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

理解社會互動對人群運動模式的影響機制是行人及疏散動力學（PED）研究的關鍵問題。虛擬現實（VR）技術已成為探究室內環境中行人行為的重要工具，但傳統實驗室VR實驗面臨多人交互環境真實性不足、樣本偏差及實驗成本高昂等挑戰。為解決這些局限，系列研究的第一部分提出了眾包虛擬現實（CVR）實驗方法。作為第一部分研究的延伸，本文通過復現PED領域兩項經典實驗，系統闡述了CVR實驗方法的實施與驗證過程。驗證過程遵循PED領域操作戰術策略多層結構，驗證實驗的設計在第一部分提出的過程模型指導下完成，并利用自主研發的CrowdVR平臺開展。瓶頸實驗成功復現了車道形成、拉鏈效應及流量隨瓶頸寬度線性增加等經典現象，在操作層面驗證了CVR實驗方法的有效性；出口選擇實驗則復現了應激壓力與社交群體對行人預移動和移動行為的已知影響，在戰略與戰術層面完成了方法驗證。此外，研究還揭示了應激壓力對行人導航過程中小群體協調行為的影響機制。本文基于兩個實驗論證了CVR實驗方法的優勢，包括樣本的多元化、暈動癥緩解以及交互式協作VR實驗的便捷實施。CVR實驗方法突破了現有研究手段的方法論與技術限制，為涉及社會互動的行人行為研究提供了新范式。

關鍵詞眾包；虛擬現實；瓶頸實驗；出口選擇；行人與疏散動力學

02 瓶頸實驗

瓶頸通常指通行能力受限的狹窄區域，對建筑內行人流動具有顯著限制作用。瓶頸區域行人流動特性作為PED領域最受廣泛關注的研究主題之一，其研究成果對行人仿真模型構建具有重要指導意義。以往有大量的研究針對瓶頸開展行人運動實驗，研究發現的諸如車道形成等基本現象成為支撐本領域的重要基礎。本研究通過復現瓶頸實驗，旨在操作層面對CVR實驗方法進行有效性驗證。實驗實施嚴格遵循第一部分提出的CVR實驗過程模型，按照實驗規劃、眾包參與者招募、遠程培訓與實驗、眾包數據收集的方法論步驟開展。

CVR瓶頸實驗中，本研究驗證了以下三個重要假設：

假設1.1CVR瓶頸實驗的基礎指標（即速度、Voronoi密度和比流量Js=ρ·v）的時空分布特征，在形態與變化模式層面與以往瓶頸實驗結果具有可比性（圖6）；

假設1.2：瓶頸區域兩種典型自組織現象（即拉鏈效應與車道形成）可在CVR瓶頸實驗中復現（圖7）；

假設1.3CVR瓶頸實驗可觀測到一個被多項現實實驗驗證的重要定量定律，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）車道形成

9. 流量隨瓶頸寬度增加而線性增加

03 出口選擇實驗

出口選擇作為建筑疏散中關乎生命安全的關鍵行為，是PED領域另一重要研究主題。依據策略戰術操作STO）層次結構，出口選擇過程中，預動作階段選定特定出口的初始計劃體現行人策略層導航，而移動階段行進中的方向決策則反映戰術層導航。本研究通過復現出口選擇實驗，驗證CVR實驗方法在戰略與戰術層面對PED研究的適用性。該實驗與瓶頸實驗類似，遵循系列研究第一部分提出的過程模型并依托CrowdVR平臺開展。

CVR出口實驗中，本研究驗證了以下四個重要假設（圖12）：

假設2.1：火災緊急狀態下參與者的預動作時間短于日常狀態；

假設2.2：社交群體的存在會延長預動作時間；

假設2.3：火災緊急狀態下參與者的移動時間短于日常狀態；

假設2.4：社交群體的存在會延長移動時間。

此外，CVR出口選擇實驗揭示了新發現，即應激壓力會縮短群體協調行為時間（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. 不同規模社交群體時間比較。（）預動作時間；（）移動時間。注：表示p < 0.05****表示p < 0.0001

13. 各社交群體隨時間推移偏離原點的位移。（）組規模；（）組規模；（）組規模

14. 人際距離分布

04 優勢與局限

本研究基于兩個實驗，探討了CVR實驗方法的優勢與局限。優勢體現在：第一，多元的實驗樣本。CVR實驗方法通過眾包招募突破地理、年齡、教育背景與設備所有權的限制，81名樣本覆蓋中國21個省份（15-66歲），學歷層次突破傳統實驗室局限，顯著提升樣本多樣性與外部效度。第二，緩解暈動癥對研究的影響。本研究的問卷數據顯示自有VR頭盔的參與者暈動癥反應（ΔSSQ均值1.22）顯著低于實驗室VR研究（3-12）。第三，促進互動合作的多人VR在線實驗。依托CrowdVR平臺實現了多用戶實時交互，過程模型確保了實驗效度，沉浸式虛擬環境增強社會臨場感，突破傳統VR實驗參與人數限制，為大規模人群行為研究奠定方法基礎。

局限性體現在：第一，樣本仍可能存在技術偏好偏差、性別失衡等問題。第二，碰撞動力學模擬受限于簡化的圓柱體模型和剛性碰撞機制，導致密度與流量數據略低于現實實驗。第三，大規模事件模擬面臨非線性增長的計算負載與網絡同步挑戰，可能引發交互延遲。未來可通過混合實驗設計、復雜碰撞模型優化以及分布式服務器架構改進等方式，提升高密度場景下的實時交互能力，支撐跨文化疏散行為研究。

05 結 論

本研究提出的CVR驗方法具備多種獨特優勢，包括不限于可獲取多維度行為數據、保持實驗配置高可控性、拓展多樣化場景設置、增強參與者多樣性、緩解暈動癥、支持群體交互式VR實驗等。憑借這些優勢，CVR實驗方法有望推動行人與疏散動力學領域形成研究新范式。此外，該方法的可遷移性也可擴展至其他領域的交互協作實驗，具有廣泛的應用潛力。

最后，本研究招募的實驗參與者均自備VR頭盔，并在實驗過程中全力配合，在此，誠摯感謝友愛的VR社群和所有實驗參與者！

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