施工場地內安全標志位置的有效性研究及其應用

鄭穎琇,陳 星,徐俞凱,劉孔科,何華剛*

(1.中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074；2.武漢地鐵集團有限公司，湖北 武漢 430070)

我國建筑施工安全事故頻發，僅2015年至2019年這五年間，全國共發生房屋市政工程生產安全事故3 275起，死亡3 840人，且逐年呈增長趨勢[1]。頻發的安全事故嚴重阻礙了建筑行業向高效益、高效率方向發展，同時也帶來了很多負面的社會影響。研究表明，施工人員的不安全行為是造成事故的主要原因[2-3]，并且不安全行為與個人的風險感知能力密切相關[4]，而場所內危險信號又是影響風險感知能力的主要因素[5]。一般來說，施工場地內主要采用布置安全標志的方式傳達危險信號，但是目前我國許多建筑施工現場存在安全標志布設不合理的現象[6-7]，使得危險信號傳達效果不佳。因此，提高場所內危險信號的傳達效果成為亟需解決的問題，若能改善這一問題，可在一定程度上避免建筑施工安全事故的發生。

對于安全標志的信息傳達效能問題研究最終可歸結于對安全標志的可見性研究，已有不少學者在這方面取得了一些研究成果。如Filippidis等[8]從對象角度考慮提出了標志可見性集水區(VCA)的概念，并提出了識別標志可見性集水區的方法，但VCA范圍的定義僅涉及標志可視性的物理方面，未考慮觀察者心理、生理方面對標志可視性的影響。例如，作者對觀察者視野、注意力等生理特征進行了最優化假設；Xie等[9]建立了最大視距與觀察角度的函數關系，從而將VCA范圍描述為一個與標志表面相切的圓形所定義的區域，更準確地定義了標志的可見性范圍，并要求參與研究實驗人員的視力正常，但未考慮視野對觀察行為的影響；宋冰雪等[10]深化了Xie等[9]的研究過程，增加了多組對比實驗，并且在實驗過程中使用視野計來保證實驗人員的正常視野范圍，結果發現觀察距離隨偏移角的增加而呈非線性減少，最終可將導向標志的可見域定性為橢圓形；Motamedi等[11]提出了一種標志牌可視性分析和優化系統，將建筑信息模型(BIM)與計算機模擬技術結合，用于模擬行人運動并計算分析標志牌的可見性和覆蓋率，從而實現了標志牌的位置評估優化，但模擬中的行人被假定注意力集中、視野(Fov)平等，不考慮視野的不同范圍。

在以上研究中，研究人員多從標志角度考慮可見性區域，以優化標志整體布局為目的，這在一定程度上忽略或未充分考慮人的視力、視野等生理特征因素對標志可見性區域的反向選擇。鑒于此，本文選擇施工場地內常見的門架式安全標志作為研究對象，從觀察者的角度出發，通過理論分析和實驗研究，探討了在觀察行為中安全標志的有效布置區域，并建立了有效布置區域函數，進而將這一結果與BIM結合，計算并評價工程案例中安全標志布置位置的有效性。

1 安全標志的有效布置區域

1.1 安全標志有效布置區域的概念

若安全標志布置在某個觀察人員的視野范圍內，并且安全標志與人員之間的距離小于或等于最大視距，則安全標志信息很容易被個人捕獲[12]。若安全標志布置在大多數觀察人員的視野范圍內且滿足視距要求，則安全標志的可見性和有效性將大大提高。因此，本文提出安全標志有效布置區域的概念，將安全標志的有效布置區域定義為能夠滿足大部分人員有效觀察行為的安全標志布置范圍。

1.2 安全標志有效布置區域的理論表示范圍

對于門架所在平面，不同路徑的人員能夠觀察到的區域不同。在能夠觀察到的區域內，人眼對不同位置上的安全標志的辨認效果也不同[13]。另外，人員是否位于安全標志的可見域內是決定能否清楚辨認安全標志的關鍵因素[9]，安全標志擺放的位置同樣也決定有多少已知路徑角度的人員能夠進入其可見域。由此可知，安全標志的有效布置區域與觀察人員的路徑、視野和可見域有關。通過研究人員路徑與視野的關系、路徑角度與安全標志可見域的關系，可以得出安全標志有效布置區域的理論表示范圍及視覺顯著性特點。

1.2.1 基于路徑的人員最佳觀察區域

人員在通過門架過程中，需要及時看清安全標志，然后根據安全標志傳達的信息內容做出反應，這就要求人員在視野范圍內迅速搜尋到安全標志且辨認清楚。相關理論研究表明，在不同的視野范圍內，人眼對物體的辨認效果不同[14]。在本研究中，只考慮人員在平視狀態下短時間內能夠辨認清物體的視野范圍，即平視狀態下的最佳視區，具體空間范圍描述為：鉛垂方向上，標準視線以上10°、以下15°；水平方向上，標準視線左、右各20°。其中標準視線周圍3°以內為中心視區，辨認物體最清晰。

假設施工場地內工人在進出過程中始終保持面向門架的平視狀態，不考慮人員視力及注意力等生理因素的差異性，同時忽略場地內環境因素對人員行走軌跡的影響，人員只以直線路徑進出，并且保證人員的最佳視區與門架平面相交，由此人員路徑可來自平面174°方向范圍，圖1(a)中給出了人員通過門架時所有的可能路徑。其中，O點為門架位置；θ為路徑角度(與門架垂直的路徑角度為0°)；D為通過門架所需的路徑長度。

每個試圖通過門架的人員一定會在門架所在平面捕捉到一塊最佳觀察區域，也就是最佳視區與門架平面的相交區域，該區域會隨著路徑角度θ及路徑長度D的變化而發生變化。如圖1(b)所示，人員的平均眼高取1.568 m，在D×tan15°>1.568的條件下，人員1站在路徑角度θ=0°的位置時，其在門架平面上最易觀察的區域為S，人員2站在路徑角度為θ的位置時，其在門架平面上最易觀察的區域為S′。由此，人員以任意θ和D行走時，最佳觀察區域的縱軸bd與橫軸ef可由幾何關系表示如下：

圖1 人員路徑及最佳視區的空間范圍

bd=D×tan10°+min(D×tan15°,1.568)

(1)

ef=D×cosθ×[tan(θ+20°)-tan(θ-20°)]

(2)

式中：D為路徑長度(m);θ為路徑角度(°)。

由此，當路徑長度為D時，考慮所有路徑角度的人員在門架平面上的最佳觀察區域，如圖2所示，不難看出，該區域有界且呈一個類橢圓形，其中縱軸長度不變，始終為bd，橫軸長度為

gh=D×cos3°×(tan23°+tan17°)

(3)

最佳觀察區域大小隨著D值的減小而減小。圖2中顏色的深淺表明了最佳觀察區域的顯著性強弱。在最佳觀察區域內，不是所有位置都能被全部路徑上的人員清楚地觀察到，越靠近中心點O的位置越有利于所有人觀察，沿縱軸y方向延伸任意距離，都能被所有路徑上的人員觀察到，而沿橫軸x方向朝兩邊延伸，隨著延伸距離的增長，能夠觀察到相應區域的人員數量會逐漸減少。

圖2 路徑長度為D時所有路徑角度的人員在門架平面上的最佳觀察區域

1.2.2 安全標志有效布置區域的邊界

由上述可知，即使安全標志布置在全部人員的最佳觀察區域內，也不一定能被大多數人觀察到。因此，需要在最佳觀察區域內確定出安全標志的有效布置區域邊界，使得該邊界內所包含的全部區域滿足大部分人的有效觀察行為。故本節根據人員路徑角度與安全標志可見域之間的關系，探討安全標志有效布置區域的邊界信息。

對于安全標志有效布置區域的橫向邊界，可通過人員路徑角度與安全標志可見域之間的關系確定。當安全標志尺寸一定時，位于任意路徑偏角θ、路徑距離為D的觀察者想要捕獲安全標志上的信息，首先需要進入該安全標志的可見域內[9]。如圖3所示，當安全標志中心點位于O點處，圓M即為安全標志的可見域，則圓M的函數表達式為

圖3 安全標志的可見域

(4)

式中:b為安全標志上文字大小的一半；φ為觀察單個文字時的視角，取0.29°；x、y分別為當安全標志位于坐標原點O時，安全標志可見區域邊界上任意一點的橫、縱坐標[9]。

假設人員在看見安全標志的瞬間能夠正確辨認(即忽略反應時間和個人視力差異)，并且認為位于中心點O處的安全標志能夠被所有通過門架的人員觀察到。另外，安全標志在所有路徑范圍內能夠被75%以上的人員正確辨認才算有效[15]。由角度關系可知，最多可不考慮46.5°路徑角度范圍的人員對安全標志的可見性，則安全標志最遠可布置在O′處，其與O點的距離為L，此時安全標志的可見域為M′，根據幾何關系，可以得出：

(5)

由公式(5)可知，安全標志的有效布置區域的橫向邊界僅與安全標志上文字大小有關，若給定文字大小，則可確定出安全標志有效布置區域的橫向邊界，即x≤|L|。

圖4 安全標志的有效布置區域

(6)

通過以上分析可知，安全標志有效布置區域的邊界僅與安全標志上文字大小有關。此外，在本研究中假設所有門架上張貼的安全標志尺寸及文字大小均與門架尺寸相匹配，符合《安全標志及其使用導則》(GB 2084—2008)標準的規定。故在討論時不考慮門架的尺寸，認為門架的尺寸范圍均在安全標志的有效布置區域內。

2 實驗驗證

2.1 實驗方法

為了驗證提出的門架式安全標志有效布置區域的理論表示范圍，上述研究利用眼動實驗，通過測定人員通過門架過程的眼動數據以及對安全標志的正確辨識率，并通過分析實驗結果說明門架平面內的視覺顯著性規律及視覺顯著區域邊界，進而證明門架式安全標志有效布置區域理論表示范圍的正確性。

由于實際施工場地內干擾因素較多，本實驗所采用的Tobii Pro Glasses 2眼動儀在室外復雜環境中采樣效果不佳，得到的數據可信度較低，可能會導致實驗結果存在較大的偏差。另外，已有研究證實基于照片的室內模擬場景與現場實地的評價結果高度一致[16-17]。因此，本次實驗選擇在室內模擬現場實地場景,主要選擇施工場地內常見的門架結構作為實驗素材，如鋼筋加工棚門架、安全通道出入口門架、配電房門架等，并采用圖片投影模式呈現。為了保證所選照片能夠真實地反映施工場地內門架結構，所有照片均在一天中的同一時間段內進行拍攝，盡量避免干擾因素的影響，拍攝高度為1.568 m左右，每個門架拍攝照片數量不少于5張，并篩選畫質清晰、反映全面的照片作為本實驗素材。實驗中使用的安全標志與門架尺寸相匹配，并符合相關標準規范的要求。實驗素材相關尺寸和人員的最大視距，見表1。

表1 實驗素材相關尺寸和人員的最大視距

根據胡祎程等[18]對安全標志識別性受用戶因素影響的研究結論，本實驗選取30名具有建筑施工短期實習經歷的學生作為實驗對象，在實驗前向實驗對象清楚講解實驗的基本要求，要求實驗對象在自然平和的心態下，以平視角度觀察放映的圖片，并在實驗過程中保證實驗環境安靜和足夠照明。

為了更好地描述區域特性，同時也考慮到遮擋因素，以實驗對角正向面對門架時的方位信息作為本實驗的描述性方位，則共有5個方位表示，分別是：A(左中)、B(左上)、C(中上)、D(右上)、E(右中)。另外，根據前文對安全標志有效布置區域的理論推導，將門架平面劃分為兩個區域，其中區域1在有效區域內，區域2在有效區域外，門架平面具體分區見圖5。在本實驗中，認為人員路徑角度以正對門架為0°，由于人員路徑和門架平面具有對稱性特點，因此僅考慮實驗對象以0°、20°、60°、80°的路徑角度靠近門架投影的情況。

圖5 實驗方案示意圖

具體實驗開展主要分為兩個步驟：

(1) 實驗前準備。準備兩組門架圖片，一組是將安全標志分別布置在區域1內的A1～E1位置，另一組是將安全標志布置在區域2內的A2～E2位置，在實驗中兩組圖片穿插放映。

(2) 實驗過程。每個實驗對象佩戴Tobii Pro Glasses 2眼動儀，目光平視，自O點安全標志的最大視距處出發，分別以0°、20°、60°、80°直線路徑角度朝門架投影行走，眼動儀記錄數據，同時通過問卷調查方式記錄人員對安全標志的認知信息。

2.2 實驗結果

對實驗數據進行了統計分析。為了保證眼動實驗的有效性，首先統計了實驗對象對安全標志的平均正確辨識率，見表2。其中，由于安全標志布置位置及人員路徑具有對稱性，因此僅考慮門架最不利于觀察的一側，當實驗者路徑角度為20°、60°和80°時，不考慮安全標志布置在D和E位置上的情況。

由表2可知：一方面，隨著路徑角度的增大，實驗對象對同一位置上的安全標志的正確辨識率逐漸降低；另一方面，隨著安全標志位置距離門架邊緣的距離越遠，來自同一路徑角度的實驗對象對安全標志的正確辨識率逐漸降低。其中，當實驗對象以正對門架的路徑行走時，對所有位置上的安全標志的正確辨識率均較高；當實驗對象以60°的路徑角度行走時，對布置在A2、B2、C2位置上的安全標志是不能正確辨識或不可見的；當實驗對象以80°的路徑角度行走時，安全標志的正確辨識率≤75%，屬于無效辨識，因此路徑角度為80°的這一組眼動實驗數據無效。

表2 不同路徑角度和標志位置條件下實驗對象對安全標志的平均正確辨識率

根據以上實驗對象對安全標志正確辨識率的統計結果，對安全標志正確辨識率≥75%的眼動實驗數據進行處理分析，主要選取注視次數、注視點首次進入興趣區的時間、落在興趣區首個注視點的注視時間以及落在興趣區的總注視時間作為評價指標，將安全標志所在的區域設置為興趣區，利用熱點圖可視化分析采集到的眼動實驗數據，得到路徑角度為0°、安全標志位于區域2條件下的眼動實驗數據熱點圖(見圖6)。

熱點圖中紅色越深的位置代表實驗對象在注視點停留的時間越長，綠色越淺的位置說明實驗對象在注視點停留的時間越短。不難看出，紅色區域在圖6(c)中較集中，且顏色較深，而在其他圖中雖也有紅色區域，但相對分散，說明該位置的安全標志易被關注。其他條件下眼動實驗數據熱點圖的分析思路與此相同。

圖6 路徑角度為0°、安全標志位于區域2條件下的眼動實驗數據熱點圖

將30名實驗對象在4個模擬場景中的眼動實驗數據導出后取各項評價指標的平均值，其結果見表3，并將上述4個眼動實驗評價指標數據繪制成曲線并進行了對比分析，見圖7。

表3 眼動實驗評價指標數據匯總表

根據圖7中曲線可以分析出如下規律：

圖7 眼動實驗評價指標數據曲線

(1) 注視次數。隨著路徑角度的增大，注視次數逐漸減少；同一路徑角度時，實驗對象在區域2的注視次數明顯少于區域1；當路徑角度為0°時，C位置安全標志的注視次數較多；當路徑角度為20°、60°時，A、B位置安全標志的注視次數較多。注視次數是表征位置視覺顯著性的一個指標，注視次數越多，說明該區域越吸引人的注意[16]。因此，由注視次數可得到安全標志布置位置的視覺顯著性排序為：當實驗對象路徑角度為0°時，有C1>E1>A1>B1>D1=C2>A2=E2>D2>B2；當實驗對象路徑角度為20°時，有A1=B1>C1>A2>B2>C2；當實驗對象路徑角度為60°時，有A1=B1>C1。

(2) 注視點首次進入興趣區的時間和落在興趣區的首個注視點的持續時間。注視點首次進入興趣區的時間越短，或者落在興趣區的首個注視點的持續時間越短，說明興趣區越早被實驗對象發現，即該位置視覺顯著性越高[19]。路徑角度越大，這兩個評價指標值也越大；區域2的兩個評價指標值均高于區域1；根據這兩個評價指標，可得到安全標志布置位置的視覺顯著性排序為：當實驗對象路徑角度為0°時，有C1> A1=E1>B1=D1>C2>A2>E2>D2>B2；當實驗對象路徑角度為20°時，有A1>B1>C1>A2>B2>C2；當實驗對象路徑角度為60°時，有A1>B1>C1。

(3)興趣區內的總注視時間。實驗對象在興趣區內的總注視時間越長，說明對該區域越感興趣。當實驗對象路徑角度為60°時，各個位置安全標志的總注視時間最短；區域1中安全標志的總注視時間均高于區域2；當實驗對象路徑角度為0°時，C位置安全標志的總注視時間最長，其次是A位置；當實驗對象路徑角度為20°時，A、B位置安全標志的總注視時間均較長；當路徑角度為60°時，A位置安全標志的總注視時間最長。

綜上分析結果來看，實驗對象在同一路徑角度的條件下，區域1中安全標志的視覺顯著性明顯高于區域2，隨著路徑角度的增大，各個位置安全標志的視覺顯著性逐漸降低。另外，針對A、B、C 3個位置，還可得到如下3條規律：

(1) 當實驗對象路徑角度為0°時，3個位置安全標志的視覺顯著性排序為C>A>B；

(2) 當實驗對象路徑角度為20°時，3個位置安全標志的視覺顯著性排序為A>B>C；

(3) 當實驗對象路徑角度為60°時，3個位置安全標志的視覺顯著性排序為A>B>C。

現以灰度圖表征A、B、C 3個位置安全標志的視覺顯著性，并將不同路徑角度的分析結果進行疊加，如圖8所示。

圖8 A、B、C位置安全標志的視覺顯著性疊加過程圖

由圖8可知，綜合考慮不同路徑角度的條件下，A、B、C 3個位置安全標志的視覺顯著性排序為A>C>B，由對稱性可推測出門架平面區域內不同方位的視覺顯著性排序為A=E>C>B=D，則該規律與安全標志有效布置區域的視覺顯著性規律相同，將門架平面區域內的視覺顯著性相同的方位點進行連線，所圍成的區域大致如圖9所示。

圖9 門架平面區域內不同方位的視覺顯著性規律

另外，根據前文統計分析出的安全標志正確辨識率可以推測出，在A1與A2、C1與C2位置之間存在一個邊界，邊界以內區域可以使75%路徑角度的人員正確辨認安全標志，邊界輪廓也大致為視覺顯著性相同的方位點連線所構成的形狀，該邊界內所包含區域正是安全標志的有效布置區域。

3 案例應用分析

根據上述研究結論中安全標志有效布置區域的定義范圍，利用BIM技術對某一建筑施工現場的安全標志布置情況依據規則進行自動檢查，并提出優化建議方案，從而提高場地內門架式安全標志的可見性。

本案例選擇的是武漢某一建筑工地，該建筑工地內包括正在建設中的樓棟1#和2#，分別建設至8層和10層 ，另有一樓棟，已完成基坑開挖，正在進行地板澆筑工作。該建筑施工場地內基本配套設施齊全，共有6處出入口門架，均布置了安全標志。

為了檢查該建筑施工場地內門架式安全標志布置位置的有效性，主要按照以下步驟在BIM中實施檢查。首先在Autodesk Revit中創建建筑施工場地的BIM模型，將場地內門架式安全標志位置按照現場實際情況布置在BIM模型中，安全標志的尺寸設置大小需符合GB 2894—2008標準的要求，場地內的門架上選擇5型或6型的安全標志，工地入口處選擇6型或7型的安全標志；然后借助C#語言在Visual Studio中編寫外部程序，并通過 API接入Revit中，從而實現門架式安全標志布置位置的規范性自動檢查的應用功能開發。對門架式安全標志的規范性自動檢查流程主要包括4步：①補充參數,即通過彈窗自行輸入安全標志文字大小的值；②對象提取,即根據門架編碼自動遍歷所有門架模型并提取模型對象的屬性與幾何數據；③檢查計算,即利用提取到的對象數據計算出對應的門架式安全標志的有效布置區域范圍，并判斷已有安全標志位置數據是否滿足該范圍；④檢查結果,即給出判斷結論及建議。

該建筑工地內3處場景門架式安全標志布置位置的有效性檢查結果，見圖10。

圖10 某建筑工地內門架式安全標志布置位置的有效性檢查結果

通過自動檢查可知，鋼筋加工棚的“注意安全”和“必須戴安全帽”安全標志位于有效布置區域外，員工通道的“必須戴安全帽”安全標志位于有效布置區域外，可按照紅色提示區域進行調整，并且鑒于視覺顯著性規律，應將重要的安全標志盡量放置在中間位置。

4 結 論

本研究針對建筑施工場地內門架式安全標志，提出了有效布置區域的概念及理論表示范圍，并通過眼動實驗對該范圍內安全標志的視覺顯著性進行了驗證。該研究結果可以幫助設計人員或施工人員在設計或施工中及時檢查門架式安全標志布置位置的合理性，并對不合理的布置提供改進思路，正如案例應用中所示，這將可有效提高施工場地內安全標志布置的準確性，并可在一定程度上減少事故的發生。