基于眼動追蹤技術(shù)的施工現(xiàn)場安全標志有效性研究

林文濤，劉瑋琳

(青島理工大學(xué) 管理工程學(xué)院,山東 青島 266520)

0 引言

隨著改革開放以來中國建筑業(yè)的粗放發(fā)展，建筑業(yè)不斷龐大的同時，安全問題也日益凸顯。據(jù)中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部[1](下文稱住建部)對2017年、2018年和2019年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，全國發(fā)生房屋市政工程生產(chǎn)安全事故呈現(xiàn)逐年增長態(tài)勢。人的不安全行為是事故發(fā)生的主要原因[2]。Haslam等[3]曾對100起建筑安全事故進行研究，發(fā)現(xiàn)高達49例安全事故是由工人的不安全行為造成的，因此，提升人的安全意識尤為重要。安全標志是向作業(yè)人員傳遞工作場所或周圍環(huán)境危險狀況的工具，是施工現(xiàn)場提高人員安全意識的重要途徑，而安全標志的有效性卻難以保證，對此Hare等[4]等人對115個安全標志進行了檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有25個安全標志的率低于美國工業(yè)安全協(xié)會 (American Society for Industrial Security,ASIS)規(guī)定的85%理解標準。為了探究安全標志對人的作用機理，在影響建筑安全標志發(fā)揮作用的影響因素上，許多國內(nèi)外學(xué)者進行了研究。如Chen等[5]認為安全標志的設(shè)計應(yīng)包含五個主要因素，位置、尺寸、安全色、對比度和樣式，研究發(fā)現(xiàn)，紅色和圖畫內(nèi)容可以讓用戶更快地識別安全標志。Michael等[6]認為影響圖標發(fā)揮作用的三個主要因素是圖標的顏色，擺放的位置和圖標的形狀，通過實驗表明向下的三角形會更適合作為圖標的形狀。Curt等[7]通過對安全標語的分級排序研究，發(fā)現(xiàn)高危險詞匯更容易引起用戶的注意。再次，為了更好地了解人們對于安全標志的理解程度，國內(nèi)外許多學(xué)者將各類設(shè)備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模型自動確定“安全出口”標志的方向，為開發(fā)智能動態(tài)出口提供了研究基礎(chǔ)。Annie等[9]對23名香港地區(qū)工人進行了可理解性實驗，發(fā)現(xiàn)安全標志的內(nèi)容與實際的貼合程度會正面影響使用者的理解程度。對于安全標志的理解性測試，Duarte等[10]對成年就業(yè)者、學(xué)生和腦癱患者分別進行了可理解性實驗，結(jié)果表明三組成員對于安全標志的理解程度無顯著差異且對絕大多數(shù)的安全標志的理解都達不到 國際標準化組織(International organization for Standar-dization，ISO)可理解性標準。

安全標志主要作用是傳遞視覺信息，而基于人因工程學(xué)的眼動實驗是研究用戶對外界刺激作出規(guī)律性反應(yīng)的不二利器。相比受限于用戶個人理解水平的訪談問卷等形式，眼動數(shù)據(jù)客觀真實的反映用戶心理狀態(tài)，大概率避免了其主觀情緒對研究的影響[11]。20世紀80年代國內(nèi)對于眼動追蹤技術(shù)展開研究，特別從2007年到2015年論文發(fā)表數(shù)量才有整體大幅度增長[12]。目前眼動追蹤技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域主要以學(xué)生為主體的教育、廣告設(shè)計等消費領(lǐng)域為主[13]。雖然在建筑業(yè)的研究僅次于美國，位居世界第二，但是相較于其他行業(yè)，在建筑業(yè)的應(yīng)用極少[14]。

綜合前人的研究成果，安全標志可以作為性價比較高的建筑施工安全管理手段，但由于參與施工的人員眾多，文化背景差異大，加之施工現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜等因素的綜合影響，現(xiàn)有的安全標志設(shè)計形式還存在著相當大的理解偏差問題。前人研究多集中于安全標志的對比度、位置、尺寸和樣式等，但是對于安全標志的內(nèi)容模糊程度和文字輔助的作用研究甚少，安全標志的內(nèi)容是所傳遞信息的最直觀表達，其模糊程度會對觀察者理解標志傳達的信息產(chǎn)生很大的影響。文字和圖像是傳遞信息的兩種方式，由于各國語言差異，文字被用作輔助安全標志進行信息傳遞，輔助作用的強弱有待考究。故將圖標模糊度和文字輔助兩因素作為研究重點，借此研究安全標志的有效性，優(yōu)化建筑施工安全標志，提高標志的信息傳遞效率，加強工人安全意識。

1 研究方法

1.1 實驗設(shè)計

本文采用雙因素被試內(nèi)重復(fù)實驗設(shè)計，實驗分“理解實驗”和“習(xí)慣實驗”兩部分。“理解實驗”即為探究觀察者正確理解安全標志所進行的眼動實驗。“習(xí)慣實驗”是指探究觀察者觀察安全標志時的視覺規(guī)律，提出安全標志的優(yōu)化重點。實驗自變量水平為2×2，即：“模糊度”(清晰，模糊)ד文字輔助”(有文字輔助，無文字輔助)，因變量為表征觀察者認知努力程度的眼動指標，如眼跳次數(shù)，注視點個數(shù)，注視時間等。

1.2 實驗設(shè)備

實驗設(shè)備為RED型桌面遙測式眼動追蹤系統(tǒng)(SMI公司)。采樣頻率為500 Hz，跟蹤分辨率為0.03°。硬件包括DELL M4800型工作站，DELL 22英寸P2213型圖像顯示器，及紅外追蹤組件。

1.3 實驗被試

實驗被試來源于青島理工大學(xué)管理工程學(xué)院研究生、本科生及教師共計36人，比例為13∶4∶1。男女比例17：19。所有被試雙眼矯正視力正常，非色弱、色盲等眼疾患者。

1.4 實驗材料

理解實驗的實驗刺激見表1，習(xí)慣實驗的實驗刺激在表1的基礎(chǔ)上加以文字輔助。實驗所需刺激統(tǒng)一采用白色標志底色，統(tǒng)一尺寸。標志形狀與顏色符合安全標志國家標準的要求。

《安全標志及其使用導(dǎo)則》中對于安全標志給予了明確的定義：“用以表達特定安全信息的標志，由圖形符號、安全色、幾何形狀或文字構(gòu)成[15]?！逼渲邪踩譃樗念悾醇t、黃、藍和綠，這四類安全色分別對應(yīng)禁止標志、警告標志、指令標志和提示標志。據(jù)住建部于2017、2018和2019年發(fā)布的“房屋市政工程生產(chǎn)安全事故情況通報”的結(jié)果顯示，事故發(fā)生率排名前三的安全事故種類分別是高處墜落事故、物體打擊事故和坍塌事故，而且這三類事故發(fā)生率總和高達75%左右?；诖耍疚牡膶嶒炞兞扛采w了四類安全色，并在《安全標志及其使用導(dǎo)則》中選擇了適用于上述三類施工現(xiàn)場安全事故的八個安全標志為實驗刺激，序號Q1-Q4為模糊度低的實驗刺激，序號M1-M4為模糊度較高的實驗刺激。

表1 眼動實驗刺激統(tǒng)計表

2 分析結(jié)果

2.1 注視時間、注視點個數(shù)

注視時間，指觀察者閱讀時目光在某一刺激上停留的時間，受材料難度、個體視知覺廣度和知識經(jīng)驗的影響。對于注視時間：模糊度和有無文字輔助交互作用顯著[F=0.311,P<0.001 ，η2=0.362]。對于注視點個數(shù)：模糊度和有無文字輔助交互作用顯著[F=13.22,P<0.001，η2=0.292]，故進一步進行簡單效應(yīng)分析。注視時間(A)與注視點個數(shù)(B)的成對比較結(jié)果見表2和表3。

從表2可以看出：干預(yù)組有無文字輔助對照組模糊度均有顯著影響作用，且模糊度不同時，平均注視時間和注視點個數(shù)組內(nèi)均有顯著性差異。由此可見，模糊度實驗變量選擇有效。另外，A、B的標準誤差較小，證明數(shù)據(jù)集中在平均值附近，各組平均值差值數(shù)據(jù)有效。有文字輔助的情況下，模糊度低對比模糊度高的圖標，被試識別時間縮短了568 ms，而在無文字輔助的情況下該值為2540 ms，由此可得兩個結(jié)論：(1)被試理解模糊度較低的安全標識效率更高。(2)文字輔助可以縮小由模糊度引起的安全標志認知差異。

表3顯示：在模糊度作為干預(yù)組，有無文字輔助作為對照組的情況下，干預(yù)組對對照組有顯著的影響作用。在平均注視時間上具體表現(xiàn)為：同為清晰的安全標志，在有文字輔助的作用下可縮短1474 ms的平均注視時間，模糊的安全標志此值為3419 ms。在注視點個數(shù)上具體表現(xiàn)為：同為清晰的安全標志，在有文字輔助的作用下可減少5.1個注視點，模糊的安全標志此值為10.4個。由此可得結(jié)論：清晰的安全標志可以顯著縮短工人的認知時間，減少工人的認知努力水平，提高認知效率。

表2 模糊度水平上的文字輔助因素多重比較分析結(jié)果

表3 文字輔助水平上的模糊度因素多重比較分析結(jié)果

2.2 圖標理解率

“理解實驗”最主要的目的就是確認現(xiàn)有圖標設(shè)計的合理性，本實驗以ISO 9186 1：2014規(guī)定的圖標理解率為評分標準，邀請三位專家對被試的回答進行評分。

實驗刺激M1-M4的被試綜合理解率低于ISO標準所規(guī)定的75%標準，而觀察者對Q1-Q4的實驗刺激理解率整體合格。工人對于模糊度較高的安全標志的學(xué)習(xí)和認識不足，急需加強安全教育。另外，依照安全標志類別順序進行理解率排序，模糊度低的圖標與模糊度高的圖標并不一致，說明安全標志的類別對工人的理解率不產(chǎn)生實質(zhì)影響作用。

2.3 首次注視區(qū)域、眼跳次數(shù)

實驗中實驗刺激可細分為兩個區(qū)域，即圖像區(qū)域和文字區(qū)域。首次注視區(qū)域代表用戶首次關(guān)注的實驗刺激的某個區(qū)域情況該指標可表征用戶對文字和圖像的感興趣情況。眼跳次數(shù)表示注視點由某一區(qū)域切換到另一區(qū)域的次數(shù)，可表示被試識別安全標志的認知努力程度，間接反映圖標設(shè)計的難易程度。對于首次注視區(qū)域：首次注視區(qū)域為圖的次數(shù)和首次注視區(qū)域為字的次數(shù)的平均值和標準差分別為6.7和1.66、1.3和1.66，說明被試對于文字和圖像的選擇性關(guān)注有顯著差異[F=82.9,P=0.000]。對于眼跳次數(shù)：被試對于模糊度低與模糊度高的兩類刺激的眼跳次數(shù)有顯著差異[F=12.12，P=0.002，η2=8.17]，模糊度高的眼跳次數(shù)比模糊度低的均值多0.7次。

圖1 首次注視區(qū)域分布圖

從圖1也可以明顯看出，首次注視區(qū)域為圖像的次數(shù)要遠超首次注視區(qū)域為文字，具體每類標志平均高出5.4次。初次觀察刺激時，圖像對被試的吸引力要高于文字。

3 討論

安全標志有指導(dǎo)工人行為的作用，其設(shè)計的合理性很大程度上影響了其作用的發(fā)揮。安全標志通過標志的設(shè)計傳遞信息，而人眼是獲取外界信息的重要途徑，故本文通過眼動實驗探究現(xiàn)有安全標志的設(shè)計合理性，通過眼動實驗獲得的客觀數(shù)據(jù)表征安全標志的有效性。

施工現(xiàn)場安全標志的模糊程度對觀察者的認知行為有顯著的影響，觀察者正確理解模糊度較高的安全標志要花費更多的興趣和努力。在“理解實驗”中，從平均注視時間、注視點個數(shù)的分析結(jié)果可知，觀察者要想正確理解模糊程度較高的安全標志，就要花費比模糊程度低的實驗刺激更多的注意力和時間。帶有文字輔助的實驗刺激可以被更快更準確地理解。通過圖標理解率的實驗結(jié)果可推知，目前工人對施工現(xiàn)場部分安全標志的理解情況達不到ISO標準的規(guī)定，這點與R.A.Haslam的研究結(jié)果吻合，故關(guān)于安全標志的教育、引導(dǎo)工作亟須進行，提高工人的安全意識才能有效地預(yù)防施工現(xiàn)場安全事故的發(fā)生。

在“習(xí)慣實驗”的實驗結(jié)果可以得知，圖像相比文字更容易吸引觀察者的注意，所以正確、合理的圖像設(shè)計可以大幅提升工人的理解效率，從而較早地發(fā)現(xiàn)危險的存在，有更多的時間避免或糾正不安全的行為。

4 結(jié)論

(1) 標志模糊度與觀察者正確識別時間成正比關(guān)系，為了降低施工現(xiàn)場安全標志的模糊性，應(yīng)增加圖標出現(xiàn)的頻次，并定期組織工人學(xué)習(xí)相關(guān)知識。

(2) 圖像相比于文字更容易吸引觀察者的注意，簡明的圖案設(shè)計可提升安全標志信息傳遞的有效性。

(3) 工人對于施工現(xiàn)場的部分重要標志的理解率低于ISO標準，應(yīng)大力培訓(xùn)、教育以建立其安全知識體系。

(4) 文字輔助有助于縮小由模糊度引起的安全標志認知差異、減少工人付出的認知努力。