人的行為建模在城市人因設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

吳昌旭，周生琦，葉億寧/WU Changxu, ZHOU Shengqi, YE Yining

1 引言

近年來，城市人因研究已成為很多研究者關(guān)注的熱點(diǎn)。人因研究對(duì)提升人們的城市生活質(zhì)量和幸福度起著重要的作用。比如，通過調(diào)整高鐵站自助取票機(jī)身份證放置區(qū)的坡度設(shè)置，減少旅客身份證的遺漏率；地鐵站等候區(qū)設(shè)置電子顯示屏顯示下一班次預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間，減少乘客的等待焦慮等。該領(lǐng)域涌現(xiàn)的大量研究和實(shí)踐成果，為實(shí)現(xiàn)人民的公共利益最大化做出了巨大的貢獻(xiàn)。

目前的相關(guān)研究多是實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)所獲得的研究結(jié)果往往是在較短時(shí)間內(nèi)的有限某幾個(gè)自變量的水平下獲得的結(jié)果（局部點(diǎn)陣），對(duì)長(zhǎng)時(shí)間和多變量連續(xù)變化的情況把握不足。通過實(shí)驗(yàn)歸納的行為機(jī)制的語(yǔ)言描述（有時(shí)是概念模型）非常重要卻不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)人的行為。此外，由于人的認(rèn)知和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)非常復(fù)雜，語(yǔ)言描述在很多情況下可能無法量化這些復(fù)雜的關(guān)系。通過建立人的行為計(jì)算（通常是數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)模擬）模型可以解決這些問題。它提供了對(duì)人的行為機(jī)制的系統(tǒng)和計(jì)算性理解，對(duì)預(yù)測(cè)人的行為，解釋行為背后的潛在機(jī)制有著重要的理論和實(shí)踐價(jià)值。

本文主要包括3個(gè)部分內(nèi)容：首先，介紹人的行為建模的基本情況和常見模型。其次，將按照人的主要活動(dòng)空間（交通、家居、工作場(chǎng)所、其他公共場(chǎng)所），介紹人的行為建模在城市生活中的應(yīng)用；最后，本文將展望人的行為建模在未來城市生活中的進(jìn)一步應(yīng)用。

2 人的行為建模

2.1 人的行為建模概述

行為計(jì)算模型既是一種整合性的理論，也是人的行為的計(jì)算機(jī)仿真程序。只有整合的認(rèn)知理論才能完整地描述和預(yù)測(cè)人類的復(fù)雜行為，并定量預(yù)測(cè)任務(wù)績(jī)效[1]。通過行為計(jì)算模型，人們一方面可以通過仿真理解人類的認(rèn)知和學(xué)習(xí)過程，同時(shí)了解與行為和決策相關(guān)的認(rèn)知過程；另一方面，可以通過將認(rèn)知數(shù)據(jù)作為機(jī)器或系統(tǒng)輸入的一部分，對(duì)指定行為或決策做出擬合或預(yù)測(cè)。正是因?yàn)樾袨橛?jì)算模型可以實(shí)現(xiàn)和支持以上目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)其具有穩(wěn)定和可復(fù)現(xiàn)的特征，行為計(jì)算模型被廣泛應(yīng)用于交通安全、人機(jī)交互、決策評(píng)估、醫(yī)療診斷等多個(gè)領(lǐng)域[2-3]。

2.2 常見的行為計(jì)算模型

目前受到學(xué)術(shù)界廣泛認(rèn)可的行為計(jì)算模型有4個(gè)。（1）ACT-R（Adaptive Control of Thought-Rational）是一種認(rèn)知行為的體系結(jié)構(gòu)和認(rèn)知機(jī)制的理論模型，其通過編程實(shí)現(xiàn)特定任務(wù)的認(rèn)知模型構(gòu)建使系統(tǒng)能夠執(zhí)行人類的各種認(rèn)知任務(wù)，包括感覺、學(xué)習(xí)、記憶等[4-5]；（2）SOAR （State，Operator and Result） 是較為先進(jìn)和成熟且廣受認(rèn)可的認(rèn)知架構(gòu)之一，其綜合了知識(shí)密集型推理、反應(yīng)式執(zhí)行、層次推理、規(guī)劃和經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)，目標(biāo)是創(chuàng)建與人類具有相同認(rèn)知能力的通用計(jì)算系統(tǒng)[6-7]。2011年，SOAR擴(kuò)展了包括視覺空間處理的詳細(xì)公式，開發(fā)了空間/視覺系統(tǒng)（SOAR/SVS）組件[8]。另外，有研究者也對(duì)SOAR/SVS提出了一些修改，為人類視覺空間推理提供了一定理論基礎(chǔ)[9]；（3）EPIC（Executive Process-Interactive Control）適合于模擬人類多模式和多任務(wù)性能的認(rèn)知體系結(jié)構(gòu)，可用于為各種人機(jī)交互情景構(gòu)建精確的計(jì)算模型[10-11]；（4）排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)-人的信息處理計(jì)算模型（QN-MHP，Queuing Network-Model Human Processor），通過排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)對(duì)大腦的腦區(qū)的信息加工進(jìn)行了架構(gòu)，運(yùn)用運(yùn)籌學(xué)中的排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)抓取了人腦信息加工的三大特點(diǎn)：人腦的信息加工是耗時(shí)的，人腦的信息加工是有容量限制的，以及人腦的信息加工是網(wǎng)絡(luò)化多個(gè)腦區(qū)協(xié)同工作的結(jié)果。因此，這使它能夠?qū)θ四X的信息加工進(jìn)行系統(tǒng)和全面的數(shù)學(xué)建模[12-16]。

2.3 排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)-人的信息處理計(jì)算模型（QNMHP）

QN-MHP是基于神經(jīng)學(xué)在人腦腦區(qū)水平的科學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)而發(fā)展起來的一種認(rèn)知架構(gòu)，它的處理器的功能和連接都是根據(jù)其對(duì)應(yīng)的腦區(qū)功能和連接來設(shè)計(jì)（圖1、表1）。

每個(gè)QN-MHP處理器都能夠執(zhí)行過程邏輯功能，并可以生成詳細(xì)的任務(wù)動(dòng)作和模擬實(shí)時(shí)行為。更具體地說，處理器1-8代表感知子網(wǎng)絡(luò)（處理器1-4：視覺處理；5-8：聽覺加工；如大腦的背側(cè)和腹側(cè)系統(tǒng)，圖2）；處理器A-H代表認(rèn)知子網(wǎng)絡(luò)（處理器A：視覺空間畫板；B：語(yǔ)音回路；C：中央執(zhí)行；D：長(zhǎng)時(shí)過程記憶；E：性能監(jiān)視器；F：復(fù)雜認(rèn)知功能；G：目標(biāo)啟動(dòng)；H：長(zhǎng)時(shí)陳述性記憶和空間記憶；如右半球的后頂葉皮層，前額葉區(qū))；處理器V-Z和處理器21-25代表動(dòng)作控制子網(wǎng)絡(luò)（處理器V：感覺動(dòng)作集成；W：動(dòng)作程序檢索；X：反饋信息收集；Y：動(dòng)作程序裝配及錯(cuò)誤檢測(cè)；Z：向身體部位發(fā)送信息；21-25：身體部位：眼睛，嘴，四肢）。當(dāng)前，QN-MHP已經(jīng)在一種通用的工程仿真軟件Promodel中實(shí)現(xiàn)。

QN-MHP有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）QN-MHP的建構(gòu)源于腦區(qū)的神經(jīng)學(xué)研究，而EPIC和ACT-R的建構(gòu)來源于定性的框架并在框架中添加了一些產(chǎn)生式。

（2）QN-MHP與其他模型的理論假設(shè)不同：QN-MHP將人類認(rèn)知視為一個(gè)由混合結(jié)構(gòu)組成的系統(tǒng)，該結(jié)構(gòu)同時(shí)具有并行和串行的處理特性。EPIC將人類認(rèn)知視為一個(gè)并行過程（認(rèn)知模塊中的任務(wù)可以被并行處理），而ACT-R將人類認(rèn)知視為一個(gè)串行過程（認(rèn)知模塊中的任務(wù)需要被依次進(jìn)行處理）。QN-MHP這種不同于ACT-R和EPIC的對(duì)“排隊(duì)”和“混合認(rèn)知結(jié)構(gòu)”的獨(dú)特理解，使QN-MHP能夠用有解析解的數(shù)學(xué)方程對(duì)人類多任務(wù)處理中的各種實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)和建模，并且能夠解釋和預(yù)測(cè)其他模型遇到的難以解釋的實(shí)驗(yàn)結(jié)果反例。

（3）QN-MHP可以用于多任務(wù)控制中的行為和績(jī)效的建模，而且當(dāng)QN-MHP在模擬人的多任務(wù)并行加工時(shí)，不需要第3個(gè)程序來協(xié)調(diào)多個(gè)并行任務(wù)，這個(gè)協(xié)調(diào)會(huì)自然而然的發(fā)生在排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)信息實(shí)體在等待被服務(wù)的過程中。而ACT-R因?yàn)槿鄙龠@個(gè)排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，建模的研究人員必須再編程第3個(gè)程序來協(xié)調(diào)多個(gè)并行任務(wù)。

（4）QN-MHP的很多建模工作是基于人的生理和神經(jīng)科學(xué)研究結(jié)果的，包括：（a）QN-MHP模擬了大腦神經(jīng)遞質(zhì)（去甲腎上腺素等）的作用機(jī)制，對(duì)視覺—手動(dòng)跟蹤任務(wù)中腦電波（事件相關(guān)電位，ERP）的振幅和潛伏時(shí)進(jìn)行了計(jì)算建模，并與多個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致；（b）QN-MHP模擬了大腦動(dòng)作控制區(qū)域的神經(jīng)元的矢量放電分布，從這個(gè)分布預(yù)測(cè)了人在動(dòng)作控制中的失誤概率和失誤發(fā)生的空間范圍，并與多個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

（5） QN-MHP對(duì)人的工作負(fù)荷進(jìn)行了系統(tǒng)的建模工作，包括工作負(fù)荷的問卷測(cè)量的計(jì)算建模，工作負(fù)荷的腦電測(cè)量的計(jì)算建模，以及反映工作負(fù)荷的績(jī)效建模，從操作環(huán)境、人的個(gè)體因素（比如年齡）和任務(wù)等因素綜合預(yù)測(cè)人的工作負(fù)荷的變化并把人的工作負(fù)荷計(jì)算機(jī)仿真可視化。

（6）QN-MHP能夠在智能系統(tǒng)中預(yù)測(cè)人的行為，并且應(yīng)用于事故預(yù)防和人系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括駕駛員超速預(yù)警系統(tǒng)、語(yǔ)音報(bào)警設(shè)計(jì)系統(tǒng)和人機(jī)界面可用性預(yù)測(cè)系統(tǒng)。

1 QN-MHP的通用結(jié)構(gòu)

表1

（7）QN-MHP通過基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的算法模擬人在動(dòng)作學(xué)習(xí)（包括人在學(xué)習(xí)過程中的行為變化）以及腦區(qū)的神經(jīng)學(xué)機(jī)制。

3 人的行為建模在城市人因設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

城市人因設(shè)計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域很多，本文主要是按照人的主要活動(dòng)空間作為劃分標(biāo)準(zhǔn)，從交通、家居、工作場(chǎng)所和公共場(chǎng)所的維度介紹人的行為建模在城市人因設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。工作場(chǎng)所是一個(gè)較為特殊的公共環(huán)境，人們每天在工作場(chǎng)所的時(shí)間很長(zhǎng)，所以單獨(dú)列出加以說明。本文在此也是拋磚引玉，期望更多學(xué)界同儕能關(guān)注并加入這一研究領(lǐng)域。

3.1 人的行為建模在城市交通中的應(yīng)用

交通安全一直是研究者們關(guān)注的焦點(diǎn)問題。每年都會(huì)因?yàn)榻煌ㄊ鹿式o國(guó)家和社會(huì)帶來巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。下文將從行人行為安全建模、汽車駕駛員行為建模兩個(gè)方面進(jìn)行展開。

3.1.1 行人行為安全建模

隨著世界范圍內(nèi)汽車的日益廣泛使用，行人安全是一個(gè)亟待解決的問題。根據(jù)世界衛(wèi)生組織發(fā)布的報(bào)告，2010年全世界約有270,000名行人在交通事故中喪生，占交通事故死亡總數(shù)的22%[17]。盡管交通事故可能是由于駕駛員的不安全行為引起的，但由于行人對(duì)距離和車速的判斷能力差等因素而導(dǎo)致的行人不安全行為也受到較多的關(guān)注。

通過人的行為建?？梢愿玫乩斫庑腥诵袨?。比如，在非斑馬線道路上，行人以不斷變化的速度和方向越過馬路，導(dǎo)致發(fā)生較多的交通事故。我們通過計(jì)算模型來解決行人橫穿馬路時(shí)出現(xiàn)彎曲的行動(dòng)軌跡的機(jī)理。在決策過程中，行人試圖通過權(quán)衡感知風(fēng)險(xiǎn)（PR）和效率來最大程度地減少不適感。感知風(fēng)險(xiǎn)來自車輛和道路上的特定位置。效率則通過與目標(biāo)的偏離來建模[18]。

3.1.2 汽車駕駛員行為建模

駕駛員因素是交通事故當(dāng)中的重要因素之一。比如，駕駛員的超速行為、工作負(fù)荷較高等。

超速行駛的預(yù)測(cè)對(duì)于降低超速行駛速度并防止與超速行駛有關(guān)的交通事故和傷害至關(guān)重要。我們開發(fā)并驗(yàn)證了一種智能超速預(yù)測(cè)系統(tǒng)（ISPS）來防止超速的發(fā)生。通過建模預(yù)測(cè)，ISPS可以成功預(yù)測(cè)大多數(shù)（平均測(cè)試準(zhǔn)確度超過86%）無意超速駕駛情況。ISPS能夠在意外發(fā)生之前至少4秒預(yù)測(cè)意外的速度。4秒鐘的時(shí)間間隔足以發(fā)出警告并讓普通駕駛員響應(yīng)[19]。

信息過載的駕駛員會(huì)大大增加車輛碰撞的概率。我們通過一種基于排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)理論的新計(jì)算方法建模駕駛員績(jī)效和工作負(fù)荷，以及工作負(fù)荷和績(jī)效的年齡差異，進(jìn)而實(shí)時(shí)地將駕駛員工作負(fù)荷可視化[13]。

此外，我們還通過建模的方法探討車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中人在環(huán)的無線告警信息通知模型[20]。

3.2 人的行為建模在家居、工作場(chǎng)所和其他公共場(chǎng)所中的應(yīng)用

人因?qū)ㄖO(shè)計(jì)的影響已在照明、噪音、溫度等可測(cè)量的環(huán)境參數(shù)方面有了大量的研究，已有很多業(yè)已明確的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，比如《民用建筑隔聲設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50118-2010）。然而，還有大量的人因問題以待研究。人的日常行為常有一定規(guī)律，通過行為計(jì)算模型明確人的感知、信息處理與行為決策的相互關(guān)系，并將數(shù)據(jù)合理應(yīng)用，有利于使生活場(chǎng)景的設(shè)計(jì)在最大程度上滿足人因需求。下文將從家居、工作及其他公共場(chǎng)所的人因需求考慮及相關(guān)設(shè)計(jì)進(jìn)行展開。

3.2.1 家居場(chǎng)所設(shè)計(jì)建模

家居場(chǎng)所設(shè)計(jì)常以舒適度、便捷度為重點(diǎn)，旨在通過合理布局規(guī)劃滿足人的日常生活需求。家居場(chǎng)所設(shè)計(jì)包括空間設(shè)計(jì)、陳設(shè)風(fēng)格設(shè)計(jì)等多方面，受到人的生理規(guī)律與思想行為的大幅影響。陳設(shè)風(fēng)格設(shè)計(jì)因人的主觀審美不同而個(gè)體間差異較大，難以用統(tǒng)一模型加以概括，而大部分家居室內(nèi)空間設(shè)計(jì)有共通之處，這得益于對(duì)人的日常行為規(guī)律，即從感知到?jīng)Q策的邏輯鏈的建模分析。

2 建筑人因?qū)W研究舉例：家居場(chǎng)所的設(shè)計(jì)

通過建立QN-MHP模型基于人的生理和神經(jīng)進(jìn)行科學(xué)研究，向此系統(tǒng)輸入具體感知，令其執(zhí)行過程邏輯功能，并生成詳細(xì)的任務(wù)動(dòng)作和模擬實(shí)時(shí)行為，從而數(shù)據(jù)化分析適用于絕大部分人的居家行為模式，我們可以合理規(guī)劃室內(nèi)空間設(shè)計(jì)。例如，常見的臥室與盥洗室配套、廚房與餐廳相連的空間設(shè)計(jì)，滿足了絕大部分人規(guī)律性的使用需求，符合人的日常生活習(xí)慣，即大部分人睡眠前后利用盥洗室更為頻繁，特別是長(zhǎng)時(shí)間睡眠后，衛(wèi)生間往往成為人的第一使用需求；廚房與餐廳常被連續(xù)使用，餐前餐后使用廚房符合絕大部分人的日常生活習(xí)慣，因此廚房與餐廳在多數(shù)室內(nèi)設(shè)計(jì)中相連互通，便于餐前餐品的傳遞及餐后餐具的收理。建立行為模型能提升家居場(chǎng)所設(shè)計(jì)的合理性與實(shí)用性（圖2）。

3.2.2 工作場(chǎng)所設(shè)計(jì)建模

工作場(chǎng)所設(shè)計(jì)與家居場(chǎng)所有所相似，良好的辦公環(huán)境依托于對(duì)人的行為規(guī)律的分析總結(jié)。在常見的寫字樓型工作場(chǎng)所中，從工位的設(shè)計(jì)、辦公室及會(huì)議室的布局到茶水間、盥洗室的合理規(guī)劃，均與人因息息相關(guān)。通過傳統(tǒng)SLP分析方法與人的行為建模相結(jié)合，以確定作業(yè)單位的布局位置，其思想類似于家居場(chǎng)所依據(jù)使用頻率及配套關(guān)系進(jìn)行合理布局規(guī)劃。工廠型的工作場(chǎng)所同樣注重車間、工位設(shè)計(jì)的合理性，流水線模式生產(chǎn)對(duì)工位間配合程度具有更高的要求。如在物流行業(yè)中，通過人體工程學(xué)實(shí)踐研究對(duì)工作場(chǎng)所設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，企業(yè)可以較好地解決不同員工、客戶的即時(shí)需求[21]。

工作場(chǎng)所的陳設(shè)風(fēng)格及配色設(shè)計(jì)從心理、生理兩方面同時(shí)影響著人的行為。依據(jù)人性化研究進(jìn)行的工作場(chǎng)所設(shè)計(jì)常能使員工實(shí)現(xiàn)更優(yōu)工作效果，如百度家園以設(shè)計(jì)健康、友好設(shè)計(jì)環(huán)境的方法論，成為以人為本的設(shè)計(jì)范本[22]。

合理的場(chǎng)所設(shè)計(jì)有助于便捷辦公流程、提高員工工作效率，通過對(duì)人的行為建模將有利于提升行為績(jī)效。

3.2.3 其他公共場(chǎng)所設(shè)計(jì)建模

公共場(chǎng)所中的人因影響更為明顯。車站、機(jī)場(chǎng)、醫(yī)院、商場(chǎng)等人流量大的場(chǎng)所設(shè)計(jì)需對(duì)人的行為因素進(jìn)行更多的考慮。要優(yōu)化車站檢票口及機(jī)場(chǎng)登機(jī)口的布局規(guī)劃、安檢口的位置排布、盥洗室的分布、候車室及候機(jī)室的分布情況，就要求設(shè)計(jì)方對(duì)人流進(jìn)行正確的預(yù)估，對(duì)來往人的行為做出合理的分析判斷，從而實(shí)現(xiàn)合理布局。例如，在火車站及機(jī)場(chǎng)中，通過安檢口后，旅客的第一需求常為尋找所乘車次或航班的相應(yīng)檢票口，因此提供車次或航班信息的顯示大屏幕若安放在進(jìn)站口附近，能夠使進(jìn)站旅客瀏覽信息更加便利；而如今大部分車站將顯示屏放置在了車站或機(jī)場(chǎng)大廳正中間處，加之車站或航站樓樓體較長(zhǎng)，容易給旅客尋找信息帶來極大不便。類似于此，通過建立QNMHP模型執(zhí)行邏輯功能，分析人的行為模式，我們能對(duì)車站、機(jī)場(chǎng)等大型交通場(chǎng)所的設(shè)計(jì)規(guī)劃提出更便捷有效的建設(shè)方案（圖3）。

以醫(yī)院、商場(chǎng)為例的大型場(chǎng)所中已有部分利用工業(yè)工程思想進(jìn)行優(yōu)化布局的研究先例。以SLP分析法確定作業(yè)單位的布局位置，利用建立數(shù)據(jù)模型對(duì)人的行為進(jìn)行預(yù)測(cè)、實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化，可以解決常見的人流分布不均、窗口等待隊(duì)列過長(zhǎng)或場(chǎng)所擁擠等規(guī)劃不合理帶來的弊端。

4 未來展望

城市的高速發(fā)展需要人因研究提供的優(yōu)化思路。其中以社區(qū)層面的群體研究與對(duì)公共交通的研究為典型代表。

4.1 在社區(qū)層面的群體研究

社區(qū)是社會(huì)有機(jī)體最基本的內(nèi)容，是宏觀社會(huì)的縮影。通過對(duì)社區(qū)層面的群體進(jìn)行研究，建立人的行為模型，建構(gòu)邏輯關(guān)系預(yù)測(cè)人的行為，并綜合考慮人在群體中的行為模式，使所建立的模型適用于絕大部分人以及絕大部分群體，將有利于改善社區(qū)規(guī)劃，并由點(diǎn)及面影響城市布局，從而提升城市居民生活質(zhì)量及幸福度。

4.2 對(duì)公共交通的研究

城市交通是居民生活質(zhì)量的重要影響因素。通過以行人、機(jī)動(dòng)車駕駛員、非機(jī)動(dòng)車駕駛員，尤其是汽車駕駛員為主體進(jìn)行建模研究，我們可以更好地理解不同研究主體的行為習(xí)慣，從而提供可靠方案減小道路交通事故發(fā)生率，并有效借助技術(shù)手段，通過建立車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中人在環(huán)的無線報(bào)警信息通知模型、設(shè)計(jì)車載語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)等方式，減少交通事故帶來的生命與財(cái)產(chǎn)損失。

通過對(duì)城市公共交通系統(tǒng)的建設(shè)進(jìn)行人因化分析，改善如公共汽車站、地鐵站、火車站的設(shè)計(jì)模式，利用人的行為分析模型，我們能增強(qiáng)城市公共交通系統(tǒng)的完備性，提高城市居民乘坐公共交通的舒適度與便捷度?！?/p>

3 成都雙流機(jī)場(chǎng)T2航站樓信息大屏與進(jìn)站口位置關(guān)系圖示