2025/06/11

最 新 論 文

【作者】

Jieyu Chen, Nan Li^{a, b,*}

a Department of Construction Management, Tsinghua University, Beijing 100084, China.

b Hang Lung Center for Real Estate, Tsinghua University, Beijing 10084, China.

通訊作者郵箱nanli@tsinghua.edu.cn

期刊信息Advanced Engineering Informatics, Volume 65, Part A

全文鏈接https://doi.org/10.1016/j.aei.2025.103238

01 摘 要

理解社會(huì)互動(dòng)對(duì)人群運(yùn)動(dòng)模式的影響機(jī)制是行人及疏散動(dòng)力學(xué)（PED）研究的關(guān)鍵問題。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)已成為探究室內(nèi)環(huán)境中行人行為的重要工具，但傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室VR實(shí)驗(yàn)面臨多人交互環(huán)境真實(shí)性不足、樣本偏差及實(shí)驗(yàn)成本高昂等挑戰(zhàn)。為解決這些局限，系列研究的第一部分提出了眾包虛擬現(xiàn)實(shí)（CVR）實(shí)驗(yàn)方法。作為第一部分研究的延伸，本文通過復(fù)現(xiàn)PED領(lǐng)域兩項(xiàng)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)闡述了CVR實(shí)驗(yàn)方法的實(shí)施與驗(yàn)證過程。驗(yàn)證過程遵循PED領(lǐng)域操作戰(zhàn)術(shù)策略多層結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)在第一部分提出的過程模型指導(dǎo)下完成，并利用自主研發(fā)的CrowdVR平臺(tái)開展。瓶頸實(shí)驗(yàn)成功復(fù)現(xiàn)了車道形成、拉鏈效應(yīng)及流量隨瓶頸寬度線性增加等經(jīng)典現(xiàn)象，在操作層面驗(yàn)證了CVR實(shí)驗(yàn)方法的有效性；出口選擇實(shí)驗(yàn)則復(fù)現(xiàn)了應(yīng)激壓力與社交群體對(duì)行人預(yù)移動(dòng)和移動(dòng)行為的已知影響，在戰(zhàn)略與戰(zhàn)術(shù)層面完成了方法驗(yàn)證。此外，研究還揭示了應(yīng)激壓力對(duì)行人導(dǎo)航過程中小群體協(xié)調(diào)行為的影響機(jī)制。本文基于兩個(gè)實(shí)驗(yàn)論證了CVR實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)勢(shì)，包括樣本的多元化、暈動(dòng)癥緩解以及交互式協(xié)作VR實(shí)驗(yàn)的便捷實(shí)施。CVR實(shí)驗(yàn)方法突破了現(xiàn)有研究手段的方法論與技術(shù)限制，為涉及社會(huì)互動(dòng)的行人行為研究提供了新范式。

關(guān)鍵詞眾包；虛擬現(xiàn)實(shí)；瓶頸實(shí)驗(yàn)；出口選擇；行人與疏散動(dòng)力學(xué)

02 瓶頸實(shí)驗(yàn)

瓶頸通常指通行能力受限的狹窄區(qū)域，對(duì)建筑內(nèi)行人流動(dòng)具有顯著限制作用。瓶頸區(qū)域行人流動(dòng)特性作為PED領(lǐng)域最受廣泛關(guān)注的研究主題之一，其研究成果對(duì)行人仿真模型構(gòu)建具有重要指導(dǎo)意義。以往有大量的研究針對(duì)瓶頸開展行人運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)的諸如車道形成等基本現(xiàn)象成為支撐本領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)。本研究通過復(fù)現(xiàn)瓶頸實(shí)驗(yàn)，旨在操作層面對(duì)CVR實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行有效性驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)實(shí)施嚴(yán)格遵循第一部分提出的CVR實(shí)驗(yàn)過程模型，按照實(shí)驗(yàn)規(guī)劃、眾包參與者招募、遠(yuǎn)程培訓(xùn)與實(shí)驗(yàn)、眾包數(shù)據(jù)收集的方法論步驟開展。

CVR瓶頸實(shí)驗(yàn)中，本研究驗(yàn)證了以下三個(gè)重要假設(shè)：

假設(shè)1.1CVR瓶頸實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)指標(biāo)（即速度、Voronoi密度和比流量Js=ρ·v）的時(shí)空分布特征，在形態(tài)與變化模式層面與以往瓶頸實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有可比性（圖6）；

假設(shè)1.2：瓶頸區(qū)域兩種典型自組織現(xiàn)象（即拉鏈效應(yīng)與車道形成）可在CVR瓶頸實(shí)驗(yàn)中復(fù)現(xiàn)（圖7）；

假設(shè)1.3CVR瓶頸實(shí)驗(yàn)可觀測(cè)到一個(gè)被多項(xiàng)現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的重要定量定律，即行人流量隨瓶頸寬度線性增加（圖9）。

6. (a)速度剖面圖；（）密度剖面圖；（）比流量剖面圖

7. ）拉鏈效應(yīng)）車道形成

9. 流量隨瓶頸寬度增加而線性增加

03 出口選擇實(shí)驗(yàn)

出口選擇作為建筑疏散中關(guān)乎生命安全的關(guān)鍵行為，是PED領(lǐng)域另一重要研究主題。依據(jù)策略戰(zhàn)術(shù)操作STO）層次結(jié)構(gòu)，出口選擇過程中，預(yù)動(dòng)作階段選定特定出口的初始計(jì)劃體現(xiàn)行人策略層導(dǎo)航，而移動(dòng)階段行進(jìn)中的方向決策則反映戰(zhàn)術(shù)層導(dǎo)航。本研究通過復(fù)現(xiàn)出口選擇實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證CVR實(shí)驗(yàn)方法在戰(zhàn)略與戰(zhàn)術(shù)層面對(duì)PED研究的適用性。該實(shí)驗(yàn)與瓶頸實(shí)驗(yàn)類似，遵循系列研究第一部分提出的過程模型并依托CrowdVR平臺(tái)開展。

CVR出口實(shí)驗(yàn)中，本研究驗(yàn)證了以下四個(gè)重要假設(shè)（圖12）：

假設(shè)2.1：火災(zāi)緊急狀態(tài)下參與者的預(yù)動(dòng)作時(shí)間短于日常狀態(tài)；

假設(shè)2.2：社交群體的存在會(huì)延長(zhǎng)預(yù)動(dòng)作時(shí)間；

假設(shè)2.3：火災(zāi)緊急狀態(tài)下參與者的移動(dòng)時(shí)間短于日常狀態(tài)；

假設(shè)2.4：社交群體的存在會(huì)延長(zhǎng)移動(dòng)時(shí)間。

此外，CVR出口選擇實(shí)驗(yàn)揭示了新發(fā)現(xiàn)，即應(yīng)激壓力會(huì)縮短群體協(xié)調(diào)行為時(shí)間（如等待與折返尋找成員）（圖13），并減小群體成員間人際距離（圖14）。

12. 不同規(guī)模社交群體時(shí)間比較。（）預(yù)動(dòng)作時(shí)間；（）移動(dòng)時(shí)間。注：表示p < 0.05****表示p < 0.0001

13. 各社交群體隨時(shí)間推移偏離原點(diǎn)的位移。（）組規(guī)模；（）組規(guī)模；（）組規(guī)模

14. 人際距離分布

04 優(yōu)勢(shì)與局限

本研究基于兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，探討了CVR實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)勢(shì)與局限。優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：第一，多元的實(shí)驗(yàn)樣本。CVR實(shí)驗(yàn)方法通過眾包招募突破地理、年齡、教育背景與設(shè)備所有權(quán)的限制，81名樣本覆蓋中國(guó)21個(gè)省份（15-66歲），學(xué)歷層次突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室局限，顯著提升樣本多樣性與外部效度。第二，緩解暈動(dòng)癥對(duì)研究的影響。本研究的問卷數(shù)據(jù)顯示自有VR頭盔的參與者暈動(dòng)癥反應(yīng)（ΔSSQ均值1.22）顯著低于實(shí)驗(yàn)室VR研究（3-12）。第三，促進(jìn)互動(dòng)合作的多人VR在線實(shí)驗(yàn)。依托CrowdVR平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了多用戶實(shí)時(shí)交互，過程模型確保了實(shí)驗(yàn)效度，沉浸式虛擬環(huán)境增強(qiáng)社會(huì)臨場(chǎng)感，突破傳統(tǒng)VR實(shí)驗(yàn)參與人數(shù)限制，為大規(guī)模人群行為研究奠定方法基礎(chǔ)。

局限性體現(xiàn)在：第一，樣本仍可能存在技術(shù)偏好偏差、性別失衡等問題。第二，碰撞動(dòng)力學(xué)模擬受限于簡(jiǎn)化的圓柱體模型和剛性碰撞機(jī)制，導(dǎo)致密度與流量數(shù)據(jù)略低于現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)。第三，大規(guī)模事件模擬面臨非線性增長(zhǎng)的計(jì)算負(fù)載與網(wǎng)絡(luò)同步挑戰(zhàn)，可能引發(fā)交互延遲。未來可通過混合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、復(fù)雜碰撞模型優(yōu)化以及分布式服務(wù)器架構(gòu)改進(jìn)等方式，提升高密度場(chǎng)景下的實(shí)時(shí)交互能力，支撐跨文化疏散行為研究。

05 結(jié) 論

本研究提出的CVR驗(yàn)方法具備多種獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，包括不限于可獲取多維度行為數(shù)據(jù)、保持實(shí)驗(yàn)配置高可控性、拓展多樣化場(chǎng)景設(shè)置、增強(qiáng)參與者多樣性、緩解暈動(dòng)癥、支持群體交互式VR實(shí)驗(yàn)等。憑借這些優(yōu)勢(shì)，CVR實(shí)驗(yàn)方法有望推動(dòng)行人與疏散動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域形成研究新范式。此外，該方法的可遷移性也可擴(kuò)展至其他領(lǐng)域的交互協(xié)作實(shí)驗(yàn)，具有廣泛的應(yīng)用潛力。

最后，本研究招募的實(shí)驗(yàn)參與者均自備VR頭盔，并在實(shí)驗(yàn)過程中全力配合，在此，誠(chéng)摯感謝友愛的VR社群和所有實(shí)驗(yàn)參與者！

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