安友軍+稅艷玲+查靚

摘要： 不同人群的步行特征存在差異。為提高石板路的舒適度，根據(jù)人因工程學原理，針對大學、小學和公園等場所的活動人群特點，采集并整理大學生、小學生和老人的步行特征數(shù)據(jù)，得到石板路鋪設間距及寬度的建議值。

Abstract： There were differences in walking characteristics among different groups. In order to improve the satisfaction of individuals walking on the stone road， a large number of sample data which were based on the walking characteristics of college students， the pupils and the elderly in parks were collected and analyzed statistically based on the principle of Ergonomics. Thus， the recommended values of the spacing and width for slab road were obtained.

關(guān)鍵詞： 石板路；步行特征；中心間距；石板寬度

Key words： the stone paving road；the walking characteristics；center-to-center spacing；the width of slate

中圖分類號：U491 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）15-0079-05

0 引言

石板路常見于校園、公園等場所，石板路不僅有道路通行的作用，還具有休閑娛樂及美化環(huán)境的功效[1]。因此，合理設計石板路的鋪設間距及寬度，對提高行人舒適度和保護鋪設地的草坪具有重要意義。

在行人步行特性的研究中，馬云龍[2]等探究了步速、步幅和步頻的分布特性，并就步行者性別差異和年齡差異對步行行為影響的顯著性進行假設檢驗。高毅[3]等研究了在不同步速與行走條件下步幅特征的變化規(guī)律及特點。陳然[4]等研究了中國大都市行人交通特征及不同年齡段行人步行特性的差異。萬秋萍[5]等探究了成人身高與足長的回歸關(guān)系。李明華[6]對軌道交通樞紐行人的步行特性及設施配備進行了研究。此外，國外許多學者還對不同地區(qū)行人的行走特性進行了研究[7-8]。在現(xiàn)行園路規(guī)范中[9-11]，除對不同規(guī)格的園路寬度做了部分規(guī)定外，并未對石板路的板寬、相鄰石板的中心間距等施工要素進行詳細規(guī)定。在石板路鋪設的研究中，夏卿[12]等提出從常見的草坪汀步石的間距與步距關(guān)系著手，初步探究如何在汀步石間距方面采取適當?shù)男薷拇胧?，以完善汀步在草坪中的使用。楊艷群[13]等對影響步幅的因素進行了研究，提出在大學校園內(nèi)石板路鋪設的建議值。

為進一步探索行人的步行特性與石板路鋪設要素之間的關(guān)系，本文在上述研究的基礎上，對五類特定人群的步幅（相鄰兩腳中心的距離）和鞋子在石板寬度方向上的投影（后文簡稱投影）進行研究，分析了不同年齡段、不同性別比例之間步行特性的差異。計算各類步幅及投影的百分位數(shù)，進而提出特定人群使用的石板路施工要素的建議值。

1 石板路鋪設間距及寬度設計問題

1.1 研究思路

影響行人步幅的因素主要有身高、性別、年齡、出行目的等[2，4]，根據(jù)大學、小學及公園內(nèi)行人交通流的組成，隨機邀請數(shù)名不負重或少量負重的行人進行試驗，并記錄腳后跟和腳尖相對始端的垂直距離。運用MATLAB和SPSS軟件對樣本數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，求解出特定人群的步幅和投影的均值和標準差；運用人因工程學原理，求解步幅和投影的第5和第95百分位數(shù)。結(jié)合不同人群的足長[5]和步幅數(shù)據(jù)，提出鋪設要素的建議值，并搭建臨時石板路以檢驗建議值的有效性。

1.2 施工要素

石板路的施工要素主要有石板寬a、相鄰石板邊間距b、相鄰兩石板中心間距c，其中：a+b=c（如圖1所示）。

影響石板寬度a的主要因素是投影；影響石板間中心間距c的主要因素是步幅，而行人步幅的大小與行人的年齡、性別、目的以及外界環(huán)境等因素密切相關(guān)。本文著重對特定人群的年齡和性別比例的差異進行分析。在確定了石板寬度a和兩石板中心間距c后，得相鄰板邊間距b=c-a。

2 實驗設計

2.1 實驗對象的選取

為保證實驗結(jié)果的可靠性，本實驗隨機邀請了數(shù)69名在校大學生、60名小學生（五～六年級）和34名公園老人作為被試驗者，每人在沙槽中行走兩次，并記錄試驗數(shù)據(jù)。運用“三倍標準差法”剔除樣本數(shù)據(jù)中的異常值，得320組有效樣本數(shù)據(jù)，有效樣本的分布如表1所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集

將被試者分成若干組，每組被試者在沙槽始端等間距排列，在鋪好皮尺的沙槽中盡可能沿直線行走（長度約為10m），每組行走完以后，依次測量每人每步的腳后跟和腳尖相對始端的垂直距離并記錄，記錄結(jié)束后，鋪平沙槽繼續(xù)測試下一組，直到所有組的兩次測試完畢，步行特征數(shù)據(jù)測量圖如圖2所示。

完成試驗后，通過對采集到的樣本數(shù)據(jù)進行做差處理，得步幅及投影的數(shù)據(jù)并分別作為確定石板中心間距和寬度的依據(jù)。

3 數(shù)據(jù)處理與假設檢驗

3.1 數(shù)據(jù)處理原理

將收集的樣本數(shù)據(jù)進行整理，利用MATLAB和SPSS軟件對步幅和投影的數(shù)據(jù)進行分析，繪制直方圖并用Gauss分布進行數(shù)據(jù)擬合，最后進行擬合優(yōu)度的檢驗。通過編程求解出步幅和投影的均值和標準差，運用人因工程學原理，計算相應的百分位數(shù)，在計算任一百分位a的數(shù)值時，則可按下式進行計算：當求1%～50%之間的百分位數(shù)時，式中取“-”；當求50%～99%之間的百分位數(shù)時，式中取“+”，當適用于90%的特定人群時，取k=1.645。

3.2 大學生步行特征

3.2.1 現(xiàn)狀分析

大學校園內(nèi)學院之間幾乎是獨立的，學院汀步的主要作用是供本學院學生通行和休閑[1]。由于學院之間的專業(yè)設置存在差異等原因，導致男女性別比例不同。而不同性別之間的步幅和鞋長又存在一定的差異[4，13]，結(jié)合大學校園內(nèi)石板路所在地行人性別比例的差異，可將情況分為女多于男（A類）、男女相當（B類）和女少于男（C類）分別進行探究。為進一步了解行人對現(xiàn)有石板路的滿意程度，通過構(gòu)建舒適度評價體系（評價等級：非常舒適、舒適、一般、不舒適、非常不舒適五個等級），對護理、外語、機械、土木學院及圖書館等鋪設地點的行人滿意度進行調(diào)查的結(jié)果及類別如表2所示。

其中，在男生較多的機械學院和女生較多的醫(yī)學院分別收集了76份和60份問卷調(diào)查表，感覺舒適（包括：非常舒適和舒適）的行人分別占10.5%和16.7%；感覺一般的行人分別占31.6%和33.3%。調(diào)查結(jié)果顯示，行人對現(xiàn)行石板路的鋪設并不滿意，因此根據(jù)不同人群的步行特征來設計石板路具有重要意義。

3.2.2 A類步行特征

大學校園內(nèi)的某些學院（如：護理學院、外國語學院等）中女生較多。利用MATLAB繪制A類情況下步幅及投影的統(tǒng)計結(jié)果，分別如圖3、圖4所示。

為探究A類情況下的行人步幅和投影是否服從正態(tài)分布，進行擬合優(yōu)度檢驗，建立原假設如下：

H0：步幅和投影服從正態(tài)分布

利用MATLAB進行擬合優(yōu)度檢驗，取顯著性水平α=0.1，檢驗結(jié)果如表3所示。

由上述結(jié)果可知：H=0，LSTAT（測試統(tǒng)計量值）

編程求得步幅的均值X=65.96cm，標準差X=2.68cm。由此可得步幅的第5百分位數(shù)為：

X5=X-SDK=65.96-2.68×1.645=61.5514cm

第95百分位數(shù)為：

X95=X-SDK=65.96+2.68×1.645=70.3686cm

投影的均值X=24.34cm，標準差X=2.87cm。得投影的第5百分位數(shù)為：X5=19.6189cm，第95百分位數(shù)為：X95=29.0612cm。

結(jié)論：A類情況下的石板中心間距c和寬度a分別為61.5514cm～70.3686cm，19.6189cm～29.0612cm時，適用于A類中90%的人群。

3.2.3 B類步行特征

在大學校園內(nèi)的圖書館等場所男女比例基本均衡，從理論上分析其石板寬度和間距都比A類大。運用直方圖法進行數(shù)據(jù)分析， 得B類情況下的步幅和投影基本呈現(xiàn)正態(tài)分布，并查找相關(guān)文獻[13]，也驗證了二者服從正態(tài)分布的正確性。

編程求得步幅的均值和標準差分別為：X=66.59cm，X=3.70cm，步幅的第5和第95的百分位數(shù)分別為：X5=60.5035cm，X95=72.6765cm。

同理，求得投影的均值和標準差分別為：X=25.89cm，X=2.40cm，此時X5=21.9420cm，X95=29.8380cm。

石板間距c和寬度a分別為60.5035cm～72.6765cm，21.9420cm～29.8380cm時，適用于B類情況下90%的人群。

3.2.4 C類步行特征

根據(jù)研究步幅的資料顯示[4]，男性的步幅基本上都大于女性的步幅。大學校園內(nèi)的機械、土木、水利等學院男生占據(jù)絕大部分。利用直方圖法大致判斷樣本數(shù)據(jù)的概率分布形式，并進行曲線擬合，估計分布的參數(shù)值。

編程求得C類情況下的步幅和投影的均值、標準差及百分位數(shù)如表4所示。

結(jié)論：C類情況下石板中心間距和石板寬度分別為61.6649cm～75.0552cm，20.3358cm～33.3642cm 時，適用于C類情況90%的人群。

3.3 小學生步行特征

年齡是影響步行特征的重要因素之一，由于小學生發(fā)育尚未成熟，其步幅和足長與大學生存在顯著差異。為設計與小學生步行特性相符的石板路，隨機邀請60名被試驗者，采集小學生的樣本數(shù)據(jù)。通過繪制步幅和投影的管制圖，剔除樣本中的異常值，得116組小學生有效樣本數(shù)據(jù)。樣本數(shù)據(jù)的步幅和投影的統(tǒng)計分布如圖5、圖6所示。

統(tǒng)計結(jié)果表明，步幅和投影數(shù)據(jù)基本呈現(xiàn)正態(tài)分布。通過編程求得步幅和投影的均值、標準差及百分位數(shù)如表5所示。

結(jié)論：小學內(nèi)相鄰石板的中心間距和石板寬度分別為43.025cm～52.895cm，16.5742cm～23.2858cm時，適用于小學校園內(nèi)90%學生。

3.4 老人步行特征

城市公園是城市人居環(huán)境的重要組成部分，也是宜居城市建設的重要內(nèi)容，其功能主要有：旅游休閑、生態(tài)價值、防災減災和教育科普，其中旅游休閑為主導功能[14]。運用訪談法調(diào)查發(fā)現(xiàn)，老人是城市公園休閑的主要組成者之一。因此，研究公園內(nèi)老人的步行特征對公園內(nèi)石板路的鋪設具有重要意義，利用SPSS[15]軟件對老人的步幅和投影分別進行數(shù)據(jù)分析，結(jié)果如圖7、圖8所示。

并對樣本數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布檢驗，得步幅和投影的偏度系數(shù)和峰度系數(shù)分別為-0.287，-0.088和0.194，-0.083。由檢驗結(jié)果可知：步幅和投影的Skewness（偏度系數(shù)）、Kurtosis（峰度系數(shù)）均小于1，即可認為二者近似服從正態(tài)分布[16]。

為讓90%的被調(diào)查老人行走舒適，分別計算步幅和投影的百分位數(shù)如表6所示，為確定石板鋪設的中心間距和石板寬度奠定基礎。

結(jié)論：公園相鄰石板的中心間距和石板寬度分別為55.8663cm～64.9138cm，18.4484cm～30.8517cm時，適用于公園內(nèi)90%的老人。

3.5 步幅及投影數(shù)據(jù)

大量研究步幅與足長的資料表明，身高與步幅、足長之間有著密切的關(guān)系。“步長與身高成正比，一個步長約等于足跡三倍”，按照足跡與身高比例，取身高=6.875倍足長，由青年男女均高可得足長分別約為25cm和23cm，步長分別約為78cm和73cm[12]。

通過對樣本數(shù)據(jù)的處理，得不同年齡段的步幅及投影參數(shù)統(tǒng)計如表7所示，包括均值和標準差。

通過查閱相關(guān)資料[2]，其已證明不同年齡段（少年兒童、青年、老年）之間的步幅及投影具有顯著性差異。本文為進一步探究相同年齡段不同性別比例的行人步幅均值是否存在顯著性差異，利用假設檢驗的方法分析性別比例對步行特征影響的顯著性，建立原假設如下：

利用SPSS軟件對三種不同青年男女比例的步幅數(shù)據(jù)進行方差分析，取顯著性水平α=0.05，采用Levene方法檢驗方差差異，方差分析結(jié)果如表8所示。

AB和AC的步幅相伴概率都為P=0.007，均小于顯著水平（α=0.05），由此可以看出，AB和AC之間的步幅差異都是顯著的；而BC的相伴概率為0.993，大于顯著性水平，即BC之間的步幅差異不顯著。AC和BC的投影相伴概率均小于顯著性水平，AC和BC之間的投影差異都是顯著的，而AB的相伴概率為0.886，即AB之間的投影差異不顯著。

通過方差分析可得，不同年齡段間的步幅和投影存在顯著性差異，即使在相同年齡段內(nèi)的不同性別比例之間的步幅和投影也存在顯著差異。因此結(jié)合不同人群的步行特性來設計石板路的鋪設要素是非常有必要的。

4 考慮步行特征的石板路鋪設間距及寬度設計

不同年齡段之間的步幅和足長特性存在差異；相同年齡段的青年，由于男女比例的不同，足長和步幅均值存在差異；結(jié)合特定人群步行特性設計石板路，能有效地提高行人滿意度。

根據(jù)步幅和投影的百分位數(shù)，提出石板路鋪設要素的建議值如表9所示。

根據(jù)表11中板寬a、相鄰石板邊間距b及相鄰石板的中心間距c三個參數(shù)的建議值，在男生較多的機械學院和女生較多的醫(yī)學院各鋪設了一條長度為10m的臨時石板路，并隨機邀請相應學院的行人在改進后的石板路上通行，行走結(jié)束后對石板路的舒適程度進行評分，分別收集了30份和29份評分表，其中感覺舒適的行人分別占 93.3%與 89.7%，行走舒適度極大提高。

5 總結(jié)與展望

本文首先對少年小學生、大學生、老人的步行特性進行數(shù)據(jù)采集，利用MATLAB和SPSS軟件對樣本數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和擬合優(yōu)度檢驗，分別求解五種情況下步幅及投影的均值和標準差。然后分別計算步幅和投影的百分位數(shù)，提出特定人群使用的石板路鋪設建議值。最后通過搭建兩條臨時石板路，驗證了建議值的有效性。

本文僅對華中地區(qū)的小學、大學和公園等場所內(nèi)特定人群使用的石板路進行研究，還存在以下問題值得探討：第一，若將石板路的鋪設與行人的心理狀況相結(jié)合，有利于進一步提高行人的舒適度；第二，本文僅研究了水平地面上的石板路鋪設，對路面傾斜等情況未做探討，有待進一步研究。

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