探討基于人因工程學(xué)的智能盲道輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王宇龍 黃正煒 馮太杰 嚴(yán)賢釗

摘 要：當(dāng)代中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，越來(lái)越多的人喜歡出門旅行。但是美麗的景色對(duì)于一些殘障人士而言卻不那么美麗，因?yàn)樗麄兊某鲂羞€存在許多障礙和隱患，尤其是視力障礙人群，他們出行要靠盲道指引。我們?cè)诔鞘薪ㄔO(shè)以及景觀設(shè)計(jì)中可以利用先進(jìn)科技，比如互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)來(lái)為他們提供便利。

關(guān)鍵詞：人因工程學(xué);無(wú)障礙設(shè)計(jì);盲道設(shè)計(jì);物聯(lián)網(wǎng)

盲道屬于無(wú)障礙設(shè)計(jì)中的重要部分[1]，中國(guó)基本上每條市政道路兩側(cè)都設(shè)置有盲道。盲道為視力障礙人群的出行提供了引導(dǎo)和便利，但是傳統(tǒng)的盲道設(shè)計(jì)具有眾多缺點(diǎn)，比如指向性不明，形狀過(guò)于單一，過(guò)于曲折等，盲道被占用、截?cái)?、破壞的情況常常發(fā)生，對(duì)盲人出行造成了極大的隱患。

針對(duì)以上問(wèn)題，并基于現(xiàn)在智能化、物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的趨勢(shì)，設(shè)計(jì)時(shí)考慮到將智能導(dǎo)盲杖以及智能金屬盲道利用物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一起來(lái)，作為城市智能交通系統(tǒng)的一部分：將使用者和智能導(dǎo)盲杖作為一個(gè)點(diǎn)，智能盲道作為線，城市智能交通信息系統(tǒng)作為面。如此可以迅速精準(zhǔn)定位使用者，結(jié)合城市智能交通系統(tǒng)為視力障礙人群提供信息預(yù)警和救援幫助，讓盲道輔助系統(tǒng)更加安全、智能化、人性化，從而降低使用者的安全事故發(fā)生的概率，為其提供一個(gè)良好、友善的生活出行的城市交通環(huán)境。

一、傳統(tǒng)盲人輔助工具的分析

傳統(tǒng)的拐杖大多用自然材質(zhì)比如竹、木制成，符合傳統(tǒng)的人因工程學(xué)造型，材質(zhì)堅(jiān)硬但比較溫暖，適合行動(dòng)不便人群使用。但是其缺點(diǎn)眾多，比如功能單一，只能通過(guò)聲音與觸覺(jué)感知地面;感知范圍小，盲人只能辨別拐杖所觸碰的地方，不能識(shí)別周圍環(huán)境以及引導(dǎo)使用者及時(shí)作出反饋。在傳統(tǒng)導(dǎo)盲杖使用時(shí)盲人也會(huì)失去方向感，不知道自己所處位置與目的地信息。

傳統(tǒng)的盲道也大多數(shù)用水泥、混凝土、磚石鋪成，少量用金屬材質(zhì)。而這些盲道具有易損壞、不易打掃等缺陷。最重要的是其形狀單一，用以鋪設(shè)的盲道磚皆為長(zhǎng)方體，鋪出的盲道都是直來(lái)直去，對(duì)于場(chǎng)地變化適應(yīng)率極低，非常干擾阻礙盲人通行。且其易被侵占，致使盲人無(wú)法通行，甚至危害盲人生命安全[2]。

二、輔助系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

（一）輔助系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)有盲道使用狀況分析，決定在盲道本體上加以改進(jìn)。首先將傳統(tǒng)的盲道替換為新型具有防滑功能的不銹鋼盲道模塊，并且從監(jiān)控系統(tǒng)的視覺(jué)、觸覺(jué)傳感器感知道路信息，通過(guò)電子智能導(dǎo)盲杖進(jìn)行信息收集處理，再通過(guò)導(dǎo)盲杖的聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)傳感器將信息反饋給使用者。其主要功能有：

1.實(shí)時(shí)收集盲道路面以及監(jiān)控盲道兩側(cè)的道路信息。

2.判別并計(jì)算障礙物與盲人的方位與距離。

3.通過(guò)智能導(dǎo)盲杖將信息傳遞給使用者。

4.實(shí)時(shí)檢測(cè)盲道路面信息并反饋。

（二）系統(tǒng)組件功能設(shè)計(jì)

當(dāng)障礙物進(jìn)入輔助系統(tǒng)監(jiān)控區(qū)域時(shí)，會(huì)同時(shí)觸動(dòng)智能盲道和道路交通系統(tǒng)兩個(gè)大的系統(tǒng)模塊。兩個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)識(shí)別與信息收集，處理確認(rèn)障礙物的方位、距離、速度、前進(jìn)路徑、形狀等信息，再通過(guò)金屬盲道的接觸式電路或者無(wú)線電波傳輸?shù)绞褂谜叩闹悄軐?dǎo)盲杖中，智能導(dǎo)盲杖再將信息通過(guò)聽(tīng)覺(jué)以及觸覺(jué)傳感器傳遞給使用者。

1.金屬智能盲道：通過(guò)上層金屬板電波異常的位置信息以及壓力傳感器得出障礙物的位置、體型等信息，利用下層電路板發(fā)出電信號(hào)。

2.道路監(jiān)控系統(tǒng)：判別并計(jì)算障礙物與盲人的方位與距離，相遇幾率與速度，并采取相應(yīng)措施比如發(fā)出預(yù)警，通知相關(guān)人員[3]。

3.智能導(dǎo)盲杖：通過(guò)底端電子傳感器接收金屬智能盲道的信息，以及其他設(shè)備的無(wú)線信息，并將信息整理通過(guò)傳感器傳遞給使用者[4] 。

4.盲道自檢系統(tǒng)：實(shí)時(shí)檢測(cè)盲道路面信息以及反饋。

三、輔助系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）金屬智能盲道設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的盲道只有長(zhǎng)方體一種形態(tài)，兩種紋樣，在引導(dǎo)上單調(diào)，指向性不強(qiáng)。而且正方體在實(shí)際道路鋪設(shè)中對(duì)于路面要求高，對(duì)于多變地形適應(yīng)力極差，尤其轉(zhuǎn)角處，碰上固定障礙物必須轉(zhuǎn)數(shù)個(gè)彎，既不美觀，又不節(jié)約材料，更不利于盲人行走，容易與固定障礙物、行人、車輛發(fā)生碰撞。所以在盲道面板選材上采用防滑金屬材質(zhì)。

首先金屬有良好的塑形能力以及抗壓力強(qiáng)，非常適合做造型多樣的盲道的面板，可以根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行批量生產(chǎn)，鋪設(shè)。其次金屬具有易清洗、不易損壞、使用時(shí)間長(zhǎng)、容易識(shí)別等優(yōu)點(diǎn)。但是金屬材質(zhì)較為光滑，需要在金屬盲文上做額外防滑紋樣以及其他防滑處理。

采用不銹鋼材質(zhì)符合盲道建材規(guī)定。在住建部發(fā)布的《無(wú)障礙建設(shè)指南》（GB 50763-2012）中，防滑不銹鋼是符合盲道鋪設(shè)條件的建設(shè)材料。方形單體磚形狀，與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的盲道磚尺寸規(guī)格一致。對(duì)于拐角處采用圓弧的盲道，可以根據(jù)實(shí)際道路信息、轉(zhuǎn)角角度制定盲道磚的規(guī)格，從而打破一般盲道的局限性。

金屬面板下方設(shè)置集成電路板，上面安裝壓力傳感器、電流傳感器、電信號(hào)接收器等功能模塊。當(dāng)有障礙物或者人行走的時(shí)候，施加壓力，改變電路板的電流從而測(cè)出障礙物的尺寸、體重、位置等信息。電路板將原始的電流信息傳遞到信息處理系統(tǒng)。并且當(dāng)智能導(dǎo)盲杖的金屬底端觸碰到金屬面板時(shí)候，盲道電路板受到導(dǎo)盲杖的鏈接信號(hào)電波激發(fā)會(huì)互相傳遞道路信息，從而可以利用盲道急速傳輸信息，實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)精細(xì)的道路坐標(biāo)定位，做到及時(shí)、快速、高效地反饋使用者位置等信息。比如在盲人偏離盲道時(shí)發(fā)出警戒信息，以及在使用者有危險(xiǎn)或者異常情況下時(shí)也可以迅速發(fā)出有效求救信號(hào)。

（二）智能導(dǎo)盲杖功能設(shè)計(jì)

導(dǎo)盲杖采用一些符合人體工程學(xué)的人體使用尺寸，以便使用者使用時(shí)更加舒適，契合。

比如，導(dǎo)盲杖的高度制定時(shí)，首先參考人的一般坐姿以及站姿人體尺寸。男性坐姿肘高一般為586mm～775mm之間，女性一般在532mm～716mm之間;男性站姿手功能高度為656mm～828mm之間，女性一般在630mm～778mm之間[5]。而導(dǎo)盲杖使用時(shí)一般兩種姿勢(shì)兼具，既要保證使用者行走時(shí)導(dǎo)盲杖起到自然支撐、探測(cè)道路信息的作用，又要保證在坐立時(shí)舒適的把握與起身時(shí)的支撐功能。根據(jù)以上人體尺寸分析，拐杖整體高度就制定在750mm左右。

其次，把手處采用貼合手掌把握的突出曲線。因?yàn)槿宋掌交臇|西時(shí)手心和物體還有一段弧形空隙，人的手心長(zhǎng)度約為117mm，手握姿勢(shì)時(shí)手心與平面的夾角大約在12°。根據(jù)以上人手把握姿勢(shì)的數(shù)據(jù)，將手把設(shè)計(jì)成比手心略長(zhǎng)的流線型。

現(xiàn)研發(fā)的導(dǎo)盲杖種類繁多，功能各異，但是與金屬盲道無(wú)法形成有效互動(dòng)，大都是在城市交通系統(tǒng)里處于一種孤立的存在：有的不能實(shí)時(shí)更新宏觀信息，比如城市上實(shí)時(shí)的道路交通狀況、路面維修情況等;有的雖然具有紅外線，有較強(qiáng)的偵測(cè)環(huán)境的功能，但是使用比較局限，不能判斷轉(zhuǎn)角或者較遠(yuǎn)處的路況。針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)時(shí)將智能導(dǎo)盲杖設(shè)計(jì)成為整個(gè)城市交通信息系統(tǒng)的一部分，將使用者和智能導(dǎo)盲杖作為一個(gè)點(diǎn)，智能盲道作為線，城市智能交通信息系統(tǒng)作為面，如此便將使用者的信息迅速精準(zhǔn)定位，為視力障礙人群提供信息預(yù)警和救援幫助。

智能導(dǎo)盲杖內(nèi)置語(yǔ)音助手以及震動(dòng)模式。當(dāng)有路況時(shí)，智能導(dǎo)盲杖接收城市信息通過(guò)語(yǔ)音助手通過(guò)使用者的聽(tīng)覺(jué)傳遞給使用者。當(dāng)有前方有緊急情況時(shí)，則語(yǔ)音助手播報(bào)并且開(kāi)啟震動(dòng)模式警戒使用者，而且振動(dòng)模式可以在使用者找不到導(dǎo)盲杖時(shí)提供聲源與震動(dòng)感，便于快速找到導(dǎo)盲杖。當(dāng)使用者遇險(xiǎn)時(shí)導(dǎo)盲杖可以檢測(cè)是否脫離盲道，從而向城市交通系統(tǒng)發(fā)出求救信號(hào)。而其它社會(huì)服務(wù)機(jī)構(gòu)，比如交通系統(tǒng)、醫(yī)療系統(tǒng)、社會(huì)服務(wù)志愿者等接收到求救信號(hào)后，可以根據(jù)信號(hào)具體信息為遇險(xiǎn)的使用者提供救援與幫助，最大程度地幫助遇險(xiǎn)者提供安全保護(hù)。整個(gè)系統(tǒng)為使用者提供一個(gè)事前、事發(fā)、事后的人身保護(hù)。

四、結(jié)語(yǔ)

人因工程學(xué)作為一門新興學(xué)科，涉及生理學(xué)、心理學(xué)、工程學(xué)等學(xué)科，看起來(lái)離我們很遠(yuǎn)，其實(shí)就在我們生活的方方面面中。不斷研究與探析人因工程學(xué)會(huì)為我們的生活帶來(lái)更好的改變。

此次設(shè)計(jì)就是探究如何利用人因工程學(xué)來(lái)為視力障礙人群，主要是盲人提供更好、更人性化的設(shè)計(jì)。研究方向也是偏向于中國(guó)航空航天率先提出的人—機(jī)器—環(huán)境系統(tǒng)的人因工程學(xué)[5]。

在設(shè)計(jì)分析時(shí)，考慮到盲人由于自身的特殊性，無(wú)法依靠自身對(duì)外界一些信息作出快速有效的反應(yīng)，出行時(shí)有很大的安全隱患，要求設(shè)計(jì)師不光要考慮盲人與導(dǎo)盲杖的關(guān)系，還要考慮到導(dǎo)盲杖與周圍環(huán)境的關(guān)系，甚至與整個(gè)城市的關(guān)系。所以在此次設(shè)計(jì)中對(duì)于盲人、輔助機(jī)器、環(huán)境三者之間的關(guān)系進(jìn)行探究。

傳統(tǒng)方式無(wú)法將盲人和城市交通無(wú)法直接連接起來(lái)，但是本文提出的方式可以通過(guò)導(dǎo)盲杖將盲人與盲道連接起來(lái)，再通過(guò)盲道與城市智能交通信息系統(tǒng)連接，做到了盲人與城市的“對(duì)話”。而基于這種“對(duì)話”就可以為視力障礙人群構(gòu)筑一道由前期預(yù)防、提前規(guī)避、遇險(xiǎn)救援組成的，利用時(shí)間與空間的三重人身安全保護(hù)體系。

參考文獻(xiàn)

[1]馬力，張金朝.寧波市城市公共空間無(wú)障礙設(shè)施的現(xiàn)狀調(diào)查與研究[J].寧波工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，（3）：47-51.

[2]戴先任.盲人難行暴露公共服務(wù)短板[N].健康報(bào)，2018-10-16（002）.

[3]姚麗，武慧榮，盧俊，等.智能導(dǎo)盲輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].山西建筑，2018，（14）：254-255.

[4]新華社新媒體.中國(guó)大學(xué)生研發(fā)“智能導(dǎo)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.人體工程學(xué)與環(huán)境行為學(xué)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006：27-33.

作者單位：

湖南工業(yè)大學(xué)包裝設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院