基于發(fā)光織物的交通指揮手套智能交互設(shè)計

劉月林，李嘉玲，趙玲玲

基于發(fā)光織物的交通指揮手套智能交互設(shè)計

劉月林，李嘉玲，趙玲玲

（燕山大學(xué) 藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

在惡劣天氣下，有效增強交通指揮手勢辨識度，準(zhǔn)確傳遞指揮信息，降低交通事故發(fā)生率。分析交通指揮產(chǎn)品的現(xiàn)狀和不足，構(gòu)建交警與駕駛者的交通情境交互關(guān)系模型，洞察關(guān)鍵設(shè)計問題，優(yōu)化交通指揮手套功能設(shè)計。探索智能織物與人體的交互方式，設(shè)計發(fā)光織物動態(tài)數(shù)字符號，增強交通手套的手勢可視性，提升手套交互效果，提高交警與駕駛者之間的信息互動效率。最后根據(jù)以上分析提出設(shè)計方案。基于可控發(fā)光織物的交通手套，可以有效增強手勢可視性，提高交警工作效率。交互關(guān)系模型有助于人們快速發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品使用的問題點、獲取相應(yīng)的設(shè)計目標(biāo)，為交通指揮產(chǎn)品設(shè)計提供新的思路，為相關(guān)研究及設(shè)計實踐提供參考。

發(fā)光織物；交通指揮；交互設(shè)計；交互關(guān)系模型

道路交通安全是大家一直關(guān)注的問題，由世界衛(wèi)生組織發(fā)布的《2018年全球交通安全現(xiàn)狀報告》可知，道路交通死亡人數(shù)依舊在上漲，每年死亡人數(shù)達135萬，其中包含交警因公傷亡的數(shù)量[1]。除了強化交通安全法則外，還要在設(shè)備上增加導(dǎo)向和警示功能，在惡劣天氣時輔助交警工作，從而降低其傷亡人數(shù)。

針對逐年增加的交通死亡人數(shù)，如何優(yōu)化現(xiàn)有的交警指揮交通設(shè)備產(chǎn)品設(shè)計迫在眉睫。目前，關(guān)于道路指揮以及惡劣天氣條件下交警產(chǎn)品的設(shè)計研究很少。張偉[2]設(shè)計了一款智能交通控制系統(tǒng)，可以自動檢測道路情況并進行調(diào)整。通過調(diào)研可知，現(xiàn)有措施主要局限于設(shè)備監(jiān)控方面，缺乏對道路改建、交通規(guī)則等相關(guān)影響因素的考慮。

1 交通產(chǎn)品現(xiàn)狀分析

交通指揮的主要方式有2種，分別是交通指示燈和交警手勢指揮。當(dāng)發(fā)生緊急情況或者天氣可見度過低時，只依靠交通信號燈來調(diào)度交通難以滿足需求，事故率會大大增加。在這些難以避免的情形下，交警將會進行現(xiàn)場指揮和疏通，駕駛者及時獲取交警給予的指示是減少事故的關(guān)鍵。

現(xiàn)有的輔助交警指揮產(chǎn)品有交通指揮棒和交通指揮手套。在霧霾、雨雪天氣，交通指揮棒內(nèi)置有LED發(fā)光二極管，適用于公路交通及人口集中的區(qū)域。標(biāo)準(zhǔn)的交警手勢需要雙手完成，交警手握指揮棒會影響手勢的規(guī)范性，且在處理事故時，該產(chǎn)品占用雙手會影響實際工作。

交警手套主要采用氨綸面料，在交通設(shè)備上縫制或粘貼反光材料，可以有效實現(xiàn)夜間辨識。反光材料直接借助車輛光照，通過將光以接近入射光的方向反射回去[3]來照亮前方，駕駛者能夠及時獲得交通指示，并調(diào)整駕駛策略。逆反射技術(shù)是成本低且相對有效的解決措施[4]。由于反光材料本身并不是發(fā)光體，自身光源需要依賴周邊環(huán)境，不確定性過高。本文主要分析交警指揮交通情境構(gòu)成因素及其關(guān)系，提出創(chuàng)新設(shè)計方案，增強交通指示辨識度，協(xié)助交警指揮交通，高效完成指揮任務(wù)，降低道路事故發(fā)生率。

2 情境交互關(guān)系模型

情境交互主要包括5個基本要素，分別為人、行為、手段、目的（目標(biāo)）和場景[5]。根據(jù)這5項基本要素，分析“交警”與“駕駛者”之間的交互行為，洞察交通事故發(fā)生的問題所在，提出合理的解決方案。傳統(tǒng)反光材料的不確定性直接影響著駕駛者獲取指示信息的過程，增加了道路安全事故的發(fā)生率。為了降低該類事故發(fā)生率，可以基于情境交互關(guān)系模型掌握交警、交通指揮產(chǎn)品以及駕駛者三者的交互關(guān)系，提高產(chǎn)品設(shè)計的適用性。

2.1 交通情境關(guān)系模型

研究對象為2名交警和若干駕駛者，研究場景主要是交警、駕駛者、交通指揮產(chǎn)品系統(tǒng)構(gòu)成的一個特定的交通指揮現(xiàn)場，著重研究交通指揮、疏導(dǎo)或者事故處理等情景。此次研究主要以觀察法為主、錄像法為輔。

通過分析構(gòu)建交通情境交互關(guān)系模型，其中包括交警與駕駛者、交警與產(chǎn)品和駕駛者與產(chǎn)品之間的關(guān)系，分別用①、②、③表示，見圖1。

圖1 交通情境交互關(guān)系模型

2.2 交通指揮產(chǎn)品設(shè)計目標(biāo)

惡劣天氣容易導(dǎo)致視線受阻，交警的交通指揮手勢等一系列行為將無法及時傳遞給駕駛者。在不影響工作效率的前提下，借助產(chǎn)品輔助手勢傳遞路況信息，能夠降低復(fù)雜多變的環(huán)境對信息傳遞的影響，增強導(dǎo)向性，提升產(chǎn)品交互性能。產(chǎn)品需操作簡單，使人們能快速上手。同時考慮到職業(yè)的特殊性，附加定位及通信功能，方便應(yīng)對其他可能產(chǎn)生的危機事件。

交通指揮產(chǎn)品主要有以下3個設(shè)計目標(biāo)：

1）增強手勢可視性，選擇固定光源代替現(xiàn)有反光膜，保證光源穩(wěn)定性。

2）設(shè)計光纖符號，增強符號導(dǎo)向性。

3）將交通情境的多變性和危險性納入考慮范圍，賦予產(chǎn)品通信和定位功能，方便應(yīng)對各種緊急情況。分析交警規(guī)范手勢，通過電路設(shè)計實現(xiàn)信號燈與手勢之間的交互，準(zhǔn)確輔助交警指揮交通。

在交警指揮交通的工作場景下，交警的手部是交警與駕駛者進行交互的重要觸點，因此，將設(shè)計定位于手部可穿戴產(chǎn)品。產(chǎn)品需符合手部人機工程學(xué)，具備便攜性等特征，具有LED燈指示和手勢燈光交互等功能。

3 交警手套交互與造型設(shè)計

根據(jù)交通情境交互關(guān)系模型，提出采用發(fā)光織物實現(xiàn)智能交互、指示符號以及手勢燈光交互3個設(shè)計目標(biāo)。

3.1 整體交互方式設(shè)計

智能織物指將電子器件織入布料中，能夠在保證布料柔軟性的同時，具有特殊的電氣性能和機械特性[6]?？蓮囊曈X、聽覺、觸覺等角度切入，實現(xiàn)智能織物與人體的交互。在視覺上，可以通過改變形態(tài)和顏色來展示不同的視覺輸出界面，共有4種變色系統(tǒng)，分別為熱變色、光變色、水變色和壓電變色[7]。智能服裝通過改變顏色進行視覺輸出，以傳達身體或環(huán)境數(shù)據(jù)。發(fā)光服裝通過電致發(fā)光材料或者光致發(fā)光材料，實現(xiàn)紡織品中的照明效果[8]。電致發(fā)光線可以嵌入衣服中直接產(chǎn)生照明界面。發(fā)光二極管（LED）作為紡織品中光纖的光源，可以實現(xiàn)紡織品的發(fā)光。這些發(fā)光紡織品可以將身體變?yōu)閯討B(tài)表面，進而成為一種新的自我表達方式。觸覺是皮膚與外界接觸時受到輕微刺激產(chǎn)生的感覺。振動觸覺型可穿戴設(shè)備多用于虛擬現(xiàn)實，如VR游戲設(shè)備，可穿戴手套能夠發(fā)出不同頻率、形式的振動，表達不同物品給予皮膚的感覺，從而提升用戶的游戲體驗[9]。聽覺是智能服裝其他類型的輸出?？纱┐髟O(shè)備追求“以人為本”以及人與設(shè)備的緊密貼合，從而確保產(chǎn)品的適體性?？萍技徔椢锟稍鰪娨曈X上的沖擊力和表現(xiàn)力、觸覺上的體感舒適度，以及聽覺上的附加性[10]，從而實現(xiàn)產(chǎn)品功能的多樣化。

3.2 交警手套交互設(shè)計

3.2.1 智能交互設(shè)計

發(fā)光織物是指在表面具有發(fā)光效果的織物，能夠在保證功能實現(xiàn)的同時，緊貼不規(guī)則的手部表面。將光纖通過編織、刺繡等工藝與紡織纖維相結(jié)合，能夠在保持紡織品原始基本特性的同時具有與光學(xué)相關(guān)的其他功能，是現(xiàn)代材料科學(xué)與紡織技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物[11]，特別是在滑雪、登山等戶外運動產(chǎn)品和其他安全警示產(chǎn)品中是不可多得的研制工藝[12]。將交通指揮設(shè)備與發(fā)光織物相結(jié)合，以實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)。

3.2.1.1 發(fā)光織物光纖制備

按照發(fā)光方式可將發(fā)光光纖分為端面發(fā)光光纖和側(cè)面發(fā)光光纖[13]，端面發(fā)光光纖僅有端面可以發(fā)光，而側(cè)面發(fā)光光纖不僅端面可以發(fā)光，光纖側(cè)面也有光線輸出，且發(fā)光強度較為均勻。

側(cè)面發(fā)光光纖不僅可以將光從入射端面透射到出射端面，還可以使一部分光從光纖的皮層漏出，從而形成側(cè)面發(fā)光的效果[12]。若將端口發(fā)光光纖編織在紡織品中，則紡織品表面無法漏出光線，無法構(gòu)成視覺界面。側(cè)面發(fā)光光纖材質(zhì)過脆，不適宜編織入柔軟的織物中。端口發(fā)光光纖材質(zhì)較為柔軟，適宜編織入紡織品中，因此，現(xiàn)有許多特殊處理手段能使端口發(fā)光光纖實現(xiàn)側(cè)面發(fā)光，并多應(yīng)用于發(fā)光紡織品的研究中。

端口發(fā)光光纖實現(xiàn)側(cè)面發(fā)光的主要處理方法有3種：機械破壞、化學(xué)溶劑處理和激光處理[14]。通過破壞塑料光纖的表面結(jié)構(gòu)，能使傳輸光線從側(cè)面漏出。經(jīng)過皮層溶劑處理的PMMA發(fā)光光纖，不僅可獲得側(cè)面發(fā)光效果的光纖，還能保證一定的持久性與均勻性[15]。

3.2.1.2 發(fā)光織物結(jié)構(gòu)設(shè)計

光纖織物的組織結(jié)構(gòu)為平紋，設(shè)計發(fā)光光纖的使用范圍，發(fā)光二級管（LED）提供發(fā)光織物的光源，構(gòu)成發(fā)光指示圖案。發(fā)光織物由普通的紡織纖維與光纖交織而成，每根緯線纖維的兩端都暴露在織物的兩側(cè)，用塑料絕緣套管對光纖和發(fā)光二極管進行連接，確保發(fā)光指示界面的輸出。發(fā)光織物結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 發(fā)光織物結(jié)構(gòu)

需保證紡織物具有較低的密度，可將光纖亮度釋放到極致，但同時確保光纖與織物之間具備足夠的摩擦力，以免脫落。滿針羅紋線圈密度可以滿足以上需求，正反面的接觸面適中，摩擦力能確保光纖牢固，且不易脫落。織物表面平滑、手感柔軟，適合用于發(fā)光織物的基礎(chǔ)組織結(jié)構(gòu)中[16]。

3.2.2 指示符號設(shè)計

在可視度較低的環(huán)境下，駕駛者需通過交警的動作獲知交通狀況。符號作為傳遞信息的主要因素，可輔助交警傳遞交通信息，提升交互效果。為防止駕駛者的理解出現(xiàn)偏差，應(yīng)使用已形成固定認知的符號圖案。

在我國的交通標(biāo)志規(guī)范中，禁令標(biāo)志和指示標(biāo)志都使用圓形。對于指向性的圖標(biāo)，大多使用辨認效果較好的三角形。分析交警手勢后可知，當(dāng)指示車輛停止時，交警將手心展示于駕駛者；當(dāng)指示車輛前行或者左右行時，交警將手背展示于駕駛者。因此，可以將禁止性圓形符號編織于手掌處，指示性三角形符號編織于手背處。

從用戶認知來看，光效因帶有“光亮”的屬性，會對用戶的視覺產(chǎn)生直接的刺激，能夠及時提醒駕駛者進行信息的識別和判斷。色彩本身具備一定的特性，它的差異性會給人們帶來截然不同的視覺感受和心理認知，并且具有識別時間短、反應(yīng)快速直接等特點。紅色是感知危險顏色評級中級別最高的顏色，在色彩上起到警示作用，能刺激駕駛者及時做出反應(yīng)，因此，可以將紅色用在手掌處的禁止符號上。綠色具有平靜、安全等含義，適合用于通行、允許等標(biāo)志中，即用在手套背面的通行標(biāo)志上。

通過發(fā)光織物編織結(jié)構(gòu)、符號形狀設(shè)計以及電路設(shè)計3個步驟來制作交通標(biāo)志部分，從而達到增強手勢可視性的設(shè)計目標(biāo)。發(fā)光織物電路設(shè)計見圖3。

圖3 發(fā)光織物電路

3.2.3 手勢燈光交互設(shè)計

手勢是一種最直觀、最易被大眾接受的符號語言。從2007年10月1日開始，新的交通警察手勢信號在全國實行，分別為：停止信號、直行信號、左轉(zhuǎn)彎信號、左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)信號、右轉(zhuǎn)彎信號、變道緩行信號、減速慢行信號、示意車輛靠邊停車信號[17]。

交警指揮交通時，借助雙臂的擺動與手部手勢的配合，能夠準(zhǔn)確傳遞交通信息。根據(jù)觀察可知，交警在指揮過程中手部五指并攏，手腕無大幅度活動。當(dāng)交警示意駕駛者停止前行時，舉起掌心朝向駕駛者且無其他動作，手腕會發(fā)生背伸運動。此外，示意車輛靠邊停車、左轉(zhuǎn)彎以及右轉(zhuǎn)彎等信號皆由2只手共同完成，一只手垂直于身體舉起，另一只手進行擺動，手掌、手臂均保持在同一水平面上。其中一種指揮手勢的手掌、手腕皆會進行屈伸運動，其余手勢的手腕都會與手掌保持在同一水平面上，見圖4。

圖4 手腕背伸運動

多數(shù)交警手勢的手腕處于繃直狀態(tài)，只有在指示禁行狀態(tài)時，手腕會進行背伸運動。為減少資源浪費，防止引導(dǎo)駕駛者做出錯誤判斷，在手腕處嵌入感應(yīng)器，感應(yīng)交警的動作變化，并隨之產(chǎn)生燈光交換[18]。實現(xiàn)手勢燈光交互設(shè)計的裝置主要包括：高強度LED燈、重力開關(guān)、耦合器、光纖織物以及電源控制開關(guān)。當(dāng)腕關(guān)節(jié)進行背伸運動、手掌垂直于地面時，重力開關(guān)開啟，手心紅色LED燈與電源連接，禁止信號亮起，背部綠色LED燈與電源斷開。

3.3 設(shè)計方案

多數(shù)交通警察的工作環(huán)境在室外，佩戴的手套在經(jīng)歷多次暴曬、雨淋、洗滌后，易造成反光條的磨損，進而會減少反光條的使用壽命。由此可見，用發(fā)光織物代替反光條實現(xiàn)符號警示，可以避免反光條長時間使用而導(dǎo)致的警示功能降低。結(jié)合人體工程學(xué)，可以在保證人體貼合度的同時提升手勢交互效果。在設(shè)計目標(biāo)和構(gòu)思的基礎(chǔ)上，繪制方案草圖，見圖5。

基于交警固定的手勢可知，當(dāng)交警指揮車流進行流動時，手套背部箭頭形狀的發(fā)光光纖會變亮；當(dāng)交警手心朝向車流表示停止行駛時，手心處的圓圈發(fā)出紅色燈光。將其運用在設(shè)計方案中（如圖5），方案1將發(fā)光織物運用在手背以及手指背部，提升手套整體的警示比例，并將安全防護作用考慮在其中；方案2將箭頭和圓圈分別應(yīng)用于手背和手心處，設(shè)計松緊腕帶便于穿脫；方案3在三指以及部分手背處運用發(fā)光織物，應(yīng)用三指并攏形成的形狀達到指示效果，傳遞交通信息。

圖5 設(shè)計草圖

3.4 最終設(shè)計方案

考慮到現(xiàn)有的交通標(biāo)志規(guī)范以及交警職業(yè)的特殊性，從交警手套的草圖方案中選擇方案1進行細化，形成最終方案。手作為人體最重要的組成部分，其骨骼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且活動度較高，因此，需要準(zhǔn)確了解手部尺寸以及關(guān)節(jié)活動參數(shù)，以確保關(guān)節(jié)、指節(jié)的尺寸和活動范圍等方面符合人體工程學(xué)，不會給使用者帶來不適。為實現(xiàn)產(chǎn)品批量化生產(chǎn)，需降低成本。將反光條與發(fā)光織物相結(jié)合進行應(yīng)用，讓使用者根據(jù)環(huán)境狀況進行選擇性使用。當(dāng)能見度過低、駕駛者無法及時獲取信息時，開啟光源。在正常天氣下可以直接依賴反光材料。最終設(shè)計方案效果見圖6，智能應(yīng)急交通情景見圖7。

圖6 應(yīng)急交通手套效果

圖7 智能應(yīng)急交通情景

在整體設(shè)計中手掌部分有若干塑膠防滑點，可以增大摩擦力，確保手部正常工作。由于使用人群工作的特殊性，在掌指關(guān)節(jié)處根據(jù)人機工程學(xué)原理，嵌入塑膠凸起殼進行手部防護，可減少自身傷害。手腕部分有灰色魔術(shù)貼腕帶，可以自由調(diào)節(jié)松緊度。同時將通信模塊固定在腕帶上，需要清理手套時摘下來，可以延長手套使用壽命。標(biāo)識部分將滌綸和光纖作為緯線、棉作為經(jīng)線，按照滿針羅紋線圈結(jié)構(gòu)進行編織，既保留了滌綸結(jié)實耐磨、不易變形等特點，又具備棉的吸汗性特征。其余部分采用滌棉混紡的方式，確保穿戴的舒適性，長時間工作也不會給手部帶來生理負擔(dān)。交通標(biāo)識的導(dǎo)向性主要通過形狀識別和顏色編碼來實現(xiàn)，在形狀識別上采用交通領(lǐng)域固定的導(dǎo)向符號形狀——箭頭，在顏色上根據(jù)國家交通規(guī)范，應(yīng)用綠色和紅色，分別代表通行和禁行。

另外，設(shè)計還需關(guān)注產(chǎn)品的佩戴體驗、功耗管理和成本控制。在材質(zhì)上，柔性是發(fā)光織物最大的特點，可以在不影響交警工作的前提下，自由變形并長期佩戴。在滿足手勢可視性和柔軟觸感的基礎(chǔ)上，將反光條與發(fā)光織物相結(jié)合，能夠在實現(xiàn)警示功能的同時，更大程度地節(jié)約能源、降低成本。

通過分析產(chǎn)品的使用場景以及使用過程中可能遇到的問題，可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的交通通信工具多為對講機，其不受網(wǎng)絡(luò)的限制，是交通調(diào)度中不可替代的通信工具。在手腕處的通信模塊中內(nèi)置通信卡，可以幫助交警及時控制事件，并保留事件的音頻證據(jù)。在手腕粘扣處的通信錄音設(shè)備中嵌入GPS模塊，可以在緊急情況下使定位更加準(zhǔn)確、及時。

4 結(jié)語

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，城市交通壓力越來越大，如何降低交通事故的發(fā)生率成為一個重要的議題?；诮煌ㄇ榫辰换リP(guān)系模型，快速獲取交警與駕駛者交互行為中的痛點和不足，分別進行產(chǎn)品的功能和交互設(shè)計，繪制產(chǎn)品造型草圖，并得出最終的設(shè)計方案?；诎l(fā)光織物的交通指揮手套能有效優(yōu)化交通指揮效果，對緩解交通堵塞情況、減少交通事故都有著重要的意義。

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Intelligent Interaction Design of Traffic Command Gloves Based on Luminous Fabric

LIU Yue-lin, LI Jia-ling, ZHAO Ling-ling

(School of Art and Design, Yanshan University, Hebei Qinhuangdao 066004, China)

This paper aims to effectively enhance traffic command hand signal recognition in bad weather, accurately convey command information and reduce the rate of traffic accidents.Firstly, it analyzes the current situation and shortcomings of traffic command products. By constructing a traffic police and driver traffic context relationship model, it gives insight into key design issues and optimization of traffic command glove function design. Secondly, explore the way of interaction between intelligent fabric and human body. Design dynamic digital symbols based on luminous fabric to enhance the gesture visibility of traffic gloves, improve the glove interaction effect, and strengthen the efficiency of information interaction between traffic police-driver. Finally, we design the corresponding scheme according to the above analysis. The traffic glove based on controllable luminous fabric can effectively enhance the gesture visibility. In this way, the efficiency of traffic police is improved. The construction of interaction relationship model helps to quickly find the problems of product usage and obtain the corresponding design objectives. The proposed product design based on light-emitting fabric provides new ideas for future traffic command product design. It also provides a helpful idea for related research and design practice.

luminous fabric; traffic command; interactive design; interaction model

TB472

A

1001-3563(2022)12-0136-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.12.015

2022–01–18

河北省引進留學(xué)人員資助項目（C20190370）

劉月林（1977—），男，博士，教授，主要研究方向為交互界面設(shè)計。

責(zé)任編輯：馬夢遙