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

機場候機廳的光環(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]在對同一個大型火車站的三次現(xiàn)場考察中發(fā)現(xiàn)，光的心理/行為效應(yīng)影響乘客的流動和潮汐性擁擠，改善候機空間舒適性。

此前研究表明，對于通行行為，照度標(biāo)準(zhǔn)過高或過低均不利。Pedersen和Johansson[3]在實驗室中研究了降低照明水平對行走速度的影響，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，這可能是因為個人安全感的降低。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的情緒中。照明強度還會影響路線選擇，McCloughan[5]、Marcelo[6]、Elisngela等[7]發(fā)現(xiàn)，在緊急疏散場景、酒店、機場航站樓的環(huán)境中，被試通常選擇更亮更寬的走廊。

我國機場候機廳的特點是空間高大，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]對四個航站樓的實際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，三個航站樓的部分大廳沒有達(dá)到200lx；高大空間較高時，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)的合理性研究對于節(jié)能減碳具有重要意義。

本研究的被試在真實機場航站樓中完成尋路實驗，通過改變機場照明方案，在尋路實驗的過程中收集被試的主觀感受、生理數(shù)據(jù)、眼動數(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使用者的影響。

基于渲染圖像、虛擬現(xiàn)實、真實環(huán)境的不同人因環(huán)境，實驗結(jié)果偏差較大。本團(tuán)隊[10]曾在對機場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，對亮度比(照明方式)沒有明顯的偏好性。但在虛擬現(xiàn)實中[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，基于真實環(huán)境的研究將得出更具實踐指導(dǎo)意義的結(jié)論。

1 研究方法

1.1 實驗環(huán)境

研究選址為煙臺蓬萊國際機場航站樓。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，包括值機大廳、安檢區(qū)、商業(yè)區(qū)、候機區(qū)和通行空間，候機空間呈“一”字型，無岔路口(圖1)。

圖1 煙臺機場出發(fā)層平面圖Fig.1 Departure floor plan of Yantai airport

該侯機廳采用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時開啟。根據(jù)實驗需要和現(xiàn)場回路條件，組織三種照明模式用于實驗，分別記作A組、B組和C組，三種照明模式的實景照片如表1所示。

表1 三種照明模式

1.2 實驗設(shè)計

尋路實驗的路徑選擇遵循與實際情況一致、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)出來走到某一個常見目的地，包括某一候機區(qū)、其它功能區(qū)(如廁所、飲水機、高級候機室、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號候機區(qū)的位置，因此關(guān)注到第一個標(biāo)志牌就基本鎖定候機區(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機有多處，醫(yī)療救助在安檢區(qū)正對位置，尋址難度小。經(jīng)過綜合考慮，選擇吸煙室作為尋路對象，尋路過程中看到的標(biāo)志牌如圖2所示。

圖2 尋路實驗路過的標(biāo)識牌Fig.2 Signboard passing by in road-finding experiment

實驗操作流程如下：

1)給被試佩戴皮電、心率和眼動儀，被試填寫實驗前的狀態(tài)焦慮量表；

2)被試自行在候機區(qū)走動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)前的第一個集成指示牌面前，告知實驗需要尋找的目的地，說明注意事項；

4)尋路實驗開始，實時收集皮電、心率和眼動數(shù)據(jù)；

5)被試抵達(dá)目的地，尋路實驗即結(jié)束。引導(dǎo)被試到開闊休息區(qū)填寫主觀評價VAS量表，結(jié)束實驗。

實驗收集數(shù)據(jù)如下：

1)標(biāo)識識別成功率，三個關(guān)鍵指示牌是否看到；

2)被試對空間光環(huán)境的主觀評價VAS量表，標(biāo)度為0～100，包括視覺(2項)和非視覺(5項)評價；

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

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

5)識別標(biāo)識牌的難易程度，通過在ErgoLAB平臺上處理眼動數(shù)據(jù)，在眼動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/凝視的時間與頻次。

由于尋路實驗與熟悉程度關(guān)系密切，因此每個被試只參加某個實驗條件下的一次尋路實驗。因候機區(qū)管理規(guī)定，本實驗在已購票的乘客中隨機選擇被試，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(佩戴眼鏡后眼動儀測得的瞳孔數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確)；

3)距起飛時間在30 min以上，乘客并不匆忙，實驗時間充足。

實驗共采集48個被試數(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 主觀評價

主觀評價部分全部采用VAS量表[12]。在主實驗結(jié)束后隨機抽樣調(diào)查了一些乘客，對于三組實驗條件，共收集73份問卷。

表2 主觀評價問卷

對問卷統(tǒng)計的結(jié)果首先去掉極端值，再繪制箱型圖去掉統(tǒng)計學(xué)意義上的極端值和異常值；之后對處理之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗，如果符合正態(tài)分布則對其進(jìn)行方差分析，反之進(jìn)行非參數(shù)檢驗中的Kruskal-Wallis檢驗；在方差分析中首先計算其方差是否齊性，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找到明顯不同的實驗組。從統(tǒng)計結(jié)果可得，被試對光環(huán)境的舒適性評價和標(biāo)志牌是否清晰的評價存在顯著性差異：

1)光環(huán)境舒適性。A、B、C組照明條件下的評價得分依次為78(±10.37)、68.2(±17.48)、65.47(±18.29)，被試對三種照明環(huán)境的舒適性評價具有統(tǒng)計學(xué)差異(F=3.365,P=0.049<0.05)。用LSD事后檢驗發(fā)現(xiàn)A組和C組之間有明顯差異(P=0.04<0.05)，被試對A組的舒適性評價優(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)，被試對三種照明環(huán)境的指示牌視覺清晰度打分具有統(tǒng)計學(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，以及對整個空間的評價和主觀感受描述，在三個實驗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)，需要與個體的基線水平求變化率以確定特定的刺激事件對個體的皮膚電導(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

因無法在該實驗場地創(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)境對被試的皮膚電導(dǎo)SC的影響具有統(tǒng)計學(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)計學(xué)差異(sig=0.027<0.05)，B、C兩組之間有明顯的統(tǒng)計學(xué)差異(sig=0.049<0.05)。可知不同照明條件下被試的情緒和覺醒度有明顯的統(tǒng)計學(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皮電的影響，SCL是測量漸變信號Tonic成分的最常用方法，變化較緩慢，適用于時間較長、較溫和的刺激。SCL的變化與自主覺醒水平有關(guān)。

本實驗中通過給被試一個尋找目的地的認(rèn)知負(fù)荷，來測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，即識別標(biāo)識牌和目的地的難易程度。采用了實驗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)境對被試的皮膚電導(dǎo)SCL的影響不具有統(tǒng)計學(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驗的時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的變化有個體差異，因此僅統(tǒng)計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 眼動數(shù)據(jù)

本實驗采用Tobbi Pro測量。三代眼動儀，采用基于視頻的瞳孔角膜反射式眼動追蹤、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]，其中瞳孔直徑會隨著視疲勞的增加而減小，同時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)變一般會伴隨著眨眼時長的增加[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

該實驗路線上共經(jīng)過7個標(biāo)識，第一個標(biāo)識在實驗開始之前已告知被試，因此只統(tǒng)計兩個廁所標(biāo)識、兩個登機口指示牌、一個貴賓室集成標(biāo)識和一個立牌。利用眼動儀記錄被試的注視點和掃視點，利用ErgoLAB平臺繪制興趣區(qū)，確定對于每個標(biāo)識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別標(biāo)識的能力。

1)單標(biāo)識總注視時間。采用獨立樣本Kruskal-Wallis檢驗發(fā)現(xiàn)三個實驗組的單標(biāo)識總注視時間存在統(tǒng)計學(xué)差異(sig=0.016<0.05)。A、B、C組的總注視時間分別為(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)識總注視時間是逐漸增加的，意味著其識別標(biāo)識的難度是在逐漸增加的。

2)單標(biāo)識首次注視時間。采用Welch方差分析發(fā)現(xiàn)，三個實驗組的單標(biāo)識首次注視時間沒有統(tǒng)計學(xué)差異(F=0.202,P=0.819>0.05)，即首次分辨和讀取標(biāo)識上的信息沒有明顯的難度差異。

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

4)掃視次數(shù)。采用獨立樣本Kruskal-Wallis檢驗，三個實驗組的掃視次數(shù)有明顯的統(tǒng)計學(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)識的難度是逐漸增加的。

3 結(jié)論

根據(jù)主觀評價結(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：三組條件都會使被試在完成尋路實驗時情緒高漲，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別標(biāo)識牌的認(rèn)知負(fù)荷，適量的氛圍光可以降低視覺識別的認(rèn)知負(fù)荷。

根據(jù)眼動數(shù)據(jù)可知：A組在三個實驗組中最不容易引起視疲勞，定位和識別標(biāo)識內(nèi)容的難度最低。

綜合主觀評價、心率、皮電和眼動數(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)識定位和識別難度最低；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兩組的實驗結(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)計標(biāo)準(zhǔn)》中，在保證重點任務(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，保持較高的工作臺面高度水平照度(300 lx)，而排隊區(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)分重點任務(wù)區(qū)域和排隊、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，如做推廣，仍需開展更大規(guī)模的驗證實驗。

表3 實驗結(jié)果

致謝：本研究受北京津發(fā)科技股份有限公司提供的“科研支持計劃”項目支持。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。