2025/06/10

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.2025.103236

01 摘 要

行人與疏散動(dòng)力學(xué)（PED）研究通過探索行人運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)與決策過程，為人類安全與福祉做出貢獻(xiàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)因其促進(jìn)人機(jī)交互和模擬多樣化場(chǎng)景的能力，在探究復(fù)雜行人行為中日益凸顯重要性。然而，實(shí)驗(yàn)室VR實(shí)驗(yàn)存在樣本偏差、成本高昂、虛擬環(huán)境中人群缺乏互動(dòng)能力等局限性。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，我們提出了一種新型眾包虛擬現(xiàn)實(shí)（Crowdsourced Virtual Reality, CVR）實(shí)驗(yàn)方法用于PED研究。該方法使研究者能夠以眾包形式將實(shí)驗(yàn)室VR實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展至在線環(huán)境，允許多名參與者在同一虛擬空間內(nèi)共享與互動(dòng)。具體而言，本研究首先提出了一個(gè)過程模型，為CVR實(shí)驗(yàn)提供方法論指導(dǎo)。該過程模型涵蓋了CVR實(shí)驗(yàn)工作流所有階段（包括實(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）的原則與可操作建議。其次，遵循設(shè)計(jì)科學(xué)研究方法論，本研究開發(fā)并評(píng)估了一個(gè)名為CrowdVRCrowdsourced Virtual-reality Research）的數(shù)字化平臺(tái)。CrowdVR為開展在線眾包VR實(shí)驗(yàn)和采集多元實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供了關(guān)鍵工具。最后，本研究圍繞實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與預(yù)實(shí)驗(yàn)、倫理問題、眾包渠道及數(shù)據(jù)質(zhì)量控制等問題，報(bào)告了最佳實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。CVR實(shí)驗(yàn)作為該領(lǐng)域的首創(chuàng)，使研究者能夠跨越地理、文化、年齡、社會(huì)身份等障礙招募參與者，提供共享沉浸式虛擬場(chǎng)景，并為PED研究生成具有代表性與普適性的行為數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：眾包；虛擬現(xiàn)實(shí)；行為實(shí)驗(yàn)；行人與疏散動(dòng)力學(xué)；設(shè)計(jì)科學(xué)

02 眾包虛擬實(shí)驗(yàn)方法

行人及疏散動(dòng)力學(xué)研究作為關(guān)鍵的跨學(xué)科領(lǐng)域，致力于提升人類安全。該快速發(fā)展領(lǐng)域通過深入探究行人運(yùn)動(dòng)與行為的復(fù)雜性，旨在揭示常規(guī)與緊急場(chǎng)景下集體運(yùn)動(dòng)中涌現(xiàn)的復(fù)雜現(xiàn)象。通過全面理解行人的決策過程與運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)的內(nèi)在機(jī)制，研究成果有望優(yōu)化公共設(shè)施安全規(guī)程、創(chuàng)新預(yù)防人群踩踏等事件的防范措施，并改進(jìn)室內(nèi)環(huán)境應(yīng)急疏散策略。

近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)憑借其人機(jī)交互支持與多樣化場(chǎng)景模擬的固有優(yōu)勢(shì)，重塑了研究者構(gòu)建與實(shí)施行人行為科學(xué)實(shí)驗(yàn)的方式。然而，現(xiàn)有VR實(shí)驗(yàn)多在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中開展，存在若干顯著局限：首先，實(shí)驗(yàn)室參與者常從大學(xué)校園招募，導(dǎo)致樣本存在地理區(qū)域、年齡、教育背景及社會(huì)身份偏差，影響樣本代表性并削弱研究發(fā)現(xiàn)的外部效度；其次，實(shí)驗(yàn)室需承擔(dān)設(shè)備與場(chǎng)地成本，還需支付參與者的交通費(fèi)用，顯著損害研究的可重復(fù)性與普適性；最后，實(shí)驗(yàn)室VR環(huán)境多屬個(gè)體實(shí)驗(yàn)，虛擬環(huán)境中同時(shí)存在的參與者數(shù)量極其有限，難以研究存在交互或需集體決策的行人群組行為。

眾包（crowdsourcing），通過公開招募形式將服務(wù)（包括創(chuàng)意、投票、微任務(wù)及資金等）外包給大量分散個(gè)體的行為，有望解決以上問題。在人機(jī)交互領(lǐng)域，通過智能手機(jī)或個(gè)人計(jì)算機(jī)開展的遠(yuǎn)程眾包研究已被證明是低成本擴(kuò)大樣本規(guī)模、增強(qiáng)外部效度的有效手段。此外，過去十年間，家用VR設(shè)備的快速增長與在線社交虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)的出現(xiàn)，使遠(yuǎn)程用戶間實(shí)時(shí)互動(dòng)成為可能，為研究者將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與眾包實(shí)驗(yàn)結(jié)合創(chuàng)造了條件，由此催生出眾包虛擬現(xiàn)實(shí)（CVR）實(shí)驗(yàn)。

CVR實(shí)驗(yàn)是行人與疏散動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的首創(chuàng)，通過向公眾發(fā)布開放招募或邀請(qǐng)，從多樣化參與者群體中收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、同步、協(xié)作的VR行為實(shí)驗(yàn)研究。盡管有個(gè)別人機(jī)交互領(lǐng)域研究對(duì)CVR實(shí)驗(yàn)的可行性進(jìn)行了初步評(píng)估，但當(dāng)前CVR實(shí)驗(yàn)仍處于起步階段。CVR實(shí)驗(yàn)方法論的缺失與技術(shù)能力相關(guān)的挑戰(zhàn)，削弱了實(shí)驗(yàn)效度并阻礙其發(fā)展。

具體而言，缺乏結(jié)構(gòu)化、組織化的工作流程會(huì)影響CVR實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程的科學(xué)性，對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量和研究效度產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，現(xiàn)有的有可能用于開展CVR實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)可分為獨(dú)立應(yīng)用程序與社交虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)兩類，但獨(dú)立應(yīng)用程序同時(shí)在線參與者數(shù)量極其有限，而社交虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)（如VRChatRec Room）則面臨對(duì)未來需求的可擴(kuò)展性低、交互設(shè)計(jì)的定制化程度低以及無數(shù)據(jù)采集權(quán)限等問題。因此，為克服以上方法論和技術(shù)限制，本研究設(shè)計(jì)了服務(wù)于結(jié)構(gòu)化工作流程的過程模型（圖1），以及名為CrowdVR的可定制、可擴(kuò)展的交互式多人VR實(shí)驗(yàn)數(shù)字平臺(tái)（圖3&4）（可通過https://vrexp.urbanresilience.cn/訪問）。

“CrowdVR介紹視頻”

眾包VR實(shí)驗(yàn)過程模型

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)CrowdVR的架構(gòu)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)CrowdVR的客戶端架構(gòu)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)CrowdVR的可用性評(píng)估結(jié)果

03 研究貢獻(xiàn)

本研究所提出的CVR實(shí)驗(yàn)方法在以下方面顯著推進(jìn)了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)方法論：(1) 通過克服地理、文化、年齡、教育及社會(huì)身份等障礙，有效緩解實(shí)驗(yàn)樣本偏差問題，從而提升研究結(jié)果的代表性與普適性；(2) 利用眾包模式以較低成本實(shí)現(xiàn)豐富、高質(zhì)量行為數(shù)據(jù)的采集，為行人與疏散動(dòng)力學(xué)研究提供數(shù)據(jù)支持；(3) 通過支持多參與者在虛擬環(huán)境中實(shí)時(shí)、同步的協(xié)作互動(dòng)，推動(dòng)行人與疏散動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域大規(guī)模人群實(shí)驗(yàn)。盡管該方法最初面向行人與疏散動(dòng)力學(xué)研究設(shè)計(jì)，但過程模型的可遷移性與CrowdVR平臺(tái)的可擴(kuò)展性決定了其在拓展至其他領(lǐng)域時(shí)具有巨大的潛力。

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