基于認知地圖的行人地鐵站空間認知分析

王立曉，劉晨，孫小慧

(新疆大學建筑工程學院，烏魯木齊 830047)

地鐵作為現代城市公共交通運輸發展中大運量的出行方式，有效地緩解了城市交通擁堵，促進了低碳出行。然而，由于地鐵站環境的特殊性，地鐵站內的應急疏散成為公共安全領域刻不容緩的重要課題[1-2]。根據Sime等[3]提出的人員響應避難逃生時間模型，疏散主要分為感知、響應、疏散行動3個階段，而行人對突發事件的感知和響應主要取決于對周圍環境的空間認知，不同程度的空間認知將生成不同的逃生方案，深刻影響應急疏散時的個人行為決策[4-6]。因此，量化行人對地鐵站的空間認知水平，對于更真實深入地研究行人應急疏散的行為決策機理，減少應急疏散過程中人員傷亡具有非常重要的現實意義。

已有研究表明，疏散人員的空間認知對應急疏散行為、疏散速度具有顯著影響，且現有的一些應急疏散模型的行為決策體系中，也已引入疏散人員的空間認知[7-15]。張立茂等[7]認為疏散效率受疏散人員對地鐵站環境的熟悉程度等主觀因素影響；嚴瑾等[8]認為疏散個體對自身安全性的認知偏差可能導致其應急疏散決策失誤，并提出疏散人員自身安全性影響因素包括對建筑物內部熟悉程度的影響；邢志祥等[9]在研究中提出人員的環境熟悉程度對路徑選擇及疏散時間具有重要影響；李楓等[10]在研究中通過受訪者對地鐵各出口是否熟悉的調查反映個體空間認知水平；李遜等[11]、李強等[12]指出可以通過是否了解空間布局、是否知道樓梯和出口位置、是否熟悉安全疏散路線等問題定性描述疏散人員的空間認知；羅凌燕等[13]通過被試者自評打分(1～5分，其中1分表示熟悉程度最低，5分表示熟悉程度最高)描述疏散人員的熟悉程度；李陽等[14]在傳統的地場模型中引入環境熟悉度參數λ∈[0,1]，假設疏散過程中λ隨行人距出口距離的減小而線性增加；宋英華等[15]在行人疏散元胞自動機模型中引入環境熟悉度參數σ，簡單以σ分別取值0.2、0.4、0.6、0.8表示不同環境熟悉度的人群。然而，空間認知是人類理解、表示地理實體及其空間關系的復雜心理過程[16]，受諸多因素的影響。以上學者多采用定性分析，或僅以簡單數值定量描述疏散人員的空間認知水平，缺乏實際意義。

現有的空間認知量化分析主要在城市尺度展開[17-21]。Gale[17]應用地圖學理論與技術對俄亥俄州哥倫布市進行城市環境認知研究；Lloyd等[18]運用多維尺度法和歐幾里得回歸法研究分析3個社區被試者關于105組城市地標的距離和方向認知扭曲差異；薛露露等[19]以北京市為例進行城市空間認知分析，對比總結手繪草圖法和多維標度法兩方法的異同；王茂軍等[20]運用二維回歸法和標準差橢圓法研究分析北京城市居民的空間認知扭曲情況；何丹等[21]通過構建面積偏差系數和中心偏差系數度量武漢、長沙和南昌三市大學生對長江中游城市群空間范圍的認知地圖與規劃地圖的差異。部分學者以校園、公園為對象[16,21]。戴代新等[16]以魯迅公園為例，對城市歷史公園空間認知進行量化分析；王茂軍等[22]以首都師范大學和北京林業大學為例，運用標準方差橢圓法量化分析社區尺度上空間認知扭曲，鮮有學者對行人的地鐵站空間認知水平進行量化研究。

為了使引入空間認知水平的地鐵應急疏散行為決策模型更符合真實情況，對行人的地鐵站空間認知水平進行量化分析，以上海世紀大道地鐵站為對象地，采用認知地圖法量化表達被試者對該站的空間認知水平，從空間要素的認知數量和位置準確度兩方面量化分析樣本總體認知水平，并基于所得結果確定樣本個體認知水平指標，通過構建二元Logistic模型，探索基于個人社會經濟屬性的行人空間認知水平差異。

1 理論介紹

認知地圖是環境意象構成要素、要素間的距離和方向信息最為完全的表現形式，通常以圖文等方式呈現，具有與地圖學地圖類似的性質[23]，能有效地對被試者空間認知水平進行圖形量化分析，是目前常用的空間認知外化方法之一[24]，被廣泛用于空間認知形態、空間意象要素構成及空間導視系統優化等方面研究[25-27]。

根據不同的研究目的，認知地圖的調查方法也不盡相同。對于把握喜好、評價的研究主要運用語義學解析法(semantic differential，SD)；對于把握人員空間認知水平即對所處環境熟悉程度的研究，主要采用：①自由描繪法，要求被試者在白紙上自由繪制規定調查范圍內所知道的空間要素；②限定描畫法，要求被試者在已標記主要空間要素(如地區邊界線、干線道路)位置與形狀的圖中繪制其他要素；③圈域圖示法，要求被試者在比例尺適宜的圖中指出并繪制調查對象地的圈域或邊界點、分節點；④空間要素圖示法，要求被試者在詳細地圖中標記所知道的全部空間要素(或僅標記規定的空間要素)。經對比發現，自由描繪法能直觀綜合地表現被試者的空間意識，但易忽視微觀空間要素，且受被試者圖示能力的限制；限定描畫法雖能減少繪圖表現能力的影響，但能被量化的空間要素大大減少，不足以表現被試者認知強弱；圈域圖示法僅用于調查比較單純的特定事物，且分析結論也較為簡單；空間要素圖示法基本不受被試者繪圖能力的影響，且能正確把握被試者對空間要素的認知位置分布，得到記憶率、認知度、評價得分等形式的嚴密數據，易進行定量化分析[28]。

為量化分析地鐵站尺度下的行人空間認知水平，相較于以往的城市尺度研究，地鐵站由于空間區域相對較小且位于地下，內部空間布局相似性高，無明顯的地面參照物，為降低被試者繪圖能力的影響，同時獲取直觀性數據以便于對行人地鐵空間認知程度進行定量化分析，故采用空間要素圖示法調查行人對站內空間要素的認知情況。

2 問卷調查及數據統計

2.1 問卷設計及調查

為了調查行人的個人屬性和空間認知能力，量化分析行人地鐵空間認知水平及其影響因素，問卷內容包括個人屬性和認知地圖兩部分。其中，個人屬性主要調查被試者的性別、年齡、職業、受教育程度、家庭年收入、到該站頻率；認知地圖主要調查被試者對地鐵站各空間要素的位置認知和整體空間認知水平。調查地點選擇上海世紀大道地鐵站，因為該站為地鐵2號線、4號線、6號線、9號線的換乘站，空間體量大且內部復雜，空間分布有一定的對稱性，可以有效區分乘客的認知情況，同時站內客流量巨大，隨機抽樣可涉及到各類人群。根據林奇在城市意象中提出的意象五要素(節點、地標、區域、路徑、邊界)理論，并考慮相較于城市尺度，地鐵站空間區域較小，且采用要素空間圖示法調查，已事先提供該站邊界及內部建筑結構分布，故修正林奇的意象要素后，得到本研究的地鐵站空間要素：地鐵站出入口(E1～E4)、閘機(T1～T12)、扶樓梯(S1～S12)、服務臺(R1～R2)、洗手間(W1～W2)，具體如圖1所示。

圖1 世紀大道地鐵站地圖

問卷調查采用隨機抽樣，因認知地圖調查較費時，為降低時間緊迫的影響，同時考慮被試者節假日心情放松能更有效地配合調查，故選擇十一國慶節假日在站內進行實地問卷調查，以提高被試者的配合性和調查數據的有效性，委托專業調查公司實施調查。

2.2 樣本描述性統計

共回收有效問卷110份。根據被試者的個人屬性對有效樣本進行描述性統計分析，結果如表1所示。

由表1可知，被試者中男性占比為42.7%，女性占比為57.3%，因該站鄰近世紀匯廣場和浦東世紀大都會，通常該類商場購物娛樂群體中女性比例較大，故該抽樣調查結果符合現實情況；被試者年齡主要集中于18～35歲，其次為36～60歲，共占76.4%，二者作為出行的主要人群，具有較強的代表性；教育水平為本科及以上的人數占樣本總數的60%，表明被試者教育水平普遍較高；家庭年收入8萬以上的人數占比93.6%，符合上海市居民收入水平；每周到該站至少兩次的人群占比88.2%；同時，調查中涉及的職業較為全面。由此可見，本次調查樣本具有一定的代表性。

表1 調查樣本個人屬性統計

3 樣本總體空間認知水平分析

考慮到是否都能有效繪制該站空間各要素，以及所繪制要素位置的準確程度，均反映了樣本總體對各要素的認知水平，故本研究引入要素有效認知頻率CR和要素位置認知準確度LI兩項指標，分別用于反映樣本總體對各要素的有效繪制數量和所繪制位置的準確程度，并從這兩方面計算要素認知水平得分T，量化分析樣本總體對空間各要素的認知水平差異。

3.1 樣本總體空間認知水平計算

要素認知水平得分T是樣本總體對該站空間各要素認知水平的量化，主要由要素有效認知頻率CR和要素位置認知準確度LI兩指標共同確定，且現階段認為兩者作用程度相同，均賦予1/2權重。T值越大，行人對要素的認知水平越高，其計算公式為

T=0.5CR×0.5LI

(1)

式(1)中：CR為樣本總體對各要素的有效認知頻率，計算為被試者在其認知地圖中繪制要素i的樣本量與總樣本量的比值；LI為樣本總體對各要素的位置認知準確度，其計算公式分別為

LI=|DI|LU

(2)

DI=1-Dc

(3)

(4)

(5)

3.2 樣本總體空間認知水平結果分析

通過計算得到樣本總體對各要素的有效認知頻率CR和位置認知準確度LI兩項指標，統計結果如圖2所示，然后運用式(1)計算得到要素認知水平得分T，為便于比較換算為總分100分，統計結果如圖3所示。

圖3 各要素的T值統計

3.2.1 要素有效認知率

由圖2的CR指標統計結果可知，出入口(均值0.93)、閘機(均值0.90)較高，扶樓梯(均值0.75)、服務臺(均值0.74)一般，洗手間(均值0.59)較低。原因在于本站出入口、閘機是乘客乘車必須經過的節點要素，故樣本總體對其有效認知頻率較高；而作為服務設施的洗手間并非是乘客必須使用的要素，故樣本總體對其有效認知頻率較低。

3.2.2 要素位置認知準確度

由圖2的LI指標統計結果可知，閘機(均值0.26)較高，出入口(均值0.13)、扶樓梯(均值0.14)一般，服務臺(均值0.05)、洗手間(均值0)較低。原因在于該站閘機主要以墻柱為參考點分別設置于2號線、4號線、9號線分區入口處，且乘客必須通過閘機方可前往站臺層乘車，故樣本總體對其位置認知準確度較高；而出入口雖是乘客必須經過的節點要素，但因在設計問卷時為避免對被試者的引導，僅根據站廳層大致形狀繪制了認知調查底圖外輪廓，沒有繪制更多參照點，多數乘客僅在站廳層四角標注了的大概位置，而未能標注其精確位置，故樣本總體對其位置認知準確度不高；服務臺和洗手間并非乘客乘車必須使用的要素，且洗手間僅設置在6號線站臺向北盡頭處，部分乘客將其認知為向南盡頭處，造成樣本總體認知分布較分散，故樣本總體對兩者的位置認知準確度較低。

圖2 各要素的CR值和LI值統計

由圖3的T指標統計結果可知，樣本總體對空間各要素的認知水平具有顯著差異，閘機9得分最高為67.19分，洗手間2得分最低為29.09分。閘機和出入口是總體認知水平較高的要素(除閘機7外均>50分)，原因在于兩者均為所有乘客乘車必須經過的路線節點；其次是樓梯(除扶樓梯7/9外均>40分)；洗手間(<30分)和服務臺(<40分)的總體認知水平較低，原因在于兩者并非所有乘客必須使用的服務設施。

4 樣本個體空間認知分析

考慮到樣本個體的異質性可能會導致其空間認知差異，為探究樣本個體空間認知水平差異及其影響因素，本研究引入行人認知率，反映樣本個體認知地圖的完整程度，量化其空間認知水平；通過建立二元Logistic模型，分析個人社會經濟屬性對樣本個體空間認知水平的影響程度。

4.1 個體空間認知水平量化分析

行人認知率通常被定義為行人在其認知地圖中繪制的要素數M與給定要素總數N的比值，比值越高，表明行人繪制的要素數越多，即認知地圖越完整，空間認知水平越高，故行人認知率可用于反映認知地圖的完整程度，量化個體空間認知水平。

根據樣本總體空間認知分析結果可知，樣本總體對各要素的認知水平不同，因此通過對各要素賦予不同權重，計算樣本個體的行人認知率的加權值(簡稱加權認知率)，使分析結果更貼合實際。對于行人不常使用的服務臺、洗手間等服務類要素，樣本總體的認知水平較低，較少被試者能有效繪制，若能有效繪制該類要素，表明個體空間認知更好，故對這兩類要素各賦予0.3權重；對于行人必須經過的出入口、閘機等節點類要素，樣本總體對其認知水平較高，大多數被試者都能有效繪制，故對這兩類要素各賦予0.1權重；樣本總體對扶樓梯的認知水平一般，賦予0.2權重，則加權認知率計算公式為

R=0.1ER+0.3RR+0.2SR+0.3WR+0.1TR

(6)

式(6)中：R為樣本個體的加權認知率；ER、RR、SR、WR、TR分別為樣本個體對出入口、服務臺、扶樓梯、洗手間、閘機的認知率，計算為相應要素在樣本個體的認知地圖中繪制數量與真實數量的比值。

通過計算得到的加權認知率，將作為樣本個體的空間認知水平量化結果被引入二元Logistic模型。

4.2 個體空間認知水平影響因素分析

通過建立二元Logistic模型，探究個人社會經濟屬性對個體空間認知水平的影響程度。二元Logistic模型表達式為

(7)

式(7)中：α為回歸方程截距；β為回歸系數；P為預測事件Y發生的概率；Xi為被試者的個人屬性；Y為被試者的空間認知水平。

由于二元Logistic模型的因變量Y為二分類變量，故運用四分法將加權認知率進行二值分類，得到樣本個體空間認知水平作為模型因變量，其中Y=0表示空間認知水平高，Y=1表示空間認知水平低；并將問卷調查收集到的行人個人屬性作為自變量，主要包括性別，年齡，受教育程度，家庭年收入，到該站頻率，其設置如表2所示。二元logistic模型的回歸結果如表3所示。

表2 Logistic回歸模型自變量設置

由表3可知，該模型的模型系數混合檢驗結果為0.01小于0.05，霍斯默-萊梅肖檢驗結果為0.969遠大于0.05，表明該模型有統計意義且擬合效果較好。通過影響因素分析發現，樣本個體空間認知水平的顯著影響因子為家庭年收入與到該站頻率，二者均通過0.05顯著性水平檢驗，其影響程度為：相較于家庭年收入25萬元以上的人群，0～15萬元和15～25萬元人群的空間認知水平更低，分別是25萬元以上人群認知率的0.266和0.178倍，可能在于收入越高的人群對空間信息接收能力越強，其空間認知水平越高；相較于幾乎每天來的人群，其他兩水平人群的空間認知水平更低，分別是幾乎每天來的人群認知率的0.139和0.328倍，可能在于行人到該站頻率越高，對環境越熟悉，空間認知水平越高。

表3 模型結果

5 結論

運用認知地圖法和二元Logistic模型對行人地鐵空間認知水平進行了深度探究，不僅量化了樣本總體對空間各要素的認知水平，也量化了樣本個體的空間認知水平及個人社會經濟屬性對其影響程度。得出如下結論。

(1)樣本總體對乘車必須使用要素的認知水平較高，對乘車非必須使用要素的認知水平較低；家庭年收入與到該站頻率對樣本個體的空間認知水平具有顯著正影響。

(2)研究結果可為地鐵站空間布局設計提供理論依據，即對洗手間、服務臺等乘車非必須使用要素設置更引人注目的指引性標志，以提高乘客對其認知水平；亦可為地鐵應急疏散行為決策研究提供新的研究視角，可將量化的空間認知水平引入行人應急疏散的行為決策模型，更真實地反應實際情況。

(3)僅分析了個人社會經濟屬性的影響，今后的研究可考慮分析其他可能影響行人地鐵空間認知水平的環境因素。