基于眼动追踪技术的施工现场安全标志有效性研究

林文涛，刘玮琳

(青岛理工大学 管理工程学院,山东 青岛 266520)

0 引言

随着改革开放以来中国建筑业的粗放发展，建筑业不断庞大的同时，安全问题也日益凸显。据中华人民共和国住房和城乡建设部[1](下文称住建部)对2017年、2018年和2019年的数据统计，全国发生房屋市政工程生产安全事故呈现逐年增长态势。人的不安全行为是事故发生的主要原因[2]。Haslam等[3]曾对100起建筑安全事故进行研究，发现高达49例安全事故是由工人的不安全行为造成的，因此，提升人的安全意识尤为重要。安全标志是向作业人员传递工作场所或周围环境危险状况的工具，是施工现场提高人员安全意识的重要途径，而安全标志的有效性却难以保证，对此Hare等[4]等人对115个安全标志进行了检测，结果发现有25个安全标志的率低于美国工业安全协会 (American Society for Industrial Security,ASIS)规定的85%理解标准。为了探究安全标志对人的作用机理，在影响建筑安全标志发挥作用的影响因素上，许多国内外学者进行了研究。如Chen等[5]认为安全标志的设计应包含五个主要因素，位置、尺寸、安全色、对比度和样式，研究发现，红色和图画内容可以让用户更快地识别安全标志。Michael等[6]认为影响图标发挥作用的三个主要因素是图标的颜色，摆放的位置和图标的形状，通过实验表明向下的三角形会更适合作为图标的形状。Curt等[7]通过对安全标语的分级排序研究，发现高危险词汇更容易引起用户的注意。再次，为了更好地了解人们对于安全标志的理解程度，国内外许多学者将各类设备及思想融入研究之中，并取得了很好的研究效果。Mei等[8]利用建筑物的BIM模型自动确定“安全出口”标志的方向，为开发智能动态出口提供了研究基础。Annie等[9]对23名香港地区工人进行了可理解性实验，发现安全标志的内容与实际的贴合程度会正面影响使用者的理解程度。对于安全标志的理解性测试，Duarte等[10]对成年就业者、学生和脑瘫患者分别进行了可理解性实验，结果表明三组成员对于安全标志的理解程度无显著差异且对绝大多数的安全标志的理解都达不到 国际标准化组织(International organization for Standar-dization，ISO)可理解性标准。

安全标志主要作用是传递视觉信息，而基于人因工程学的眼动实验是研究用户对外界刺激作出规律性反应的不二利器。相比受限于用户个人理解水平的访谈问卷等形式，眼动数据客观真实的反映用户心理状态，大概率避免了其主观情绪对研究的影响[11]。20世纪80年代国内对于眼动追踪技术展开研究，特别从2007年到2015年论文发表数量才有整体大幅度增长[12]。目前眼动追踪技术的应用领域主要以学生为主体的教育、广告设计等消费领域为主[13]。虽然在建筑业的研究仅次于美国，位居世界第二，但是相较于其他行业，在建筑业的应用极少[14]。

综合前人的研究成果，安全标志可以作为性价比较高的建筑施工安全管理手段，但由于参与施工的人员众多，文化背景差异大，加之施工现场环境复杂等因素的综合影响，现有的安全标志设计形式还存在着相当大的理解偏差问题。前人研究多集中于安全标志的对比度、位置、尺寸和样式等，但是对于安全标志的内容模糊程度和文字辅助的作用研究甚少，安全标志的内容是所传递信息的最直观表达，其模糊程度会对观察者理解标志传达的信息产生很大的影响。文字和图像是传递信息的两种方式，由于各国语言差异，文字被用作辅助安全标志进行信息传递，辅助作用的强弱有待考究。故将图标模糊度和文字辅助两因素作为研究重点，借此研究安全标志的有效性，优化建筑施工安全标志，提高标志的信息传递效率，加强工人安全意识。

1 研究方法

1.1 实验设计

本文采用双因素被试内重复实验设计，实验分“理解实验”和“习惯实验”两部分。“理解实验”即为探究观察者正确理解安全标志所进行的眼动实验。“习惯实验”是指探究观察者观察安全标志时的视觉规律，提出安全标志的优化重点。实验自变量水平为2×2，即：“模糊度”(清晰，模糊)ד文字辅助”(有文字辅助，无文字辅助)，因变量为表征观察者认知努力程度的眼动指标，如眼跳次数，注视点个数，注视时间等。

1.2 实验设备

实验设备为RED型桌面遥测式眼动追踪系统(SMI公司)。采样频率为500 Hz，跟踪分辨率为0.03°。硬件包括DELL M4800型工作站，DELL 22英寸P2213型图像显示器，及红外追踪组件。

1.3 实验被试

实验被试来源于青岛理工大学管理工程学院研究生、本科生及教师共计36人，比例为13∶4∶1。男女比例17：19。所有被试双眼矫正视力正常，非色弱、色盲等眼疾患者。

1.4 实验材料

理解实验的实验刺激见表1，习惯实验的实验刺激在表1的基础上加以文字辅助。实验所需刺激统一采用白色标志底色，统一尺寸。标志形状与颜色符合安全标志国家标准的要求。

《安全标志及其使用导则》中对于安全标志给予了明确的定义：“用以表达特定安全信息的标志，由图形符号、安全色、几何形状或文字构成[15]。”其中安全色分为四类，即红、黄、蓝和绿，这四类安全色分别对应禁止标志、警告标志、指令标志和提示标志。据住建部于2017、2018和2019年发布的“房屋市政工程生产安全事故情况通报”的结果显示，事故发生率排名前三的安全事故种类分别是高处坠落事故、物体打击事故和坍塌事故，而且这三类事故发生率总和高达75%左右。基于此，本文的实验变量覆盖了四类安全色，并在《安全标志及其使用导则》中选择了适用于上述三类施工现场安全事故的八个安全标志为实验刺激，序号Q1-Q4为模糊度低的实验刺激，序号M1-M4为模糊度较高的实验刺激。

表1 眼动实验刺激统计表

2 分析结果

2.1 注视时间、注视点个数

注视时间，指观察者阅读时目光在某一刺激上停留的时间，受材料难度、个体视知觉广度和知识经验的影响。对于注视时间：模糊度和有无文字辅助交互作用显著[F=0.311,P<0.001 ，η2=0.362]。对于注视点个数：模糊度和有无文字辅助交互作用显著[F=13.22,P<0.001，η2=0.292]，故进一步进行简单效应分析。注视时间(A)与注视点个数(B)的成对比较结果见表2和表3。

从表2可以看出：干预组有无文字辅助对照组模糊度均有显著影响作用，且模糊度不同时，平均注视时间和注视点个数组内均有显著性差异。由此可见，模糊度实验变量选择有效。另外，A、B的标准误差较小，证明数据集中在平均值附近，各组平均值差值数据有效。有文字辅助的情况下，模糊度低对比模糊度高的图标，被试识别时间缩短了568 ms，而在无文字辅助的情况下该值为2540 ms，由此可得两个结论：(1)被试理解模糊度较低的安全标识效率更高。(2)文字辅助可以缩小由模糊度引起的安全标志认知差异。

表3显示：在模糊度作为干预组，有无文字辅助作为对照组的情况下，干预组对对照组有显著的影响作用。在平均注视时间上具体表现为：同为清晰的安全标志，在有文字辅助的作用下可缩短1474 ms的平均注视时间，模糊的安全标志此值为3419 ms。在注视点个数上具体表现为：同为清晰的安全标志，在有文字辅助的作用下可减少5.1个注视点，模糊的安全标志此值为10.4个。由此可得结论：清晰的安全标志可以显著缩短工人的认知时间，减少工人的认知努力水平，提高认知效率。

表2 模糊度水平上的文字辅助因素多重比较分析结果

表3 文字辅助水平上的模糊度因素多重比较分析结果

2.2 图标理解率

“理解实验”最主要的目的就是确认现有图标设计的合理性，本实验以ISO 9186 1：2014规定的图标理解率为评分标准，邀请三位专家对被试的回答进行评分。

实验刺激M1-M4的被试综合理解率低于ISO标准所规定的75%标准，而观察者对Q1-Q4的实验刺激理解率整体合格。工人对于模糊度较高的安全标志的学习和认识不足，急需加强安全教育。另外，依照安全标志类别顺序进行理解率排序，模糊度低的图标与模糊度高的图标并不一致，说明安全标志的类别对工人的理解率不产生实质影响作用。

2.3 首次注视区域、眼跳次数

实验中实验刺激可细分为两个区域，即图像区域和文字区域。首次注视区域代表用户首次关注的实验刺激的某个区域情况该指标可表征用户对文字和图像的感兴趣情况。眼跳次数表示注视点由某一区域切换到另一区域的次数，可表示被试识别安全标志的认知努力程度，间接反映图标设计的难易程度。对于首次注视区域：首次注视区域为图的次数和首次注视区域为字的次数的平均值和标准差分别为6.7和1.66、1.3和1.66，说明被试对于文字和图像的选择性关注有显著差异[F=82.9,P=0.000]。对于眼跳次数：被试对于模糊度低与模糊度高的两类刺激的眼跳次数有显著差异[F=12.12，P=0.002，η2=8.17]，模糊度高的眼跳次数比模糊度低的均值多0.7次。

图1 首次注视区域分布图

从图1也可以明显看出，首次注视区域为图像的次数要远超首次注视区域为文字，具体每类标志平均高出5.4次。初次观察刺激时，图像对被试的吸引力要高于文字。

3 讨论

安全标志有指导工人行为的作用，其设计的合理性很大程度上影响了其作用的发挥。安全标志通过标志的设计传递信息，而人眼是获取外界信息的重要途径，故本文通过眼动实验探究现有安全标志的设计合理性，通过眼动实验获得的客观数据表征安全标志的有效性。

施工现场安全标志的模糊程度对观察者的认知行为有显著的影响，观察者正确理解模糊度较高的安全标志要花费更多的兴趣和努力。在“理解实验”中，从平均注视时间、注视点个数的分析结果可知，观察者要想正确理解模糊程度较高的安全标志，就要花费比模糊程度低的实验刺激更多的注意力和时间。带有文字辅助的实验刺激可以被更快更准确地理解。通过图标理解率的实验结果可推知，目前工人对施工现场部分安全标志的理解情况达不到ISO标准的规定，这点与R.A.Haslam的研究结果吻合，故关于安全标志的教育、引导工作亟须进行，提高工人的安全意识才能有效地预防施工现场安全事故的发生。

在“习惯实验”的实验结果可以得知，图像相比文字更容易吸引观察者的注意，所以正确、合理的图像设计可以大幅提升工人的理解效率，从而较早地发现危险的存在，有更多的时间避免或纠正不安全的行为。

4 结论

(1) 标志模糊度与观察者正确识别时间成正比关系，为了降低施工现场安全标志的模糊性，应增加图标出现的频次，并定期组织工人学习相关知识。

(2) 图像相比于文字更容易吸引观察者的注意，简明的图案设计可提升安全标志信息传递的有效性。

(3) 工人对于施工现场的部分重要标志的理解率低于ISO标准，应大力培训、教育以建立其安全知识体系。

(4) 文字辅助有助于缩小由模糊度引起的安全标志认知差异、减少工人付出的认知努力。