東南大學薛澄岐團隊在Advanced Engineering Informatics期刊（IF=8.0）發表了題為“Cognitive characteristics in wayfinding tasks in commercial and residential districts during daytime and nighttime: A comprehensive neuroergonomic study” 的文章。

研究背景

尋路，即利用環境線索找到并到達目的地的過程，對于個體與周圍環境的互動至關重要。城市環境的布局和建筑屬性各不相同，導致人們的體驗、空間感知存在差異，這些差異會影響人們在尋路過程中的表現，從而影響尋路行為和認知狀態。同時，光照條件的變化也會影響感知，影響認知地圖和尋路行為。但是，不同城市環境類型和光照條件對行人尋路認知的影響研究有限。本研究提出了一種將VR（嵌入式全景照片）、眼動追蹤和腦電圖相結合的融合技術來采集同步數據，主要關注尋路過程中的感知行為、注意機制和神經振蕩，旨在增強對尋路的認知過程的理解。

研究方法

本研究采用2×2混合實驗設計，城區(住宅區與商業區，即RD vs. CD)作為受試者內部變量，光環境（白天vs.夜間）作為受試者間變量。將43名受試者隨機分配到4個場景中的兩個。

研究開始之前進行了場地可用性評估，確保城市環境具有代表性，并盡量減少虛擬現實與真實環境之間的差異。

本研究包括兩個基本任務：自由觀察和路徑選擇（見圖1和表1）。

自由觀察：自由觀察任務允許受試者在場景中不受限制地移動，增加對環境的熟悉，模擬無目的行走。

路徑選擇：路徑選擇是指行人做出決策并導航到指定的目的地。主試觀察受試者的路徑選擇，同時保持沉默，盡量減少干擾。但是，如果做出錯誤的決定，主試也會提醒受試者。

圖1 實驗任務和現場路線設置（每條路線上的點表示照片點，并進行相應調整）

表1 行人的尋路任務

使用全景相機拍攝了商業區和住宅區在白天和夜間的場景，然后使用集成VR和眼動的設備構建虛擬環境（詳見圖2）。使用32通道的ActiCHamp EEG信號放大器（德國Brain Products公司生產，深圳瀚翔腦科學技術股份有限公司全國總代理）采集腦電信號，采樣率設置為1000Hz（詳見圖3）。

圖2 實驗任務和現場路線設置。(a)和(c)分別為住宅區白天和夜間的景象；(b)和(d)分別為商業區白天和夜間的景象

圖3 實驗的工具及設備

實驗流程

01

實驗前：評估受試者對場景的熟悉程度，排除那些高度熟悉的場景，以減少熟悉度偏差。

02

在正式實驗前，受試者熟悉VR控制并佩戴VR設備。

03

填寫基本信息問卷，采集靜息態腦電信號并在結束后佩戴VR設備進入虛擬環境，進行眼動校準。

04

正式進行實驗，自由觀察和路徑選擇兩項任務連續進行。在完成自由觀察并到達路徑選擇節點后，彈出窗口提示進入下一個任務階段。受試者使用鍵盤進行導航，到達目的地后，屏幕顯示“到達”。受試者可以回顧之前的步驟，改變決定，或改變路徑。每個受試者都經歷了兩次不同場景的正式實驗。

05

實驗后的訪談，了解影響行為的心理因素以及在實驗中遇到的印象深刻的場景。

圖4 實驗流程

研究結果

1.行為學的結果

任務完成時間：

任務完成時間的統計結果如表2和圖5所示所示，城區的主效應顯著（p = 0.003），住宅區的任務完成時間高于商業區。然而，光環境的主效應不顯著（p = 0.097），城區與光環境的交互效應不顯著（p = 0.078）。

決策時間：

統計結果如表2所示，光環境的主效應顯著（p = 0.043），日間決策時間高于夜間決策時間。但是，城區的主效應不顯著（p = 0.146），城區與光環境的交互作用不顯著（p = 0.152)。進一步分析發現，住宅區比商業區花更多的時間在決策上。在商業區，行人的決策時間在白天和夜間存在顯著差異，白天的決策時間比夜間更長。

平均速度：

各城市環境下受試者完成尋路任務的平均速度結果如表2所示，城區（p = 0.568）、光環境（p = 0.288）的主效應不顯著。城區與光環境之間存在顯著的交互作用（p = 0.036）。進一步的簡單效應分析發現，居民區行人的平均速度在白天和夜間存在顯著差異，夜間平均速度高于白天。而城區與光環境之間不存在交互作用（p = 0.533）。

表2 行人在尋路過程中的任務完成時間、決策時間和平均速度的均值與標準差

圖5 參與者在住宅區和商業區尋路任務中的表現。A為行人完成尋路任務的平均任務完成時間；B為行人完成尋路任務的平均決策時間；C表示行人完成尋路任務的平均速度

2.眼動的結果

圖6顯示了所有條件下PD（瞳孔擴張）的持續下降，與商業區相比，住宅區的PD明顯更高，表明商業區尋路的認知負荷更高。此外，住宅區和商業區白天的PD均小于夜間。對PD方差進行統計分析（見表7和圖8），發現城區的主效應顯著（p = 0.004），住宅區的PD方差大于商業區。此外，光環境的主效應顯著（p = 0.001），在住宅區和商業區，夜間的PD方差均高于白天。

圖6 A為住區和商業區在決策過程中瞳孔擴張（PD）隨時間的百分比(深綠色和深黃色分別表示住區和商業區所有參與者的平均值；淺綠色和淺黃色區域為95%置信區間)；B為不同條件下PD的方差

3.腦電的結果

額區α功率的統計結果（見圖7和表3）顯示，城區（p = 0.636）和光環境（p = 0.230）的主效應不顯著。城區與光環境的交互作用不顯著（p = 0.470）。進一步檢驗結果表明，住宅區與商業區行人的α功率無顯著差異。住宅區功率譜密度略高于商業區，白天功率譜密度普遍高于夜間功率譜密度。這說明受試者在住宅區和白天接觸到更多的刺激因素，導致更高的認知負荷。

枕頂區β功率的統計結果（見圖8和表3）顯示，城區的主效應顯著（p < 0.001），表明住宅區的β功率高于商業區。這表明，受試者在住宅區的路徑決策時經歷了更大的波動，增加的β活動阻礙了他們導航和準確記憶環境的能力，影響了他們的空間感知。然而，光環境的主效應不顯著（p = 0.414），城區與光環境的交互作用不顯著（p = 0.841）。

圖7 A和B分別描繪了額區α功率譜密度的地形和箱形圖。RD和CD分別代表住宅區和商業區

圖8 A和B分別描繪了不同城市環境下枕頂區β功率的地形和箱形圖。RD和CD分別代表住宅區和商業區

表3 受試者尋路過程中額葉α功率和θ / β比值（TBR）、枕頂葉β功率的均值和標準差。

研究結論

本研究利用腦電（EEG）和眼動追蹤方法，調查了不同城市環境和照明環境（白天或夜間的住宅或商業區）中行人對尋路的反應。并使用行為表現指標、眼動數據和腦電圖信號來評估受試者在尋路任務中的感知決策、任務執行和認知負荷。

住宅區與商業區行人在感知決策階段的決策時間無顯著差異。但是，住宅區的決策時間要比商業區長。

在任務執行方面，本研究發現不同城市環境下受試者的任務完成時間存在顯著差異，住宅區的任務完成時間比商業區的要長。但是，這兩個區域的平均速度沒有顯著差異。

本研究首次直接比較了住宅和商業環境中行人在白天和夜間的認知過程，從橫截面和縱向角度揭示了空間感知、決策時間和認知負荷的差異。本研究為比較不同城市時空環境下行人的尋路認知提供了初步證據，對未來復雜城市環境下行人尋路能力和心理生理的研究具有重要意義。

聲明

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