恒隆研究| 李楠研究团队：行人与疏散动力学研究中的众包虚拟现实实验方法：验证与新见解

2025/06/11

最 新 论 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.

通讯作者邮箱nanli@tsinghua.edu.cn

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

全文链接https://doi.org/10.1016/j.aei.2025.103238

01 摘 要

理解社会互动对人群运动模式的影响机制是行人及疏散动力学（PED）研究的关键问题。虚拟现实（VR）技术已成为探究室内环境中行人行为的重要工具，但传统实验室VR实验面临多人交互环境真实性不足、样本偏差及实验成本高昂等挑战。为解决这些局限，系列研究的第一部分提出了众包虚拟现实（CVR）实验方法。作为第一部分研究的延伸，本文通过复现PED领域两项经典实验，系统阐述了CVR实验方法的实施与验证过程。验证过程遵循PED领域操作战术策略多层结构，验证实验的设计在第一部分提出的过程模型指导下完成，并利用自主研发的CrowdVR平台开展。瓶颈实验成功复现了车道形成、拉链效应及流量随瓶颈宽度线性增加等经典现象，在操作层面验证了CVR实验方法的有效性；出口选择实验则复现了应激压力与社交群体对行人预移动和移动行为的已知影响，在战略与战术层面完成了方法验证。此外，研究还揭示了应激压力对行人导航过程中小群体协调行为的影响机制。本文基于两个实验论证了CVR实验方法的优势，包括样本的多元化、晕动症缓解以及交互式协作VR实验的便捷实施。CVR实验方法突破了现有研究手段的方法论与技术限制，为涉及社会互动的行人行为研究提供了新范式。

关键词众包；虚拟现实；瓶颈实验；出口选择；行人与疏散动力学

02 瓶颈实验

瓶颈通常指通行能力受限的狭窄区域，对建筑内行人流动具有显著限制作用。瓶颈区域行人流动特性作为PED领域最受广泛关注的研究主题之一，其研究成果对行人仿真模型构建具有重要指导意义。以往有大量的研究针对瓶颈开展行人运动实验，研究发现的诸如车道形成等基本现象成为支撑本领域的重要基础。本研究通过复现瓶颈实验，旨在操作层面对CVR实验方法进行有效性验证。实验实施严格遵循第一部分提出的CVR实验过程模型，按照实验规划、众包参与者招募、远程培训与实验、众包数据收集的方法论步骤开展。

CVR瓶颈实验中，本研究验证了以下三个重要假设：

假设1.1CVR瓶颈实验的基础指标（即速度、Voronoi密度和比流量Js=ρ·v）的时空分布特征，在形态与变化模式层面与以往瓶颈实验结果具有可比性（图6）；

假设1.2：瓶颈区域两种典型自组织现象（即拉链效应与车道形成）可在CVR瓶颈实验中复现（图7）；

假设1.3CVR瓶颈实验可观测到一个被多项现实实验验证的重要定量定律，即行人流量随瓶颈宽度线性增加（图9）。

6. (a)速度剖面图；（）密度剖面图；（）比流量剖面图

7. ）拉链效应）车道形成

9. 流量随瓶颈宽度增加而线性增加

03 出口选择实验

出口选择作为建筑疏散中关乎生命安全的关键行为，是PED领域另一重要研究主题。依据策略战术操作STO）层次结构，出口选择过程中，预动作阶段选定特定出口的初始计划体现行人策略层导航，而移动阶段行进中的方向决策则反映战术层导航。本研究通过复现出口选择实验，验证CVR实验方法在战略与战术层面对PED研究的适用性。该实验与瓶颈实验类似，遵循系列研究第一部分提出的过程模型并依托CrowdVR平台开展。

CVR出口实验中，本研究验证了以下四个重要假设（图12）：

假设2.1：火灾紧急状态下参与者的预动作时间短于日常状态；

假设2.2：社交群体的存在会延长预动作时间；

假设2.3：火灾紧急状态下参与者的移动时间短于日常状态；

假设2.4：社交群体的存在会延长移动时间。

此外，CVR出口选择实验揭示了新发现，即应激压力会缩短群体协调行为时间（如等待与折返寻找成员）（图13），并减小群体成员间人际距离（图14）。

12. 不同规模社交群体时间比较。（）预动作时间；（）移动时间。注：表示p < 0.05****表示p < 0.0001

13. 各社交群体随时间推移偏离原点的位移。（）组规模；（）组规模；（）组规模

14. 人际距离分布

04 优势与局限

本研究基于两个实验，探讨了CVR实验方法的优势与局限。优势体现在：第一，多元的实验样本。CVR实验方法通过众包招募突破地理、年龄、教育背景与设备所有权的限制，81名样本覆盖中国21个省份（15-66岁），学历层次突破传统实验室局限，显著提升样本多样性与外部效度。第二，缓解晕动症对研究的影响。本研究的问卷数据显示自有VR头盔的参与者晕动症反应（ΔSSQ均值1.22）显著低于实验室VR研究（3-12）。第三，促进互动合作的多人VR在线实验。依托CrowdVR平台实现了多用户实时交互，过程模型确保了实验效度，沉浸式虚拟环境增强社会临场感，突破传统VR实验参与人数限制，为大规模人群行为研究奠定方法基础。

局限性体现在：第一，样本仍可能存在技术偏好偏差、性别失衡等问题。第二，碰撞动力学模拟受限于简化的圆柱体模型和刚性碰撞机制，导致密度与流量数据略低于现实实验。第三，大规模事件模拟面临非线性增长的计算负载与网络同步挑战，可能引发交互延迟。未来可通过混合实验设计、复杂碰撞模型优化以及分布式服务器架构改进等方式，提升高密度场景下的实时交互能力，支撑跨文化疏散行为研究。

05 结 论

本研究提出的CVR验方法具备多种独特优势，包括不限于可获取多维度行为数据、保持实验配置高可控性、拓展多样化场景设置、增强参与者多样性、缓解晕动症、支持群体交互式VR实验等。凭借这些优势，CVR实验方法有望推动行人与疏散动力学领域形成研究新范式。此外，该方法的可迁移性也可扩展至其他领域的交互协作实验，具有广泛的应用潜力。

最后，本研究招募的实验参与者均自备VR头盔，并在实验过程中全力配合，在此，诚挚感谢友爱的VR社群和所有实验参与者！

声明：本文系转载自互联网，请读者仅作参考，并自行核实相关内容。若对该稿件内容有任何疑问或质疑，请立即与铁甲网联系，本网将迅速给您回应并做处理，再次感谢您的阅读与关注。