地铁站寻路感知眼动试验与空间优化研究*

夏海山， 赵一锰 ，徐 然 ，翟蕾蕾

引言

截止到2020 年12 月，我国的大陆地区在45 个城市建成城市轨道交通7969.7km，其中地铁的公里数为6280.8km，占城市轨道交通的78.8%。同时在2020 年内新增的公里数就为1233.5km[1]，地铁已然成为市民重要的日常出行方式之一。然而，地铁如何实现由量到质的转型，如何给乘客带来良好的空间品质与高效的出行，是城市面临的一个现实问题。

《国家综合立体交通网规划纲要》提出推进绿色发展和人文建设[2]，满足个性化，多样性、人性化的要求，同时提升空间品质[3]，美化城市人居环境。在地铁站内空间，包括标识系统在内的文化元素对乘客获取出行信息具有重要作用[4]。过去的30 年内，国内外学者对标识系统的研究颇多，且地铁站内环境已有初步的改善[5]，但在精细化设计和量化研究方面还有待提高。其中将眼动数据应用于对地铁站内文化元素关注度是较为前沿的研究领域。

人们通过视觉、听觉、味觉等渠道去感知空间，而进入中枢神经系统的神经纤维有近70%来自视觉，人所获取的信息中达90%来源于视觉。人类对于视觉眼球的研究最早从古希腊就已经开始，但原始的相关研究只能根据调查问卷，对所研究的问题进行主观评判。眼动仪的出现，实现了对相关问题以主观结合客观的方法进行研究。眼动实验大大降低了数据采集过程中的误差，使实验研究的结果更具真实性、科学性。眼动技术在国际上已发展100 多年，早在19 世纪，研究者通过考查人们的眼球运动来探讨人的心理活动，推测人们的认知加工机制[6]，之后出现了机械记录方法。随着科技的发展，科研人员开发了眼电（EOG）、影像、角膜反射等技术方法[7]。

1849 年，Du Bois-Reymond 发现眼球运动和电极之间存在联系人体皮肤表面的电位[8]。当眼球继续移动时电位差会继续变化，眼电信号也会继续发生变化，最终在时间轴上形成变化曲线这条曲线被称为眼电图(EOG)。1934 年Fenn 和Hursh 提 出EOG 方 法[9]J. F. Mackworth and N. H. Mackworth 发明了电视眼球追踪方法。他们使用电视摄像机拍摄物体，同时导入它到两个电视屏幕上放映。被试者观察第一个屏幕上的场景，他的眼睛角膜被光照亮。角膜的反射是由另一台电视摄像机拍摄的进入第二个屏幕。所以第二个屏幕上会有眼球运动的光点和对象[10]。Dodge and Cline 是最早使用角膜反射来记录眼球运动的人[11]。1987 年，第一个卷积神经网络诞生，Alexander Waibel 等人提出时延神经网络(TDNN)，并应用于语音识别。自那以后,卷积神经网络已广泛应用于计算机视觉和自然语言处理，并在图像识别处理中展示了它的优势，这正是眼球的需要运动识别和跟踪技术[12]。近年来，随着信息技术不断发展，眼动追踪技术在心理学、VR/AR、人机交互等许多领域，得到了广泛的应用。但如何从视觉反应出发提升空间品质，眼动追踪技术的相关研究尚为不足。

目前，国外在眼动追踪技术的研究起步较早，研究内容更为系统，研究成果更为丰富。随着眼动技术的成熟，眼动研究越来越受到国内专家学者的关注，眼动研究数量增速显著[13]。眼动追踪技术是研究隐藏在人类行为背后的认知和情感的有效手段，眼动实验可以了解乘客的关注点，对信息搜索和乘客出行有较大的帮助[14]，然而国内学者对眼动追踪技术在空间品质提升的应用刚开始接触，而结合空间品质提升出行效率的研究更为稀少。有研究者（赵莹，2020）组织22 名被试者通过眼动仪实验在珠海市拱北口岸交通枢纽环境中，与标识交互而完成寻路的行为，揭示了高密度的标示牌和文本型的标示牌能让乘客更高效的完成寻路行为[15]。还有研究者（徐健，2019）组织10 名被试者利用眼动实验搜集乘客数据并结合虚拟实验和真实环境对乘客的路径选择进行探索，证明了眼动实验适用于提升空间品质的研究[16]。

人们对于外部世界的知觉是通过大脑、眼睛视网膜接受的刺激而产生的[17]。城市公共空间品质的高低将在很大程度上影响城市生活的质量[18]。从现代视觉心理学的角度来看，作为大多市民出行必经之地，城市轨道交通换乘空间是城市公共空间不可或缺的一部分，因此乘客对轨道交通换乘空间的感知是评价人居环境的重要指标。当前我国地铁站内文化元素缺乏统筹协调、千篇一律[19]，已严重影响乘客的空间感知与出行效率。眼动实验结合建筑设计可以从主观和客观两个维度探求乘客的关注点，有助于揭示换乘空间中的问题本质，更加科学地提出解决问题的相关策略，优化站内的空间品质[20，21]。

视觉与人体感受关系密切。光作用于视觉器官，使其感受细胞兴奋，其信息经视觉神经系统加工后便产生视觉（vision）。通过视觉，人和动物感知外界物体的大小、明暗、颜色、动静，获得对机体生存具有重要意义的各种信息[22]。视觉反应是通过视觉器官收到外界的刺激后所产生的心理和生理的变化。人体对外界环境的反应指从信号或刺激物出现到反应动作开始的过程。

空间感知是人对空间的内在反应，是周围环境（对外部感受过程）和与自身（感受过程）关系的认识。人在交通建筑内部空间需要一个认识过程，良好的内部空间是实现在该空间中导向标识、商业广告、装饰装修等诸多文化元素的平衡，以便人对空间的快速认知，减少乘客的寻路时间，提升出行效率[23]。

图1 视觉反应与空间品质、空间感知的关系图

城市公共空间品质主要指城市公共空间环境质量的状况，同时还有品性、本质的含义。城市公共空间品质是一个相对的、发展的概念，它随城市社会经济的发展而变化。城市公共空间品质对城市市民的生活质量产生巨大的影响。其所包含的心理环境的因素有：安全、幸福、温馨、美观等。城市公共空间同时也是城市社会生活的物质载体和城市文化的表现形式，因此城市公共空间品质还反映着城市文化的内涵。城市公共空间在心理感受和文化内涵方面的结合就产生所谓的具有意义的空间——场所。反映到空间形态上就是对形式和内容在深层次的结构上有相似的空间的理解和认同感，并由此产生归属感和安全感。城市公共空间所反映的场所意义和文化内涵是其品质的重要内容，但它是建立在物质空间的基础上。城市公共空间是城市人居环境的重要构成，是与市民日常生活关系最为密切的城市空间[18]。因此，城市公共空间品质指城市公共空间在物质空间、心理环境、场所意义、文化内涵四个因素综合的质量评价。关于视觉反应与空间品质、空间感知三者之间的关系如图1所示。

城市地下交通空间的品质影响着乘客出行效率和城市生活质量。现有地铁站内空间普遍存在整体性较差，地域性缺失，多样性匮乏的问题，主要由于站内文化元素配置混乱，空间品质较差。这些问题将严重影响着乘客的空间感知与出行效率。空间品质的优化提升可以产生愉悦的视觉反应，进而给乘客带来清晰的空间感知，提升乘客的出行效率与换乘舒适度。本研究从乘客的视觉反应出发，结合实地调研，照片播放和眼动实验等方法开展空间感知的实验，以期了解对地铁站空间视觉认知的强弱所产生的差异化，结合城市规划和建筑设计的专业特点，多方位、多层次对地铁站展开深入研究，实现地铁站内空间品质的优化[24]。

1 研究方法

1.1 实验地点选取

西直门地铁站作为北京重要的城市交通枢纽，是连接北京北站，地下地铁线2 号线、4 号线、13 号线三线换乘，人流量在全国范围内也屈指可数，单日客流量约为41.5 万次。且西直门站点周边业态复杂，人群结构呈现多样化，换乘交通空间非常复杂。因此，西直门的交通枢纽，以综合交通错综复杂、人流量巨大、人群结构复杂等特征，具有研究的代表性。

1.2 实验目标

通过模拟寻路情景，让被试者观看相应图片，记录其眼动数据，从而根据他们对导向与警示标识、装饰装修和商业广告类的关注时长，确定他们对这三种文化类元素的关注度，再进一步根据他们对于场所的熟悉程度，分析引起关注度差异的背后原因。

1.3 实验设计

本实验具体的研究地点为西直门地铁站，按被测试者在北京的居住时长进行分类，研究因在北京的时间不同或对北京的了解程度不同的被测试者，对西直门站内不同场景产生的差异性影响[25]（图2）。

1.3.1 场景信息采集

实验设定的情景为：被试者处于从西直门地铁站2号线换乘13 号线的行进路线中。实验基于西直门站点的行进路线多次进行数码相机观测拍照（图3）。根据《GB-T 18574-2008 城市轨道交通客运服务标志》规定，换乘导向标志设置在换乘站台通往目的站台通行区域的相应位置，通行区域行程内导向标志最大设置间距为30m，当通行区域行程大于30m 时宜重复设置，且各类标志中文字的最大观察距离为30m。本实验中30m是重要的距离节点，因为根据我们的实验目的，需要在30m 节点处，对行人启用的“自上而下”的视觉注意力进行观察，而在其他非30m 处节点，由于环境视觉信息的设置，行人易启用“自下而上”的视觉注意力模式，所以我们将其他非30m 处的节点照片进行删除，以将“自下而上”视觉注意力对我们研究的干扰作用控制在最低。因此我们以30m 为节点，在近400m 的换乘路线上拍摄的照片中选择12 张照片，照片的统一尺寸为5472＊3648像素。由于在实验中，被试的注意力会的被场景中的人吸引而产生干扰，所以照片中尽可能减少乘客进行照片选择，最终筛选出12 张照片（图4）。通过按换乘路线的顺序播放照片，来模拟现实中的换乘过程。

1.3.2 被试者的选择

图2 基于熟悉度的研究路径图

图3 被试者实验路线及场景分布图

图4 西直门地铁站空间场景图

研究人员在西直门地铁站附近按男女平衡原则寻找被试者，说明实验目的及实验步骤，并承诺相关眼动数据仅用于研究。在询问视力情况（正常视力或矫正后可达到正常视力，且无色弱）之后，继而确认被试者同意参加实验和对其实验数据进行公开。实验完成后，会给被试者赠送物品以示感谢。

在西直门站随机招募了符合实验要求的62名被试者，但由于数据收集过程中有2 人导出空白数据，最终导出有效数据60 人，其中男性28 人，女性32 人。在所有被试者中，在西直门站附近居住时间1 年及以下的被试者20 人，居住时间2～3 年的被试者24 人，居住时间4 年以上的被试者16 人。同时对专业组和非专业组的被试者进行眼动实验对实验结果予以佐证，保证数据的有效性，为后期的设计提供科学依据。针对研究地点为地铁站换乘空间的视觉设计，相关专业包括建筑学、城乡规划和室内设计等。专业组是指建筑学和城乡规划专业等具有相关专业知识被试者，非专业的社会群体是指除建筑学和城乡规划等专业以外的被试者。最终测试专业组为24人，其中包括女性17 人和男性7 人。非专业组为36 人，其中女性14 人，男性22 人（图5）。

1.3.3 实验步骤

实验环境为室内环境。实验设备包括TOBII 高清桌面式眼动仪一台（用于观察被试者的注视点）、笔记本电脑两台（记录实验数据和操控眼动仪）。眼动仪型号为Tobii Pro X3-120，其拥有采样率为120Hz, 偏离误差一般为0.1 度，空间最大凝视角度为35 度，允许最高头部运动速度为 25cm/秒。其后安装配套分析软件Tobii Pro Studio download3.4 分析数据。

图5 被试者群体分类饼状图

图6 空间场景图片的AOI（感兴趣区域）划分图

首先，研究人员向被试者说明实验流程和实验要求，并告知被试者实验任务，即：该实验需要你根据照片上的各类视觉信息，确定由2 号线转13 号线的换乘路线。稍作休息后，由研究者引导被试者坐在眼动仪屏幕前60厘米处，并对12 个场景进行眼动实验。

佩戴实验设备齐全，并进行眼球试验与视线校准等前期调试步骤。以一个即将从2 号线换乘13 号线的乘客角度，对西直门地铁站按行进路线播放的12 张不同场景图片进行观看，12 张图片每隔3 秒切换一次，两张图片切换中间放置一张灰度图，播放时间为一秒，以保证两张场景图之间相互不影响，播放完毕即停止试验。在进行眼动实验后，问卷调研了被试者的基本信息。

实验结束后，眼动实验数据由Tobii Pro Studio download 3.4 软件导出，实验数据包括每一个被试者在各个图片上的注视时间长短和注视位置，根据视点数目以及注视时间长短来说明实验者关注度的高低。

1.3.4 空间场景的AOI（Area of Interest）划分

AOI（感兴趣区域）是基于兴趣划分的面积，又称兴趣面[26]。通过空间场景图片AOI 划分，可以获得针对某一特定元素的眼动数据，便于对特定的因素分析研究。经观察，在整个空间场景中，视觉元素共分为3 类：导向警示标识、装饰装修、商业广告。因此本实验应用CorelDRAW 软件将导向警示标识、装饰装修、商业广告三种类型对空间照片进行划分（图6）。

导向与警示标识是影响乘客出行的重要元素，其目的是保障行人流的安全、便捷的通行[27]。其中导向警示标识包括悬吊式导向标识、地面贴附式导向标识、立面贴附式导向标识、挂墙式导向标识、立面贴附式导向标识、出入口标识、警示标识。装饰装修包括立面装饰、顶面装饰、地面装饰、LED 时钟、工作照明。商业广告包括灯箱商业广告、平面公益广告、灯箱公益广告、PIS 系统电视。对标示牌的注视时间表明是否对该场景熟悉，广告则代表场景中商业元素，装饰装修是代表地铁站的艺术元素，这三类元素是地铁站场景的主要构成元素。

1.3.5 热点图与眼动轨迹图

实验后对实验结果进行数据可视化，并整理成眼动热点图与眼动轨迹图（图7）。眼动热点图能够直观表现被试者注视点的时间长短或疏密来反映实验环境中最易受关注和易被忽略的部分。图7 中的热点图说明被试者对立面装饰的关注度最高。眼动轨迹图通过呈现被试者的眼睛注视轨迹，以获取其视觉注意力的观察顺序，从而确定环境中的重点区域。1 号位置为立面贴附式导向标识；2 号位置为立面装饰；3 号位置为警示标识；4～8 号位置同为立面装饰；9 号位置为导向标识。眼动热点图与眼动轨迹图为实验结果提供参考依据。

2 实验结果分析

2.1 不同视觉元素的差异性

眼动实验后，根据空间场景的AOI 图导出相对应的眼动数据。眼动数据是不同被试者对各类视觉元素注视时间的统计，排除空间中其他行人的影响。眼动数据进一步分析，得出在西直门站附近不同居住时长的群体对各类元素注视时间的占比数据，并用饼状图可视化。以下为60 名被试者分别对导向与警示标示、装饰装修、商业广告的平均注视时间占三类平均注视时间之和的比例（图8）。

根据各类人对各类元素注视时间占比饼状图，发现装饰装修元素占比74%左右，导向与警示标示占比17%左右，商业广告的注视时间为9%左右。第一，装饰装修元素包括立面装饰、地面装饰、屋顶装饰等，所占面积较大，同时装饰装修具有其独特性与美观性，更容易引起被试者的注意。第二，导向与警示标示的关注度次于装饰装修元素、高于商业广告。由于在西直门地铁站等复杂的交通枢纽中，导向与警示标示起到疏导人流，缓解行人拥堵的作用，因此在地铁站中该元素在空间中应该占用相当大的比例。第三，商业广告除会带来一定的商业效益的优势外，不利于交通疏导，因此在地铁站的空间场景中占有较少的比例。

2.2 三类文化元素关注度分析

在60 个被试者中，每名被试对导向与警示标示的注视时间（s）为X1,X2,X3…X60，对装饰装修的注视时间（s）为Y1,Y2,Y3…Y60，对商业广告的注视时间（s）为中Z1,Z2,Z3…Z60。

图7 基于场景五的眼动热点图（左一）、眼动轨迹图（中）与AOI 划分图（右一）

图8 在北京不同时间的被试者对各类元素注视时间占比

则每名被试者对三类元素平均注视的时间(A)为：

则导向与警示标示元素的平均注视时间占比(B1)为:

则装饰装修元素的平均注视时间占比(B2)为:

则商业广告元素的平均注视时间占比(B3)为：

图9中导向与警示标示元素的平均注视时间占比(B1)为图中蓝色区域，装饰装修元素的平均注视时间占比(B2)为图中橘色区域，商业广告元素的平均注视时间占比(B3)为图中灰色区域。

根据导向与警示标识、装饰装修、商业广告类元素的注视时间（图9），得出对每一类文化元素的平均注视时间，对比所得数据发现导向与警示标示元素的平均注视时间为0.362 秒，占比20%。装饰装修的平均注视时间为1.298 秒，占比72%。商业广告类元素的平均注视时间为0.133 秒，占比8%。经分析，装饰装修类占比较高的原因为该类别的元素包括地面装饰、屋面装饰、墙面装饰等大量的内容。在西直门站这类复杂的站点，导向标识占比20%相对不高，应继续增加导向与警示标识的元素的占比，商业广告维持不变或相应的减少。

2.3 三类文化元素分析

2.3.1 导向与警示标示

根据实验数据，统计了被试者对导向警示标识、装饰装修、商业广告三种元素的注视时间，并将平均注视时间作为研究参考项。平均注视时间是在不同空间场景中平均每个被试者对不同元素的注视时间，其指标说明被试者对该要素的吸引程度。

实验对导向与警示标识元素的观测数据显示（图10），在西直门站点附近居住时间2～3 年的被试者对导向标识注视的平均注视时间最长，更容易被导向与警示标示吸引，而居住时间为1 年及1 年以下、居住时间为4 年及4 年以上的三种人群区别不明显。经分析，在西直门站点附近居住时间在1 年及1 年以下的被试者由于对西直门的站最不熟悉，则对地铁站场景的各类元素均保持关注与好奇。而在西直门站点附近居住时间为2～3 年的被试者对西直门地铁站的熟悉程度好于居住时间1 年及1 年以下的被试者，在实验中不会四处观望，有找寻方向的趋势，因而关注导向与警示标识。而居住4 年及4 年以上的被试者对西直门地区的熟悉程度更好一些，对西直门地铁站的空间更加熟悉，因此更关注除导向与警示标识外的其他元素。

2.3.2 装饰装修

在对装饰装修元素的观测中（图11），西直门站点附近居住时间长短与对装饰装修等元素显著性不明显。因此，在西直门站点附近居住时间长短与是否关注装饰装修元素无关。其中场景6、场景10、场景12 中较其他场景中的时间最长，主要是因为这三个场景中的装饰装修元素在图片中所占的区域较大，更容易被关注到，因此装饰装修更容易吸引不同社会群体的关注。

图9 导向与警示标示、装饰装修、商业广告三类元素平均注视时间对比图

图10 对导向与警示标示元素差异性对比

图11 对装饰装修元素差异性对比

图12 对商业广告元素差异性对比

表1 专业组（建筑学、城乡规划）被试者对三类元素注视时间的平均值

2.3.3 商业广告

对商业广告的实验中发现（图12），1 年及1 年以下的被试者对商业广告的注视时间较长，关注程度较高。其余2～3 年的被试者、4 年及4 以上的被试者对比不显著。经分析，广告类元素在空间场景中的形式包括灯箱式具有色彩强烈，对比度高的特点。对空间不熟悉的被试者更容易被一些色彩强烈显著性强的元素所吸引。因此，对空间越不熟悉或空间认知度低的被试者对广告的关注时间较长，而两年以上的被试者对空间的熟悉度差异不明显，因此在实验中的结果中差异性不明显。

2.4 专业组与非专业组数据分析

为对以上结论进一步验证，并实现空间的合理改善。因此对专业组数据进行分析，以满足数据的普遍性。

上表中，SUM(总计)代表不同群体平均每人对该类文化元素注视时间之和，RATE(比例)标识每类文化元素平均注视时间占总注视时间的比例值，其值越大说明被试对该类元素关注度越高。

专业组相对更关注导向与警示标示与商业广告（表1）。分析其原因，专业组的被试者由于对空间的敏锐性，寻路的过程中更关注空间的变化，因此导向与警示标志的吸引力更强。同时，建筑学与城规专业又作为偏艺术方向的工科专业，对色彩和明暗变化的敏感度较强，因此对商业广告类对比度高的元素更为关注。而对于非专业组来说（表2），由于对空间的认知较少，更容易被图画、雕刻等精美的工艺品或装饰品吸引，因此更为关注装饰装修类的元素。

表2 非专业组（建筑学、城乡规划）被试者对三类元素注视时间的平均值

3 结论与讨论

通过以上眼动实验分析得出如下结论：（1）被试者对北京西直门站地铁的熟悉程度与对商业广告元素的关注度呈现负相关，商业广告对于通勤乘客在换乘空间的存在价值较低。（2）被试者对北京西直门站地铁的熟悉程度与对西直门站内的装饰装修元素无明显的相关性，装饰装修元素受到各类乘客的关注。（3）专业组相对而言更关注导向与警示标识与商业广告元素，导向标识在地铁站内的实用价值较高，商业广告对乘客的换乘效率影响较大。（4）乘客对空间的装饰装修关注度较高，其次分别为导向标识、商业广告类元素。

根据实验结论，可以得到以下提升地铁换乘空间品质的措施：（1）商业广告减少在换乘空间的排布，不仅影响乘客换乘效率，且达不到广告宣传预期的效果。（2）导向标识结合装饰装修设置，应有明显的特征，更易引起各类乘客群体的关注。（3）重视地铁站内的装饰装修元素，装饰装修元素配置需要结合地域性和人文性，以便给乘客带来清晰的空间感知，实现高效出行。

本研究主要从专业性和熟悉度两个维度出发，利用眼动追踪技术获取北京西直门地铁站内乘客偏好，认知乘客的视觉反应，最终通过文化元素合理配置、优化站内空间品质给乘客带来清晰的空间感知体验，提升出行效率。总之，本文的研究旨在为大型复杂交通枢纽空间的文化元素配置、空间品质的优化提供理论参考和设计支撑。

图、表来源

文中图、表均由作者绘制与拍摄。