基于尋路實(shí)驗(yàn)的照明節(jié)能潛力
——高大候機(jī)廳人工光環(huán)境的視覺功效與舒適性研究

劉艷雯，張 昕，趙起超，郝心怡，洪莉淑

(1.清華大學(xué)建筑學(xué)院，北京 100084；2.北京津發(fā)科技股份有限公司，北京 100085)

引言

機(jī)場(chǎng)候機(jī)廳的光環(huán)境需要保證乘客輕松地空間定位、尋路與交流，以及特定位置的閱讀(紙媒和電子媒體)[1]，為乘客創(chuàng)造舒適視覺環(huán)境。Hughes等[2]在對(duì)同一個(gè)大型火車站的三次現(xiàn)場(chǎng)考察中發(fā)現(xiàn)，光的心理/行為效應(yīng)影響乘客的流動(dòng)和潮汐性擁擠，改善候機(jī)空間舒適性。

此前研究表明，對(duì)于通行行為，照度標(biāo)準(zhǔn)過高或過低均不利。Pedersen和Johansson[3]在實(shí)驗(yàn)室中研究了降低照明水平對(duì)行走速度的影響，發(fā)現(xiàn)被試在昏暗(最大照度200 lx的60%、40%和20%)的照明下行走速度明顯較慢，且當(dāng)照度水平恢復(fù)到100%后這種影響仍然存在。但是，Donker等[4]發(fā)現(xiàn)黑暗的路徑導(dǎo)致更快的行走速度，這可能是因?yàn)閭€(gè)人安全感的降低。此外，與較高照度相比，較低照度下乘客更傾向于處于尋找與辨識(shí)的情緒中。照明強(qiáng)度還會(huì)影響路線選擇，McCloughan[5]、Marcelo[6]、Elisngela等[7]發(fā)現(xiàn)，在緊急疏散場(chǎng)景、酒店、機(jī)場(chǎng)航站樓的環(huán)境中，被試通常選擇更亮更寬的走廊。

我國機(jī)場(chǎng)候機(jī)廳的特點(diǎn)是空間高大，但高大交通空間光環(huán)境的心理/行為效應(yīng)和生理效應(yīng)，存在諸多研究空白。目前我國國標(biāo)GB 50034—2013的地面照度標(biāo)準(zhǔn)為200 lx[8]，黃星月等[9]對(duì)四個(gè)航站樓的實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，三個(gè)航站樓的部分大廳沒有達(dá)到200lx；高大空間較高時(shí)，如果采用反射照明，達(dá)到200 lx較為困難。根據(jù)E=I/r2的基本計(jì)算公式，燈具到達(dá)地面的光通量與空間高度的平方成反比，即高大候機(jī)空間的照明達(dá)標(biāo)意味著巨大的能源消耗。該指標(biāo)的合理性研究對(duì)于節(jié)能減碳具有重要意義。

本研究的被試在真實(shí)機(jī)場(chǎng)航站樓中完成尋路實(shí)驗(yàn)，通過改變機(jī)場(chǎng)照明方案，在尋路實(shí)驗(yàn)的過程中收集被試的主觀感受、生理數(shù)據(jù)、眼動(dòng)數(shù)據(jù)，分析視覺功效和舒適性指標(biāo)，量化照度和照明方式對(duì)使用者的影響。

基于渲染圖像、虛擬現(xiàn)實(shí)、真實(shí)環(huán)境的不同人因環(huán)境，實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差較大。本團(tuán)隊(duì)[10]曾在對(duì)機(jī)場(chǎng)航站樓使用者的照明偏好的研究中，基于光環(huán)境渲染圖像，發(fā)現(xiàn)乘客偏愛高照度、大凈高的空間圖像，對(duì)亮度比(照明方式)沒有明顯的偏好性。但在虛擬現(xiàn)實(shí)中[11]，被試認(rèn)為低空間中(3.5 m)，明亮度和光分布均勻度最好。顯而易見，相比渲染圖像、虛擬現(xiàn)實(shí)，基于真實(shí)環(huán)境的研究將得出更具實(shí)踐指導(dǎo)意義的結(jié)論。

1 研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

研究選址為煙臺(tái)蓬萊國際機(jī)場(chǎng)航站樓。出發(fā)層最大凈高11.67 m，最小凈高8.45 m，天花呈平緩坡度變化，包括值機(jī)大廳、安檢區(qū)、商業(yè)區(qū)、候機(jī)區(qū)和通行空間，候機(jī)空間呈“一”字型，無岔路口(圖1)。

圖1 煙臺(tái)機(jī)場(chǎng)出發(fā)層平面圖Fig.1 Departure floor plan of Yantai airport

該侯機(jī)廳采用Philips LED智能照明系統(tǒng)，天花安裝線形下照投光燈，兩個(gè)回路可控；立柱安裝上照投光燈提供氛圍照明，天花與幕墻立桿安裝有側(cè)投光燈。處于節(jié)能考慮，立柱和幕墻上側(cè)投光燈只在大型活動(dòng)時(shí)開啟。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要和現(xiàn)場(chǎng)回路條件，組織三種照明模式用于實(shí)驗(yàn)，分別記作A組、B組和C組，三種照明模式的實(shí)景照片如表1所示。

表1 三種照明模式

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

尋路實(shí)驗(yàn)的路徑選擇遵循與實(shí)際情況一致、有一定難度、可復(fù)制、與自變量無關(guān)的原則，保證被試關(guān)注到路徑上所有關(guān)鍵指示牌和目的地，路徑選擇為從安檢區(qū)出來走到某一個(gè)常見目的地，包括某一候機(jī)區(qū)、其它功能區(qū)(如廁所、飲水機(jī)、高級(jí)候機(jī)室、吸煙室、母嬰室等)、商業(yè)店鋪等。因所有標(biāo)志牌上均指示xx號(hào)候機(jī)區(qū)的位置，因此關(guān)注到第一個(gè)標(biāo)志牌就基本鎖定候機(jī)區(qū)的位置了，且沒有岔路口，尋址難度較小。商業(yè)店鋪未采用指示牌的方式指示位置，不宜作為尋址對(duì)象。該層內(nèi)的功能空間中的廁所、無障礙廁所、母嬰室、飲水區(qū)和ATM機(jī)有多處，醫(yī)療救助在安檢區(qū)正對(duì)位置，尋址難度小。經(jīng)過綜合考慮，選擇吸煙室作為尋路對(duì)象，尋路過程中看到的標(biāo)志牌如圖2所示。

圖2 尋路實(shí)驗(yàn)路過的標(biāo)識(shí)牌Fig.2 Signboard passing by in road-finding experiment

實(shí)驗(yàn)操作流程如下：

1)給被試佩戴皮電、心率和眼動(dòng)儀，被試填寫實(shí)驗(yàn)前的狀態(tài)焦慮量表；

2)被試自行在候機(jī)區(qū)走動(dòng)1 min，作為基準(zhǔn)生理狀態(tài)的記錄；

3)將被試引領(lǐng)到安檢區(qū)前的第一個(gè)集成指示牌面前，告知實(shí)驗(yàn)需要尋找的目的地，說明注意事項(xiàng)；

4)尋路實(shí)驗(yàn)開始，實(shí)時(shí)收集皮電、心率和眼動(dòng)數(shù)據(jù)；

5)被試抵達(dá)目的地，尋路實(shí)驗(yàn)即結(jié)束。引導(dǎo)被試到開闊休息區(qū)填寫主觀評(píng)價(jià)VAS量表，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)收集數(shù)據(jù)如下：

1)標(biāo)識(shí)識(shí)別成功率，三個(gè)關(guān)鍵指示牌是否看到；

2)被試對(duì)空間光環(huán)境的主觀評(píng)價(jià)VAS量表，標(biāo)度為0～100，包括視覺(2項(xiàng))和非視覺(5項(xiàng))評(píng)價(jià)；

3)執(zhí)行識(shí)別任務(wù)時(shí)的生理反應(yīng)，EDA 和HRV數(shù)據(jù)；

4)視覺疲勞程度，通過眼動(dòng)數(shù)據(jù)獲得的瞳孔直徑和平均眼跳頻率；

5)識(shí)別標(biāo)識(shí)牌的難易程度，通過在ErgoLAB平臺(tái)上處理眼動(dòng)數(shù)據(jù)，在眼動(dòng)儀錄制的視頻中繪制興趣區(qū)，獲得在指示牌興趣區(qū)中掃視/凝視的時(shí)間與頻次。

由于尋路實(shí)驗(yàn)與熟悉程度關(guān)系密切，因此每個(gè)被試只參加某個(gè)實(shí)驗(yàn)條件下的一次尋路實(shí)驗(yàn)。因候機(jī)區(qū)管理規(guī)定，本實(shí)驗(yàn)在已購票的乘客中隨機(jī)選擇被試，滿足以下的條件：

1)年齡在18～60歲之間；

2)不佩戴眼鏡，且視力4.8及以上(佩戴眼鏡后眼動(dòng)儀測(cè)得的瞳孔數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確)；

3)距起飛時(shí)間在30 min以上，乘客并不匆忙，實(shí)驗(yàn)時(shí)間充足。

實(shí)驗(yàn)共采集48個(gè)被試數(shù)據(jù)(A組15，B組15，C組18)。男女比例分別為1.25、1.46和1.43。年齡均值分別為33歲、28.77歲和30.5歲，年齡范圍在20～53歲之間，30歲及以下占比56.4%。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 主觀評(píng)價(jià)

主觀評(píng)價(jià)部分全部采用VAS量表[12]。在主實(shí)驗(yàn)結(jié)束后隨機(jī)抽樣調(diào)查了一些乘客，對(duì)于三組實(shí)驗(yàn)條件，共收集73份問卷。

表2 主觀評(píng)價(jià)問卷

對(duì)問卷統(tǒng)計(jì)的結(jié)果首先去掉極端值，再繪制箱型圖去掉統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的極端值和異常值；之后對(duì)處理之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，如果符合正態(tài)分布則對(duì)其進(jìn)行方差分析，反之進(jìn)行非參數(shù)檢驗(yàn)中的Kruskal-Wallis檢驗(yàn)；在方差分析中首先計(jì)算其方差是否齊性，若方差齊則使用單因素方差分析，若不齊則采用Welch方差分析，結(jié)果比較穩(wěn)健。對(duì)于方差分析有顯著性差異的題目，再進(jìn)一步用兩兩的事后檢驗(yàn)找到明顯不同的實(shí)驗(yàn)組。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可得，被試對(duì)光環(huán)境的舒適性評(píng)價(jià)和標(biāo)志牌是否清晰的評(píng)價(jià)存在顯著性差異：

1)光環(huán)境舒適性。A、B、C組照明條件下的評(píng)價(jià)得分依次為78(±10.37)、68.2(±17.48)、65.47(±18.29)，被試對(duì)三種照明環(huán)境的舒適性評(píng)價(jià)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(F=3.365,P=0.049<0.05)。用LSD事后檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)A組和C組之間有明顯差異(P=0.04<0.05)，被試對(duì)A組的舒適性評(píng)價(jià)優(yōu)于另外兩組。

2)指示牌清晰度。A、B、C組照明條件下的視線范圍內(nèi)指示牌清晰度得分依次為89.78(±13.15)、73.21(±21.69)、77.38(±23.32)，被試對(duì)三種照明環(huán)境的指示牌視覺清晰度打分具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P=0.038<0.05)。被試認(rèn)為A組的指示牌明顯比另外兩組清晰。

3)空間明亮度、光分布均勻度和眩光程度，以及對(duì)整個(gè)空間的評(píng)價(jià)和主觀感受描述，在三個(gè)實(shí)驗(yàn)組之間沒有顯著差異。

可初步得到結(jié)論：地面照度最低、無氛圍光的A組的照明舒適度和其中指示牌的清晰度最高，同時(shí)乘客并不認(rèn)為其亮度和均勻度比其他組低。

2.2 皮膚電導(dǎo)率EDA

皮膚電導(dǎo)率EDA由皮膚電導(dǎo)SC、皮膚電導(dǎo)水平SCL和皮膚電導(dǎo)反應(yīng)SCR構(gòu)成，其中SCL和SCR與刺激事件有關(guān)，需要與個(gè)體的基線水平求變化率以確定特定的刺激事件對(duì)個(gè)體的皮膚電導(dǎo)率的影響。數(shù)據(jù)采集自津發(fā)科技提供的可穿戴式生理模塊。

(1)皮膚電導(dǎo)SC

因無法在該實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地創(chuàng)造始終恒定的基線狀態(tài)，所以采用范圍矯正的方法。數(shù)據(jù)不符合方差齊性(Levene檢測(cè)p=0.003<0.05)，采用Welch單因素方差分析。在A、B、C組照明條件下的SC均值/范圍分別為(698±512)%、(326±133)%、(609±340)%。三種照明環(huán)境對(duì)被試的皮膚電導(dǎo)SC的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(F=6.029,P=0.01<0.05)。進(jìn)一步采用LSD事后分析發(fā)現(xiàn)，A、B兩組之間有明顯的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(sig=0.027<0.05)，B、C兩組之間有明顯的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(sig=0.049<0.05)?？芍煌彰鳁l件下被試的情緒和覺醒度有明顯的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，B組條件下的認(rèn)知負(fù)荷和情緒比另外兩組低。

(2)皮膚電導(dǎo)水平SCL

皮膚電導(dǎo)水平SCL和皮膚電導(dǎo)反應(yīng)SCR均反映特定刺激事件對(duì)皮電的影響，SCL是測(cè)量漸變信號(hào)Tonic成分的最常用方法，變化較緩慢，適用于時(shí)間較長、較溫和的刺激。SCL的變化與自主覺醒水平有關(guān)。

本實(shí)驗(yàn)中通過給被試一個(gè)尋找目的地的認(rèn)知負(fù)荷，來測(cè)量不同的照明條件下被試的自主覺醒水平，反應(yīng)了被試的認(rèn)知負(fù)荷，即識(shí)別標(biāo)識(shí)牌和目的地的難易程度。采用了實(shí)驗(yàn)前無目的行走過程中的SCL作為基準(zhǔn)水平，求出尋路過程中與基準(zhǔn)SCL的變化率，并對(duì)其進(jìn)行單因素方差分析，在A、B、C組照明條件下SCL變化率分別為(606.4±282.31)%、(366.0±197.8)%、(586.2±342.5)%。三種照明環(huán)境對(duì)被試的皮膚電導(dǎo)SCL的影響不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(F=0.671,P=0.518>0.005)，說明三種照明條件下被試在完成尋路實(shí)驗(yàn)的時(shí)候情緒變化情況類似，情緒明顯高漲，認(rèn)知負(fù)荷提高。

2.3 心率變異性HRV數(shù)據(jù)采集與結(jié)果展示

心率變異性HRV反映心博之間瞬時(shí)心率的微小漲落，用于分析心臟交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)的活躍性、覺醒程度。其中，HF提高意味著副交感神經(jīng)活躍度的提高；LF/HF反映交感神經(jīng)的活性，LF/HF的提高意味著交感神經(jīng)活躍度的提高。由于HF和LF/HF的變化有個(gè)體差異，因此僅統(tǒng)計(jì)HF和LF/HF是否提高，不考慮其本身在任務(wù)前后提高的比例。心率變異性HRV主要反映了神經(jīng)覺醒程度，在認(rèn)知任務(wù)中可以被理解為認(rèn)知負(fù)荷的變化。當(dāng)認(rèn)知負(fù)荷提高的時(shí)候，交感神經(jīng)活躍度提高，副交感神經(jīng)活躍度下降。在A、B、C三種照明條件下認(rèn)知負(fù)荷提高的比例分別為78.6%、42.6%、64.7%。

2.4 眼動(dòng)數(shù)據(jù)

本實(shí)驗(yàn)采用Tobbi Pro測(cè)量。三代眼動(dòng)儀，采用基于視頻的瞳孔角膜反射式眼動(dòng)追蹤、明暗瞳追蹤技術(shù)。

2.4.1 視疲勞

瞳孔直徑和眨眼頻率可以反映人眼疲勞程度[13-15]，其中瞳孔直徑會(huì)隨著視疲勞的增加而減小，同時(shí)瞳孔直徑還控制著進(jìn)入瞳孔的光量，心理負(fù)荷增大也會(huì)使瞳孔放大，因此其本身就受到了周圍光線亮度變化和視覺任務(wù)難度的影響，并不能孤立地作為視疲勞的判定標(biāo)準(zhǔn)[16]。眨眼頻率的增加被認(rèn)為是從清醒到低警覺度的轉(zhuǎn)換，而再到眼中困倦的轉(zhuǎn)變一般會(huì)伴隨著眨眼時(shí)長的增加[17]。

三種照明條件下A、B、C三組的瞳孔直徑增加和平均眨眼次數(shù)增加分別為14.3%/14.3%、28.6%/35.7%、35.3%/23.5%。兩項(xiàng)數(shù)據(jù)中，A組被試視疲勞的比例均為最低。

2.4.2 興趣區(qū)分析辯物能力

該實(shí)驗(yàn)路線上共經(jīng)過7個(gè)標(biāo)識(shí)，第一個(gè)標(biāo)識(shí)在實(shí)驗(yàn)開始之前已告知被試，因此只統(tǒng)計(jì)兩個(gè)廁所標(biāo)識(shí)、兩個(gè)登機(jī)口指示牌、一個(gè)貴賓室集成標(biāo)識(shí)和一個(gè)立牌。利用眼動(dòng)儀記錄被試的注視點(diǎn)和掃視點(diǎn)，利用ErgoLAB平臺(tái)繪制興趣區(qū)，確定對(duì)于每個(gè)標(biāo)識(shí)被試的注視和掃視數(shù)據(jù)，依此確定在不同的照明條件下識(shí)別標(biāo)識(shí)的能力。

1)單標(biāo)識(shí)總注視時(shí)間。采用獨(dú)立樣本Kruskal-Wallis檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)三個(gè)實(shí)驗(yàn)組的單標(biāo)識(shí)總注視時(shí)間存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(sig=0.016<0.05)。A、B、C組的總注視時(shí)間分別為(0.33±0.32)s、(0.48±0.29)s、(0.76±0.42)s，可知A、B、C組的單標(biāo)識(shí)總注視時(shí)間是逐漸增加的，意味著其識(shí)別標(biāo)識(shí)的難度是在逐漸增加的。

2)單標(biāo)識(shí)首次注視時(shí)間。采用Welch方差分析發(fā)現(xiàn)，三個(gè)實(shí)驗(yàn)組的單標(biāo)識(shí)首次注視時(shí)間沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(F=0.202,P=0.819>0.05)，即首次分辨和讀取標(biāo)識(shí)上的信息沒有明顯的難度差異。

3)單標(biāo)識(shí)掃視時(shí)間百分比。三個(gè)實(shí)驗(yàn)組的單標(biāo)識(shí)掃視時(shí)間百分比具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(F=4.264,P=0.025<0.05)，A、B、C三組的掃視時(shí)間百分比分別為(14±7)%、(47±30)%、(32±23)%，用LSD進(jìn)行事后檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)A組和B組、C組之間存在顯著差異(P=0.007<0.05)，A組的掃視時(shí)間百分比明顯小于B組和C組，尋找標(biāo)識(shí)的難度更低。

4)掃視次數(shù)。采用獨(dú)立樣本Kruskal-Wallis檢驗(yàn)，三個(gè)實(shí)驗(yàn)組的掃視次數(shù)有明顯的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(sig=0.033<0.05)，A、B、C三組的掃視次數(shù)分別為(1.5±0.76)次、(2.2±0.94)次、(2.8±1.39)次， A、B、C組的單標(biāo)志注視次數(shù)是逐漸提高的，意味著分辨標(biāo)識(shí)的難度是逐漸增加的。

3 結(jié)論

根據(jù)主觀評(píng)價(jià)結(jié)果：低照度條件下(88 lx)舒適性和指示牌清晰度比高照度好，且低照度條件下的亮度、光分布均勻度、眩光和空間愉悅度不低于高照度條件。

綜合皮電和心率變異性結(jié)果：三組條件都會(huì)使被試在完成尋路實(shí)驗(yàn)時(shí)情緒高漲，神經(jīng)覺醒度提高，認(rèn)知負(fù)荷增加；但被試暴露在B組條件下的認(rèn)知負(fù)荷最低。B組的照度稍高于A組，低于C組，且增加了氛圍照明。這初步說明照度高不能降低識(shí)別標(biāo)識(shí)牌的認(rèn)知負(fù)荷，適量的氛圍光可以降低視覺識(shí)別的認(rèn)知負(fù)荷。

根據(jù)眼動(dòng)數(shù)據(jù)可知：A組在三個(gè)實(shí)驗(yàn)組中最不容易引起視疲勞，定位和識(shí)別標(biāo)識(shí)內(nèi)容的難度最低。

綜合主觀評(píng)價(jià)、心率、皮電和眼動(dòng)數(shù)據(jù)可知(表3)：A組——最低的地面平均照度(88 lx)且無氛圍光的條件下，舒適性、標(biāo)識(shí)定位和識(shí)別難度最低；B組——較低的地面平均照度(115 lx)且有氛圍光的條件下，認(rèn)知負(fù)荷最低。A、B兩組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均優(yōu)于照度更高的C組(179 lx)?；诒狙芯拷Y(jié)論，在即將頒布的《公共交通建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中，在保證重點(diǎn)任務(wù)區(qū)域有較高的照度和均勻度的前提下，已適度降低高大交通空間的地面平均照度標(biāo)準(zhǔn)(由200 lx降至100 lx)。以海關(guān)為例，在需要識(shí)別乘客面部與護(hù)照內(nèi)容的護(hù)照檢查站，保持較高的工作臺(tái)面高度水平照度(300 lx)，而排隊(duì)區(qū)照度標(biāo)準(zhǔn)降低到100 lx，保證乘客可以安全前進(jìn)即可。為精細(xì)化的區(qū)分重點(diǎn)任務(wù)區(qū)域和排隊(duì)、行走區(qū)域，將空間細(xì)分，分為6大空間，22種以任務(wù)為劃分標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域。需要注意的是，該標(biāo)準(zhǔn)聚焦節(jié)能設(shè)計(jì)，如做推廣，仍需開展更大規(guī)模的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

致謝：本研究受北京津發(fā)科技股份有限公司提供的“科研支持計(jì)劃”項(xiàng)目支持。感謝其提供的技術(shù)支持以及相關(guān)Ergo LAB科研設(shè)備使用支持。