黃中意,田 賽,朱辰超,房志明
(上海理工大學(xué) 管理學(xué)院,上海 200082)
發(fā)展軌道交通是緩解城市交通問題的重要途徑,與出租車、公交車等其他交通方式相比,地鐵單節(jié)車廂乘客多、站臺人員密度高、地鐵站內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且在地下運營。以上特點意味著地鐵系統(tǒng)內(nèi)如果發(fā)生重大的突發(fā)事件,有可能演變成為群死群傷的特大事故。針對地鐵人群的疏散問題,學(xué)者們主要通過建立模型和組織實驗開展研究工作。
模型研究方面,廣泛應(yīng)用的模型包括社會力模型,元胞自動機模型和宏觀經(jīng)驗公式模型, LONG等[1]將社會力模型與行人特征相結(jié)合,研究行人行為對疏散引導(dǎo)的影響;熊國強等[2]基于元胞自動機理論,利用AnyLogic軟件平臺對地鐵站內(nèi)突發(fā)客流及其影響因素進行了分析;劉智成等[3]利用經(jīng)驗公式和理論分析的方法,獲得了不同站臺形式設(shè)計方案下地鐵站的最大運輸能力的理論值;梅艷蘭等[4]通過對地鐵站密集人群應(yīng)急疏散的目標和約束條件進行剖析,構(gòu)建地鐵站密集人群應(yīng)急疏散能力分析模型,然后用Pathfinder軟件進行仿真驗證。實驗研究方面,PROULX等[5]在倫敦地鐵開展未提前通知的疏散演習,統(tǒng)計了不同提示組合下從語音開始播放到人群最早開始疏散的時間;侯團增[6]通過對一起真實案例進行視頻分析,統(tǒng)計了從突發(fā)事件發(fā)生到運營公司確定實驗方案以及乘客最早開始疏散之間的時間;針對站廳和車站中的人員,研究者通過在地鐵樞紐開展觀測實驗獲取了人群運動時的流量、密度、速度及兩者之間的相互關(guān)系[7-8];黃利華等[9]在北京地區(qū)開展問卷調(diào)查,獲取了乘客在地鐵突發(fā)事件下對典型疏散行為的認知情況。
從發(fā)展趨勢上看,虛擬現(xiàn)實(virtual reality,VR)技術(shù)被越來越廣泛地應(yīng)用于可控實驗研究。與真實場景實驗相比,VR實驗具有更佳的可控性、可重復(fù)性、經(jīng)濟性和安全性[10],近年來被越來越多地用于研究緊急情況下的人員行為[11]。通過開展VR實驗,學(xué)者們探究了消防廣播的內(nèi)容[12]、語速與信息量[13]對人員情緒及疏散路徑選擇的影響,指出VR似乎非常適合評估疏散過程中的個體因素和心理因素;另有學(xué)者以指示標識為對象,開展VR實驗研究了標識的位置[14]、動態(tài)特性[15]對疏散路徑選擇的影響,并通過眼動儀分析不同指示標識設(shè)置下視覺注視點的變化特征[16]。
通過上述調(diào)研發(fā)現(xiàn)地鐵疏散相關(guān)研究大多數(shù)針對的是站廳或站臺,極少有研究針對車廂內(nèi)部??紤]到誘導(dǎo)信息是車廂內(nèi)疏散的主要干預(yù)方式,基于可編輯VR實驗平臺探究5種不同的誘導(dǎo)信息對車廂疏散的作用效果,通過定量與定性評價對比其優(yōu)劣,最終為車廂內(nèi)的疏散誘導(dǎo)信息的設(shè)置提供建議和實驗數(shù)據(jù)支持。
筆者所在團隊使用Unity3D和MAYA軟件開發(fā)了可編輯疏散動力學(xué)實驗平臺,實驗在該平臺的地鐵車廂場景中開展,如圖1所示,該場景包括5節(jié)車廂和1個站臺。該實驗平臺的最主要特點在于可自由編輯實驗參與者的起始位置、設(shè)置結(jié)構(gòu)、火災(zāi)和煙霧位置及發(fā)生時間、誘導(dǎo)信息種類和屬性、NPC運動軌跡等。實驗參與者通過佩戴VR眼鏡(HTC VIVE Cosmos)進入場景,并通過手柄控制虛擬人物的運動和交互。
圖1 地鐵車廂內(nèi)場景
實驗場景如圖2所示,模擬列車尾部(第4節(jié)和第5節(jié)連接處)發(fā)生火災(zāi),導(dǎo)致車門控制系統(tǒng)發(fā)生故障,只有第1節(jié)車廂的兩個門可以及時打開的情況。虛擬人物初始化位置在第3車廂附近的站臺區(qū)域,為避免火災(zāi)發(fā)生時刻參與者在地鐵車廂的位置相差較大而對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響,在火災(zāi)(40 s)發(fā)生之前參與者只可在第3車廂內(nèi)移動,之后即可自由探索出口?;馂?zāi)發(fā)生點設(shè)置在第4、5節(jié)車廂的連接處,列車到站后只有第1車廂的前兩個車門(標號1和2)在列車到站時打開,其余車門開啟時間為列車到站后35 s。實驗過程中的重要事件節(jié)點和對應(yīng)事件如圖3所示。
圖2 地鐵車廂場景示意圖
圖3 實驗重要時間節(jié)點及事件
根據(jù)在45 s時釋放誘導(dǎo)信息的不同,實驗可分為5個子場景,分別為:報站字幕、廣播語音(未指明具體疏散方向)、廣播語音(指明疏散方向)、引導(dǎo)員肢體動作、地鐵車門旁的視頻指示,更具體的信息描述如表1所示,3種視覺指示的效果如圖4所示。因此,實驗的主要目的在于探究不同誘導(dǎo)信息對車廂內(nèi)乘客疏散的影響。
表1 誘導(dǎo)信息設(shè)置
圖4 報站字幕、視頻指示、安全員效果圖
通過在線方式在上海理工大學(xué)招募了100名參與者,感興趣的學(xué)生通過填寫問卷報名,他們在持續(xù)20 min左右的實驗結(jié)束之后會獲得50元的報酬,最終所有參與者(平均23.6±1.25歲,21~28歲不等;50名男性和50名女性)都完成該實驗并提供了有效數(shù)據(jù)結(jié)果。每個參與者都需參加4次連續(xù)進行的實驗,分別為乘坐體驗實驗(無任何突發(fā)事件和誘導(dǎo)信息)、誘導(dǎo)信息單獨作用實驗(分析對象)、NPC指引實驗、NPC和廣播信息沖突實驗。因此實驗參與者在進行分析實驗(第2次實驗)時,完全不清楚實驗?zāi)康?,且每人僅開展一次實驗,從而避免了得知實驗?zāi)康闹笤斐傻母蓴_。最終,5個場景分別獲得了19、20、21、20、20份數(shù)據(jù)。
得益于虛擬環(huán)境的數(shù)字化特性,筆者通過錄屏和軟件內(nèi)部記錄,采集了實驗過程的第一人稱視角視頻和人員運動軌跡。人員軌跡以Jason格式保存,每秒記錄一次人員中心點在二維平面上的投影位置。
運動軌跡是參與者運動特性的體現(xiàn),而參與者行為的變化需要從視頻數(shù)據(jù)中手動獲取。通過觀察第一人稱視頻,將參與者的行為劃分為5個類別:原地駐留等待(Bstay)、接收信息(Breceive)、向列車前方移動(Bmove_f)、向列車后方移動(Bmove_b)、走出車門(Bleave)。5種行為模式及其對應(yīng)的判定條件如表2所示。根據(jù)上述定義,通過仔細查看第一人稱視角視頻將實驗過程手動標記為時間-行為序列,結(jié)果如表3所示。針對每個實驗參與者,分別記錄某一行為模式的種類及其開始時間。根據(jù)前文可知,火災(zāi)及警報在40 s時產(chǎn)生,因此統(tǒng)計也從40 s開始。則表3中1號參與者的行為序列可以描述為:40~52 s,原地停留;52~62 s,接受信息;62~86 s,向車頭方向運動,并于86 s離開車廂。
表2 參與者可執(zhí)行行為參數(shù)
表3 參與者時間-行為序列
在人員疏散領(lǐng)域,疏散的預(yù)動作階段通常是指從突發(fā)事件發(fā)生到人員開始疏散這段時間。在實驗中,火災(zāi)及車門處的報警是從40 s開始的,則預(yù)動作階段也從40 s開始。由于實驗人員處于車廂的第3節(jié)且該節(jié)車廂所有車門均關(guān)閉,人員一旦開始疏散,需向車箱的前方或后方運動,即在行為序列里出現(xiàn)Bmove_f或Bmove_b。因此,將行為序列中第1個Bmove_f或Bmove_b出現(xiàn)的時間記為預(yù)動作階段的截止時間。值得注意的是,在95 s時所有車門會自動打開,表示實驗結(jié)束,所以在某些實驗的行為序列中并未出現(xiàn)Bmove_f或Bmove_b,即人員從始至終都沒有開始疏散。在這種情況下,實際上是無法獲取準確的預(yù)動作時間的,或者說預(yù)動作時間至少大于55 s,出現(xiàn)這種情況的實驗為超時實驗。在5種實驗場景中,超時實驗次數(shù)分別為9、6、2、3、6。也就是說,報站字幕和廣告屏幕容易被忽略,廣播(有方向指示)和引導(dǎo)員則不容易被忽略。由于場景2中的廣播并沒有為乘客疏散指明方向,有6位參與者選擇原地等待而不是聽從廣播的指引盡快疏散至車廂外。因此,在廣播中應(yīng)明確下一步需采取的應(yīng)對行為。
為了對預(yù)動作時間進行進一步分析,在計算預(yù)動作時間時將超時實驗進行了剔除,剔除后不同場景的平均預(yù)動作時間如表4所示。為減弱異常值的影響,在計算平均值和標準差之前都對數(shù)據(jù)進行異常值檢測與去除,異常值的檢測標準為[Q1-1.5IRQ,Q3+1.5IQR]以外的值。其中,Q1和Q3為上下四分位數(shù),IQR為分位間距。由表4可知,視頻指示(場景5)與有方向指示的語音(場景3)的預(yù)動作時間較短,安全員(場景4)和無方向指示語音(場景2)其次,報站字幕(場景1)的預(yù)動作時間最長。筆者進一步地在表4中對比了預(yù)動作時間和超時實驗數(shù)量的排名,發(fā)現(xiàn)與超時實驗數(shù)量中的排名相比,場景5和場景4的排名發(fā)生了反轉(zhuǎn)。其原因在于兩種信息的易理解性有差異。乘客視角中視頻指示如圖5(b)所示,一旦乘客注意到該視頻,則很容易看清楚并理解該視頻的引導(dǎo)信息。而對安全員而言,其在乘客視角中如圖5(a)所示。根據(jù)該圖,安全員站位與乘客有一定的距離,在照明不足的情況下即使車廂空曠,待疏散乘客也難以第一時間看清楚引導(dǎo)員的動作,在開始運動之前需花費更長時間看清并理解引導(dǎo)員意圖。
表4 不同場景的預(yù)動作時間(剔除超時組)
圖5 實驗參與者視角中的引導(dǎo)員和視頻指示
為了定量分析信息理解耗時,對整個實驗過程中Breceive的時長進行了統(tǒng)計,結(jié)果如圖6所示。由圖可知,報站字幕和廣播(無方向指示)的Breceive幾乎處于同一水平,其均值分別為34.26 s和33.60 s。排在第3位的是引導(dǎo)員,其均值為28.00 s,明顯大于廣告視頻的18.44 s和廣播(有方向指示)的16.33 s。正是不同誘導(dǎo)信息在理解耗時上的差異,導(dǎo)致場景5和場景4在預(yù)動作時間排名上的反轉(zhuǎn)。值得注意的是,盡管廣播(有方向指示)在各方面都表現(xiàn)較好,但其預(yù)動作時間仍比場景5中的長。根據(jù)文獻[17],其主要原因在于語音信息的釋放受語速的影響。在實驗中,場景3的語音共持續(xù)約10 s,即使該信息很容易被察覺和理解,仍需額外耗時10 s在信息的釋放上。如果參與者第一遍沒聽清楚,需要再等待10 s以重新獲取該信息。與聽覺信息相比,視覺信息的釋放更加持續(xù)和直接。報站字幕由于顯示字數(shù)有限,需要以滾動字幕的形式播放所有文字信息,滾動一個循環(huán)耗時約8 s;引導(dǎo)員做一個循環(huán)的肢體引導(dǎo)動作耗時約6 s;廣告屏幕上的視頻由于每一幀都明確指明安全出口方向,因此其耗時為0 s;不同場景下信息釋放耗時及其排序如表5所示。
圖6 不同場景中Breceive持續(xù)時長
表5 不同誘導(dǎo)信息的釋放耗時
運動階段是指人員從開始運動到通過安全出口逃離的階段。在實驗中,只有1名虛擬人物(即實驗參與者自身),且實驗參與者通過手柄控制運動速度。雖然可以通過手柄控制運動速度,但由于車廂中沒有障礙物且無體力限制,實驗參與者通常會選擇將手柄搖桿推到最前方,以最快速度(1.5 m/s)在場景中運動。因此,實驗運動階段更多體現(xiàn)的是疏散決策的延續(xù),運動速度的變化參考意義并不大。在這一階段,主要從出口選擇、運動耗時、運動連續(xù)性、方向轉(zhuǎn)換頻率、路徑長度5個方面對比不同誘導(dǎo)信息的性能。首先在出口選擇方面,由于在超時前只有最前方兩個車門被打開,因此只有從1號和2號車門離開車廂的人員才被視為成功疏散者。根據(jù)路徑文件統(tǒng)計了各組實驗中車門選擇的頻次,結(jié)果如表6所示。
表6 車門選擇頻次統(tǒng)計
由表6可知,場景3中選擇1號和2號車門的頻次遠高于其他場景,而場景2中選擇1號和2號的頻次遠低于其他場景。這表明廣播中是否指明疏散方向可能起到截然相反的作用:指明疏散方向可將大部分乘客引導(dǎo)至指定出口,而不指明疏散方向?qū)⑹勾蟛糠殖丝蜏粼诒拒噹浇?。同時注意到,在所有實驗中僅有兩位參與者從出口3離開,這可用文獻[17]中的結(jié)論解釋:乘客可以觀察到臨近車門的開啟情況。因此只要能運動至車門3附近,基本都會選擇從車門2離開。在所有場景中僅有1名乘客選擇從第5節(jié)車廂離開,其主要原因在于火災(zāi)發(fā)生于第4節(jié)和第5節(jié)車廂之間,即使是在虛擬場景中,也極少乘客選擇穿越火源從最后一節(jié)車廂離開。
圖7 不同最長連續(xù)路徑及有效位移分布
運動連續(xù)性體現(xiàn)了參與者對車廂內(nèi)疏散路徑長度的容忍度。由于實驗開始時人員被限制在車廂內(nèi)部,而超時前只有1號和2號門是常開的,因此參與者幾乎要穿越兩節(jié)車廂(約40 m)才能找到可用出口。在實驗平臺中,每1 s記錄一次參與者的位置,將任意2幀之間距離不小于0.2 m的路徑記為一段連續(xù)路徑。基于上述定義探究了不同組實驗最長連續(xù)路徑的分布,即首先提取每次實驗的最長疏散路徑,然后用小提琴圖對比不同場景下最長連續(xù)路徑的分布,結(jié)果如圖7(a)所示。圖中的平均值是剔除異常值之后的結(jié)果。以去除異常值后的平均值為評判標準,各場景從大到小依次為:場景4、場景2、場景3、場景5和場景1,其數(shù)值分別為4.54、9.12、7.34、11.34、5.19。在4組指明方向的場景中,僅有一組(場景4)的均值大于未指明方向的場景(場景2),這表明人員在意識到突發(fā)事件發(fā)生后,會通過較長的連續(xù)運動探索安全出口的位置。而在指明方向的場景中,連續(xù)運動的距離主要受信息連續(xù)性的影響。在場景4中,每個車廂連接處都有一個引導(dǎo)員,且引導(dǎo)員的體積、動作都較為明顯,即使在遠處看不清楚引導(dǎo)員的動作,仍然可以提供連續(xù)的視覺指引。而在場景5中,提供視頻指示的廣告屏幕安裝在每個車門附近且尺寸較小,參與者需走近觀察,進而造成運動的中斷。場景3雖然可以持續(xù)不斷地提供語音指引,但其效果與連續(xù)的視覺信息仍有差距。綜合上述分析,用連續(xù)路徑的長度表征誘導(dǎo)信息的連續(xù)性。
如上文所述,參與者從起始車廂到可用車門至少要運動約40 m的距離,而連續(xù)路徑的平均值僅為4.76 m,結(jié)合實驗視頻發(fā)現(xiàn)參與者在運動的過程中會對誘導(dǎo)信息的準確性產(chǎn)生懷疑,從而產(chǎn)生方向反轉(zhuǎn)、仔細查看后方車門的現(xiàn)象。因此,運動方向的反轉(zhuǎn)體現(xiàn)了參與者對信息準確性的置信情況。進一步地,基于運動軌跡提取了方向反轉(zhuǎn)的次數(shù):以某一幀的位置為中心,分別計算前一幀和后一幀的位移在列車軸線上的投影,當兩次投影符號相反且距離均大于0.2 m時被標記為一次方向反轉(zhuǎn)。考慮到反轉(zhuǎn)的發(fā)生與運動距離的長度有關(guān),將反轉(zhuǎn)次數(shù)用距離進行了歸一化,得到每次實驗的平均反轉(zhuǎn)次數(shù),不同場景的結(jié)果如表7所示。在指明疏散方向的場景中(場景1、3、4和5),路徑反轉(zhuǎn)發(fā)生頻率最低的是場景4,表明實驗參與者對人工指引最信賴。而場景3中路徑反轉(zhuǎn)發(fā)生相對較多,這表明即使是帶有引導(dǎo)信息的語音廣播,參與者對其的信任程度仍不如視頻信息,與人工指引更是存在較大差距。
表7 運動方向反轉(zhuǎn)次數(shù)對比
由于實驗存在強制結(jié)束機制,因此運動階段的時長并不一定能反應(yīng)誘導(dǎo)信息在該階段的優(yōu)劣,例如某參與者并未注意到危險信號而是一直等待,直到95 s時車門打開強制結(jié)束實驗才開始運動,并從最近的車門離開車廂。則在此例中,總的疏散時間約為55 s,其中絕大部分處于預(yù)動作階段,運動時間可能很短。因此,用有效位移來從總體上對不同誘導(dǎo)信息的作用效果進行評價。考慮到安全出口的方向在列車頭部方向,用車頭方向位移的矢量和來表征有效位移,結(jié)果如圖7(b)所示。從去除異常值之后的均值上看,場景3的有效位移最長,場景4和場景5次之,場景1和場景2較短。此外,分別計算了5個場景中有效位移占總運動距離的比例的平均值,分別為0.90、0.26、0.90、0.83和0.75。結(jié)合有效位移及其占比,可以對不同場景的疏散運動過程進行如下大致描述:場景1中只有少數(shù)參與者注意到字幕上的誘導(dǎo)信息選擇向車門方向疏散,其他參與者都在原車廂等待直到車門被強制打開結(jié)束實驗,因此有效位移較短而占比較高;場景2中大多數(shù)參與者從廣播知曉了火災(zāi)的發(fā)生,但由于廣播沒有指明具體的方向,因此在車廂中進行了安全出口的前向和后向搜索,因此有效距離短且占比較低;場景3-5中參與者均有較長的有效距離和較高的占比,說明誘導(dǎo)信息較為有效的指明了運動方向,且總體上看誘導(dǎo)信息在場景3和場景4中的表現(xiàn)接近,均優(yōu)于場景5中的表現(xiàn)。
筆者從兩個階段(預(yù)運作階段、運動階段)、6個維度對誘導(dǎo)信息在地鐵車廂中的表現(xiàn)進行評價。預(yù)動作階段從行為改變性能、信息易理解性和信息釋放速率3個方面對誘導(dǎo)信息進行評價。其中行為改變性能用行為改變比率進行衡量,即計算實驗中未超時組的占比,數(shù)值越大性能越好;信息易理解性即實驗中Breceive時長,數(shù)值越小性能越好;信息釋放性能用信息釋放的周期表示,數(shù)值越小性能越好;最后,為了對比總體呈現(xiàn)出的綜合性能,對預(yù)動作時間進行了無剔除統(tǒng)計(即將超時實驗也計算在內(nèi))。評價參數(shù)及排名如表8所示。
表8 預(yù)動作階段誘導(dǎo)信息參數(shù)及排名
由表8可知:①報站字幕在各方面表現(xiàn)均較差,難以在預(yù)動作階段發(fā)揮主要作用;②有方向指示的廣播在行為改變比率和信息接收耗時上均表現(xiàn)最佳,但釋放周期最長,一旦待疏散人員在一個循環(huán)內(nèi)沒有聽清楚廣播內(nèi)容,則需要較長時間獲取下一周期的信息;③當廣播的用詞不指明具體方向時,行為發(fā)生改變的比率明顯下降,同時接收信息耗時大幅增長,廣播中應(yīng)盡量指明具體的行動方案;④引導(dǎo)員和視頻指示的性能較為均衡,其中引導(dǎo)員可以引發(fā)較高比率的行為改變,而視頻指示則更容易被理解;⑤從預(yù)動作階段的總時間上看,有方向指示的廣播綜合作用效果最佳,引導(dǎo)員和視頻指示作用效果接近,而無方向指示廣播和報站字幕效果最差。
運動階段從車門選擇比率、連續(xù)路徑長度、方向反轉(zhuǎn)頻率3個方面對比了不同誘導(dǎo)信息的有效性,分別描述了誘導(dǎo)信息在安全出口指向性能、信息連續(xù)性和信息置信度3個方面的性能,而有效路徑長度可以視為綜合性能的體現(xiàn),具體參數(shù)如表9所示。由表9可知:①報站字幕在運動階段的表現(xiàn)較差,綜合性能僅略強于無方向指示的廣播;②場景3中有方向指示的廣播在出口指向性能上表現(xiàn)最佳,而在其他兩個維度上分別排名第二和第三,且綜合性能最優(yōu);③廣播中是否指明方向?qū)\動階段的影響非常大,場景3(有方向指示)與場景2(無方向指示)相比,其有效位移增長了約兩倍;④引導(dǎo)員在信息連續(xù)性和置信度方面均表現(xiàn)最佳,而在出口指向性上僅排名第三,這可能與引導(dǎo)員只有3位且僅設(shè)置在車廂連接處有關(guān),到達第一節(jié)車廂的參與者會失去后續(xù)的誘導(dǎo)信息。場景4中引導(dǎo)員的有效位移排名第二,與廣播僅相差約3 m的有效位移;⑤視頻指引在3個維度均排在第二或第三位,且綜合性能也排名第三,在運動階段其效果介于廣播、引導(dǎo)員與報站字幕之間。
表9 誘導(dǎo)信息在運動階段效果排序
地鐵車廂狹長且人員密集,為了選取地鐵車廂內(nèi)合適的疏散誘導(dǎo)信息,筆者在可編輯VR實驗平臺的基礎(chǔ)上開展了由100人參與的虛擬實驗,探究地鐵列車發(fā)生故障、導(dǎo)致部分車門無法開啟的情況下,報站字幕、消防廣播、引導(dǎo)員和廣告視頻等誘導(dǎo)信息對疏散預(yù)動作階段和疏散運動階段的影響。實驗結(jié)果表明:在預(yù)動作階段,有方向指示的廣播綜合作用效果最佳,引導(dǎo)員和視頻指示作用效果接近,而無方向指示廣播和報站字幕效果最差;在運動階段,有方向指示的廣播在出口指向性能上表現(xiàn)最好,引導(dǎo)員在信息連續(xù)性和置信度方面表現(xiàn)最佳,視頻指引在3個維度均排在2~3位,而報站字幕在各方面均表現(xiàn)較差。
此外,4種誘導(dǎo)信息在不同方面各有所長。因此,可以將不同誘導(dǎo)信息進行組合以達到更佳的綜合性能:①預(yù)動作階段,可以通過廣播引起乘客注意,并指明安全出口的大致位置,同時將乘客注意力引導(dǎo)至視頻指示;視頻指示則提供持續(xù)不斷且含義明確的疏散方向,從而讓乘客迅速意識到危險的發(fā)生并決定疏散方向;②運動階段,可通過合理安排引導(dǎo)員的位置、規(guī)范引導(dǎo)員的動作,為乘客提供視覺連續(xù)、可信度高的引導(dǎo)信息。在后續(xù)的工作中,將通過誘導(dǎo)信息耦合作用實驗探究上述結(jié)論的正確性。