在强风环境下提升行人导航安全性：关于辅助扶手及障碍物影响的实验研究

《Safety Science》：Enhancing pedestrian navigation safety under strong wind environments: Experimental insights on assistive handrails and obstacle impacts

行人动力学研究在尾风、头风、横风及阵风条件下行人移动效率与稳定性，发现辅助栏杆可提升安全性12.7%-18.4%，降低侧向偏差30%，改善步频和步幅。障碍物加剧阵风下速度波动达28%，影响疏散效率。

　　在城市环境中，强风已成为影响行人安全和疏散效率的重要因素之一。随着城市建筑高度的不断增加，尤其是在开放空间和隧道等结构中，强风对行人行为的影响愈加显著。由于风力的不可预测性和突发性，行人往往需要在有限时间内完成疏散，而风力的干扰可能加剧行走难度，甚至导致安全隐患。因此，研究行人如何在强风条件下保持稳定、提升行走效率，并探索辅助工具如扶手栏杆对行人行为的影响，具有重要的现实意义。

本研究通过一系列受控实验，分析了行人行为在四种典型风况下的变化：顺风、逆风、侧风以及阵风。实验还评估了扶手栏杆和可跨越障碍物对行人效率、安全感知以及生物力学稳定性的影响。结果显示，风况会显著干扰行人的行走轨迹，降低行走速度，增加横向偏移，并提升不稳定性，尤其是在侧风和阵风条件下。扶手栏杆则在一定程度上改善了行人的安全感知和行走效率，通过提高步频和步长，帮助行人更好地适应风力环境。然而，在阵风情况下，由于风力变化的短暂性和突发性，扶手栏杆对行人效率的提升作用较为有限，但依然能够显著改善行人流动率和稳定性。

在实验设计中，研究者采用了九台可调节风速的风力生成设备，以模拟不同风况下的行人行走环境。实验区域的宽度为1.2米，长度为6米，所有风力设备均按照特定角度和间距布置，以确保风速的一致性。为了评估行人行走效率，研究者采用了速度和流率作为关键指标，并通过视频记录和数据分析手段，量化行人步长和步频的变化。此外，实验还引入了可跨越障碍物，以模拟现实环境中行人可能遇到的物理障碍，观察其对行走行为和稳定性的影响。

在无风情况下，行人可以达到较高的行走速度，通常超过2.0米/秒，且行走轨迹较为集中，显示出良好的稳定性。然而，在风力影响下，行走速度明显下降，轨迹变得更加分散，尤其是在侧风和阵风条件下，行人横向偏移显著增加。这种偏移不仅影响行人之间的空间利用效率，还可能增加行人之间的碰撞风险，从而降低整体疏散效率。相比之下，顺风和逆风对行人轨迹的影响较小，主要体现在速度的变化上。

当引入扶手栏杆后，行人的行走轨迹变得更加稳定，横向偏移显著减少，表明扶手栏杆在提供物理支撑的同时，也帮助行人维持方向控制。特别是在侧风和阵风条件下，扶手栏杆对行人稳定性的影响尤为明显。通过比较不同风况下的数据，研究发现扶手栏杆能够有效提升行人行走效率，其效果在顺风和逆风条件下分别达到12.7%和8.0%，而在侧风和阵风条件下，分别提升18.4%和11.3%。这些结果表明，扶手栏杆在改善行人行走效率方面具有重要作用，尤其是在风力较强或方向复杂的情况下。

然而，扶手栏杆对行人效率的提升并非在所有风况下都表现一致。在阵风条件下，尽管扶手栏杆能够改善行人稳定性，但由于风力的短暂性和不规律性，其对效率的提升效果较为有限。这提示我们，对于阵风等突发性风况，行人可能需要更灵活的应对策略，例如通过调整步伐节奏或寻找临时避风点，以减少风力对行走的干扰。此外，实验还发现，可跨越障碍物在风力影响下会显著降低行人通过效率，导致行人速度波动，甚至增加摔倒的风险。因此，在强风环境中，设计合理的障碍物布局和提供有效的辅助设施，对提升行人安全和效率至关重要。

在安全感知方面，实验通过问卷调查的方式，评估了行人对扶手栏杆的使用体验。结果显示，扶手栏杆在提升行人安全感知方面具有显著作用，尤其是在侧风和阵风条件下，行人对扶手栏杆的依赖程度更高。问卷调查的评分范围为-2到+2，正值表示扶手栏杆对行人有积极影响，负值则表示有负面影响。在无风和无障碍物的情况下，扶手栏杆的使用并未显著影响行人效率，但在风力影响下，其作用变得更加明显。通过结合个体和单列行走的实验数据，研究发现扶手栏杆能够有效改善行人对环境的适应能力，提高整体的安全感知水平。

本研究还探讨了风力对行人生物力学稳定性的影响，包括行人的中心质量（CoM）和中心压力（CoP）的变化。在无风条件下，行人行走时的CoM波动较小，而风力的增加会导致CoM显著升高，并且在行人跨越障碍物时，这种波动更为明显。通过对比扶手栏杆存在与否的实验数据，研究发现扶手栏杆能够有效减少行人CoM的波动，从而降低摔倒的风险。在侧风和阵风条件下，扶手栏杆对行人CoM波动的抑制作用尤为显著，表明其在复杂风况下的重要性。

此外，研究还发现，在风力影响下，行人之间的空间利用效率降低，导致流率下降。在无风条件下，行人流率较高，而在侧风和阵风条件下，流率可能下降高达28%。这表明，风力不仅影响个体行人的行走行为，还可能对群体的疏散效率产生重要影响。因此，在强风环境中，合理的设施设计和有效的疏散策略是降低行人风险的关键。

总体而言，本研究通过实验分析了行人行为在不同风况下的变化，并评估了扶手栏杆和障碍物对行人效率和安全的影响。研究结果表明，扶手栏杆在改善行人安全和稳定性方面具有显著作用，尤其是在侧风和阵风条件下。然而，由于阵风的突发性和短暂性，扶手栏杆对效率的提升作用相对有限。因此，在强风环境中，除了提供扶手栏杆等辅助设施外，还需考虑其他措施，如优化疏散路径、增加避风区域等，以进一步提升行人安全和疏散效率。

本研究的发现对城市基础设施的设计和疏散策略的制定具有重要指导意义。特别是在高风速环境下，如台风或飓风发生时，行人安全和疏散效率的提升需要综合考虑风力的影响以及辅助设施的使用。未来的研究可以进一步探讨不同风速和风向组合对行人行为的影响，并结合实际场景，研究更复杂的风况下行人应对策略的有效性。此外，还可以考虑不同人群（如老年人、儿童或残疾人）在强风条件下的行为差异，以制定更具针对性的安全措施。