不显著。被试对较小类型的DI、DFF-A、TDG显著高于相等、较大类型，而对较大类型的TFF-A显著低于较小、相等类型。当在绿色条件下时，被试对圆形类型的DI、TDG显著低于矩形、三角形类型；当在红色条件下时，被试对较小类型的DI、TDG显著高于相等、较大类型；当在三角形条件下时，被试对较小类型的DI、DFF-A、TDG显著高于相等、较大类型。对于DI来说，红色矩形较小显著高于其他组合，绿色三角形较大显著低于其他组合。对于TDG来说，红色矩形较小显著高于其它组合，绿色矩形较大显著低于其它组合。具体方差分析结果见表2～5。

表2 反应时间(DI)方差分析结果Table 2 Results of variance analysis on Duration of Interval (DI)

表3 首次进入兴趣区前用时(TFF-A)方差分析结果Table 3 Results of variance analysis on Time to First Fixation-AOI (TFF-A)

表4 兴趣区首个注视点持续时间(DFF-A)方差分析结果Table 4 Results of variance analysis on Duration of First Fixation-AOI (DFF-A)

表5 扫视时间(TDG)方差分析结果Table 5 Results of variance analysis on Total Duration of Glances (TDG)

2)方差分析讨论

由表2～5可知，当应急疏散标识的颜色和干扰物的颜色相同时，即在难度系数高的干扰情境下，被试注意力高度集中，搜索效率提高，但在搜索到标识后需要更多的时间判断搜寻标识的正确性；当干扰物为圆形类型时，标识与干扰物间的差异最大，被试搜索效率最高、反应时间最短；当干扰物为较小类型时，被试搜索标识所需做出的努力最多，而为较大类型时，所需做出的努力最少；绿色圆形类型的干扰物相较于绿色矩形、绿色三角形更易使被试搜索到应急疏散标识，前期搜索标识花费的时间最短；红色较小类型的干扰物相较于红色相等、红色较大更易干扰被试，使被试前期搜索标识花费的时间最高；三角形较小类型的干扰物相较于三角形相等、三角形较大均使被试前期花费的时间和后期判断所做的努力最多。

当因素变多时，因素之间的相互关系情况也变得复杂。为找出对应急疏散标识影响最小的颜色、形状、尺寸组合的干扰情境，引入F-聚类分析[16]。

2.2 F-聚类分析

1)干扰情境的F-聚类

设干扰情境为被分类对象全体U={u1,u2,…,un}，表1编号顺序对应u1～un。DI、TFF-A、DFF-A、TDG为特征，每一组对象ui的特征由1组数据(xi1,xi2,…,xim)表征，即xik为描述对象ui第k个特征的数据(k=1,2,…,m)，其中m=4,n=18。

对特征数据进行归一化处理，使序列x1,x2,x3,x4变换得到新序列y1,y2,y3,y4，如式(1)所示：

(1)

对数据进行标定，建立U上的相似关系R，在有限论域下R可表示为模糊相似矩阵R=(rij)n×n，其中ui和uj的相似度为rij，0≤rij≤1(i,j=1,2,…,n)。如式(2)所示：

(2)

采用平方法对相似矩阵R求传递闭包t(R):R→R2→R4→…→R2k，R2k=Rk=t(R)。

利用模糊矩阵的截矩阵公式得到不同λ时的不同分类情况，λ由1～0，如式(3)所示：

(3)

由式(1)～(3)得到干扰情境的动态模糊聚类图，如图3所示。

图3 模糊聚类图Fig.3 Fuzzy clustering graph

2)F-统计量确定最佳分类

F-统计量计算公式如式(4)所示：

(4)

F-统计量、临界值和相对差值见表6。表6计算结果表示，在0.962的水平上，将18个干扰情境分为4类为最佳分类。聚类类别的眼动指标越低，说明干扰物对标识的影响越小，应急疏散标识的有效性越强。因此，按照应急疏散标识有效性从强到弱对干扰情境种类进行排序：{u3,u6,u8,u9,u12,u15,u18}>{u2,u5,u7,u11,u14,u17}>{u1}>{u4,u10,u13,u16}。

表6 F-统计量、临界值和相对差值Table 6 F-statistics,critical value and relative difference

3)F-聚类分析的讨论

从动态聚类整个过程来看，干扰情境分类数量在尺寸因素的主导下逐渐减少，最后汇聚成1类。

最佳分类中，u3、u6、u9、u12、u15、u18的干扰物均为较大尺寸；u2、u5、u11、u14、u17的干扰物均为相等尺寸；u4、u10、u13、u16的干扰物均为较小尺寸。由此可见，与颜色、形状相比，尺寸因素是影响应急疏散标识有效性强弱的关键。18种干扰情境被分为4类，对应急疏散标识干扰性最低的干扰情境有7种，干扰性最高的干扰情境有4种。

3 应急疏散标识干扰情境的设计示例

在实际情况中，高校建筑物内部的每一处场景中除有保证安全的元素，还会出现满足大学生日常学习和生活的其他元素，如装饰元素、说明元素、提示元素等，该元素和安全元素同时出现在1个场景中，构成应急疏散标识干扰情境。现选取中南大学某场所中2处典型场景楼梯间以及走廊的紧急出口前。在楼梯间，除应急疏散标识外，背景墙面还会出现提示，如所在楼层号码、所在楼层工作内容、宣传海报、广告等；在走廊的紧急出口前，除应急疏散标识外，走廊墙面还会出现文明标语，如“请说普通话”“禁止吸烟”“悄声慢步”等。为将干扰物对标识识别的干扰影响降至最低，可按照上文最佳分类中干扰性最低的7种干扰物类型设计这2处场景的应急疏散标识干扰情境，提高应急疏散标识的有效性。对这2处典型干扰情境，在此仅分别挑选3种干扰物设计和2种其他元素(所在楼层号码、“请说普通话”)进行展示，如图4所示。

图4 中南大学某场所典型情境的干扰物设计Fig.4 Design of interference objects in typical situation at a place of Central South University

4 结论

1)只考虑单因素时，应急疏散标识周围的干扰物设计为绿色、圆形、较大类型是最好的。

2)应急疏散标识周围的干扰物在设计时，如果同时考虑颜色、形状2个因素，绿色圆形类型最好；如果同时考虑形状、尺寸2个因素时，避免三角形较小类型；如果同时考虑颜色、尺寸2个因素时，避免红色较小类型。

3)同时考虑颜色、形状、尺寸3个因素时，在设计应急疏散标识周围干扰物时，首选绿色矩形较大、绿色三角形较大、绿色圆形相等、绿色圆形较大、红色矩形较大、红色三角形较大、红色圆形较大的组合类型，尽量避开绿色三角形较小、红色矩形较小、红色三角形较小、红色圆形较小的组合类型。

4)对中南大学某场所的2处应急疏散标识干扰情境出现的干扰物进行设计，可以增加标识的显著性，提高大学生对标识的识别效率。在实际情况中，可以在这7种较优组合设计中挑选最符合建筑装饰风格的1种或多种搭配进行应用。