摘 要

随着社会文明的进步，在各式各样公共场所中常常聚集着大量的人群，这带来了城市的繁荣与进步但也带来了很多安全问题。特别是在校园环境下，相关的疏散研究是保障教学楼内老师和学生生命安全的重要依据，如何针对校园环境进行有效的疏散安全研究也成为了一个重要的课题。当前在疏散研究中提出了大量的疏散模型和模拟方法，但是这些模型方法一方面缺乏真实的疏散实验数据的佐证，另一方面在传统的疏散实验方法中难以获取疏散个体的行为细节，无法为模型构建提供良好的支持。本论文以校园环境为研究场景，基于眼动分析设备对疏散中的疏散个体数据进行数据采集与分析，重点研究在疏散实验中如何构建有效的眼动数据的分析方法。论文的主要研究内容如下：

1.基于眼动仪的疏散实验设计。该部分设计了教室内的疏散实验，并通过眼动仪设备对疏散个体的行为数据进行采集。

2.疏散数据的统计分析。该部分基于传统的疏散研究方法针对疏散实验中的数据进行统计分析，得到一些宏观的疏散数据。

3.眼动数据的分析方法设计。该部分基于疏散实验进行眼动数据的分析方法设计，并通过数据分析得到相应的行为分析结论。

关键词：室内疏散；疏散行为分析；眼动仪；心理认知；热点图

Abstract

With the progress of social civilization, a large number of people often gathered in different public places, which brought about the prosperity and progress of the city, but also brought a lot of security issues. The current evacuation study put forward a lot of evacuation model and simulation method, but on the one hand, these methods lack real evacuation experiment data. On the other hand evacuation details of the individual behavior is very difficult to obtain in the traditional evacuation experiment method, did not provide good support for model construction. In this paper, the data acquisition and analysis based on the eye movement analysis equipment is carried out in the campus environment. On the evacuation of the individual data, focusing on how to build an effective analysis of the data of the eye movement in the evacuation experiment. The main research contents of this paper are as follows:

1. The evacuation has designed the experiment basing on eye tracker.This part has designed evacuation experiments in the classroom and collected data about the behavior of the individual evacuation by eye tracker.
2. Evacuation data statistical analysis. The part has based on the traditional evacuation research methods to analyze the statistical data for evacuation experiment, got some macro evacuation data.
3. Eye movement data analysis methods of design.This part has designed eye movement data analysis method basing on evacuation experiment, and got the corresponding behavior analysis conclusion by the analysis of the data.

Key Words：Indoor evacuation; evacuation behavior analysis; eye tracker; cognitive psychology; heat map

目录

摘 要 1

第1章 绪论 1

1.1 背景意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 疏散研究分析 1

1.2.2 眼动仪研究分析 2

第2章 基于眼动仪的疏散实验设计 3

2.1 实验人员和实验仪器 3

2.2 实验场地布局和整体设计 3

2.3 实验过程 6

2.4 数据统计 8

2.5 本章小结 9

第3章 疏散数据统计与分析 10

3.1 疏散时间分析 10

3.2 疏散行为分段及速度分布分析 11

3.3 本章小结 13

第4章 眼动数据分析方法设计 14

4.1 基于注视对象类型的分析方法 14

4.2 基于刺激物位置的分析方法 14

4.3 基于注视次数的分析方法 16

4.4 基于关注图的分析方法 17

4.5 基于眼动数据分析平台的分析方法 18

4.6 本章小结 20

第5章 总结与展望 21

致谢 23

第1章 绪论

1.1 背景意义

国内外经常出现各种踩踏事件，出现重大事故。校园是人口密集区，随着人们对校园环境安全的重视，各种类型的紧急安全疏散的演练越来越多。但是，国家和学校投入的经费和力度多集中在安全疏散演练上，欠缺在紧急情况下对恐慌心理的认知，从而未能及时避免和减少事故损失。

将眼动仪与疏散研究结合可以检测实验者在疏散过程中的心理状态。用眼动仪来采集分析数据，精确明朗，可以减小误差，运用科学手段理性分析探讨学生在校园疏散环境的心理，以便以后运用数据设计校园布局以及在进行校园疏散时及时调节学生心理，减少人员伤亡。

眼动仪是测试人眼活动情况和研究有关心理过程的专用仪器。本次研究拟通过运用眼动仪获取更多真实的紧急情况下人员运动和疏散行为数据，用以建立更加完善的计算机数据。通过研究发现在单体疏散时实验者的注意力应该主要是用于短距离路径规划，在群体疏散过程中实验者的注意力作用于路径的变化及与附近被试的动作行为；疏散对象对于周围的动态环境(参与人员)信息是选择性的接收。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 疏散研究分析

黄希发^[1]在2010年进行大型场馆人员疏散仿真研究，研究的目的就是通过人员疏散微观仿真模型的建立，重点研究疏散过程中的决策机理，再现和解释现实的疏散情形，为大型场馆疏散设计和人群管理提供参考；房志明^[2]在2012年进行考虑火灾影响的人员疏散过程模 型与实验研究，旨在对建筑内紧急疏散时的行为特征，疏散时间和行人流动章台等进行详细分析，为建筑的结构设计和紧急疏散时的人群管理提供建议和科学支持；郭细伟^[3]在进行基于非均匀格子气模型的人群疏散动力学模拟的研究等。U Weidmann等^[4]进行了基于行人和疏散动力学上展示人类运动的研究；C Appert-Rolland^[5]在行人建模的研究专注于行人和通过给每个类型的例子来说明模型的各个家庭，讨论相对于其他运输系统的人群的具体情况;D Stuart^[6]等人基于个体与人群中的残疾人，以及这些差异改变行人的相互作用研究中发现了一些初步的差异。采用分数阶势场的性质（FOPF），提供一些结果如何相互作用的行人可以进行调整，以适应每个残疾组内的变化差异。从这些学者所做的疏散实验可以发现大多数的研究都是在模型中进行，并没有特别完善的现实的理论支持；另一方面，在这些缺乏眼动仪进行个体行为本身的描述和记录，在行为分析方面主要是基于表面现象而不是行为产生的心理认知。

1.2.2 眼动仪研究分析

眼动仪是测试人眼活动情况和研究有关心理过程的专用仪器。国内在眼动仪的研制与开发方而起步较晚。20世纪80年代末，中国科学院上海生理研究所的张名魁和孙复川研制了红外光电反射眼动测量系统根据英国Derby大学行为科学研究所David Woodling教授建立的眼动仪数据库网站公布的结果，口前世界上约有44家生产眼动仪的厂家^[7，8]。20世纪90年代，西安电子科技大学研制了头盔式眼动仪根据英国Derby大学行为科学研究所David Woodling教授建立的眼动仪数据库网站公布的结果，口前世界上约有44家生产眼动仪的厂家^[7，9]。张森^[10]等在2007年基于眼动仪的开发现状及其在运动心理领域的应用的研究中介绍了不同的眼动仪设备；徐洁^[11]在2009年基于心理实验室中眼动仪的原理与应用中，针对眼动仪在心理学领域中的重要性，介绍了基本原理及应用领域；武媛媛^[12]在2009年基于眼动跟踪技术研究中，先论述了眼动跟踪的相关理论基础，然后在对各种现有眼动跟踪技术探讨的基础上，结合眼动跟踪系统的实用准则，对基于瞳孔一角膜反射向量法的眼动跟踪技术做了深入研究。

从这些研究学者的眼动实验中可以看出，眼动跟踪在民用方面主要用于医学、界面设计与评估、产品测试(广告测试、网页测试^[14]、产品可用性测试^[15]等)等各种领域。由于目前国内外很少有运用眼动仪设备来进行疏散研究，大多实验模型(例如Mizar Luca Federici^[13]等人的行人的数据的创新方案)都采取传统手段来进行操作,很少运用眼动仪进行校园疏散实验，实验主要按照传统方法收集以及建模处理，在数据处理方面误差很大,所以实验准备采用眼动仪来精确采集数据，然后分析疏散人员的行为。

第2章 基于眼动仪的疏散实验设计

2.1 实验人员和实验仪器

实验开始前，我们征集了30名在校的同学，年龄在22到25岁左右，其中有21名为男性，9名为女性。所有参与眼动实验的实验者视力正常且自愿参加，首先进行单体疏散实验，随机分成两组进行群体疏散实验。

在实验中借助很多设备以及平台，如表2.1所示。

表2.1实验设备及平台

2.2 实验场地布局和整体设计

疏散本身是一个比较复杂的心理行为，疏散中的每个人员都会因为场地路径的改变及周围人员的远近来决定自己的行动，本次实验主要运用眼动仪进行数据采集，根据数据的一些相似形来分析疏散人员的心理。一般来说，疏散研究集中在疏散环境(即眼动追踪研究中的刺激物)以及实验者的自身特征(例如性别、年龄等)。于是针对这些变量设计了两个实验方案。在第一个疏散实验通过单体的疏散实验研究实验者如何与教室内的静态环境（地面、桌椅等）进行交互，另一个疏散实验则通过群体实验研究在模拟真实的疏散环境下的实验者的行为特点。

综合实验需求，我们借用了一个大学教室，教室的结构以及布局平面俯视图如图2.2.1所示。根据椅子的摆放根据不同的实验需求而进行变化，从而达到对被试的自变量和额外变量的改变和控制。

下面将针对不同的实验需求对两个实验的设计进行介绍。实验场地桌子的分布及教室出口位置固定且桌子的长度和不同桌子的间距在图中表示，教室的长和宽的距离分别为8.45米和7.55米。

图2.2.1实验教室场地布局

单体疏散实验:将桌椅摆放不同的位置，设计两个疏散方案，实验者从相同起点出发，像走“迷宫”一样寻找路径离开教室。单体疏散实验探究实验者与环境的交互，试验中不同人员从相同位置区佩戴眼动仪出发，根据自己选定的路径行走知道离开教室，同时有人员跟随录像；再调整布局，进行上述实验，进行简单数据评估，有效则保留用于疏散中实验者行为的分析。实验中主要运用对照原则分析疏散者的在疏过程中的异同。方案一和方案二的不同之处主要在于路径的改变，试验中椅子为不可移动的障碍物，则实验者在前期的路径一样，只有在路径可以选择的区域可能会选择不同的路径。