考虑群组行为的九曲桥行人运动特性分析

李晓恋，徐怡华，曹淑超，何其泽，巴 锐

(1.福建警察学院 治安系,福建福州 350007;2.上海豫园旅游商城股份有限公司,上海 200010;3.江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013；4.应急管理部上海消防研究所，上海，200032;5.清华大学 公共安全研究院,北京 100084)

现代社会的快速发展和城市化进程的显著加快给人们的生活带来了巨大改变，城市中涌现出诸如大型广场、购物中心、商业综合体等一系列公共场所。随着现代交通网络的日益完善和社会活动的极大丰富，公共场所中出现高密度聚集人群和行人拥挤堵塞现象也愈发频繁，给人群管控和人员疏散带来严峻挑战。在密集人群中行人成组运动现象是普遍存在的，MOUSSAÏD等[1]对某商业街进行了大量的实地观测发现在低人员密度条件下，约55%的行人是成组运动的，而在中等人员密度条件下，则有约70%的行人进行成组运动。与个体行人运动不同的是，行人群组的运动特性及其疏散效率不仅受建筑结构的影响，还受自身规模及数量的影响[2]，并且群组成员的运动特性也会随着其他成员的运动状态、运动行为和期望目标等因素的变化而变化，因此开展考虑群组行为的行人运动特性研究有助于丰富群组状态下行人运动特征数据库，揭示运动过程中群组内行人个体运动特征变化的内在机制，为后续更加深入地开展群体疏散研究奠定数据和理论基础。目前已有部分研究学者对行人成组运动开展了研究，如WEI等[3]基于调查问卷和观测实验对行人成组运动时的心理和运动特性进行研究，发现成组运动行人的运动速度和步频低于单独运动的行人个体，且不同类型的群组之间行人运动特征差异较大。姚明等[4]对某大学校园内的楼梯及平直通道内的行人群组进行实地观测发现成组运动的行人比例约55%，分析了群组规模、性别差异、运动环境等因素对群组运动的影响，结果表明：群组规模对群组运动速度有明显的负面影响，男性群组的运动速度要大于女性群组，不同类型行人在平直通道内的速度差异比在楼梯内更加明显。FU等[5]基于某大学校园楼梯下行行人运动观测实验得出了行人群组的平均速度、行人的偏向角度以及成员的间距、夹角等，结果表明：同组成员总是倾向于保持相似的速度和偏向角度，以确保群组运动的舒适性和连贯性；对于不同规模的群组来说，成员间距总是保持在相对稳定的状态。HU等[6]开展了不同密度条件下行人个体与群组的多向行人运动实验，分析发现在多向行人运动的情况下行人群组和个体的运动速度没有明显差异，但二者的通行策略却有所不同，在人员高密度区域行人个体比群组更倾向于绕道而行。周金旺等[7]建立了考虑行人成对行为的元胞自动机模型，研究了并排成对、前后成对、混合成对三种方式对双出口房间内人员疏散过程的影响，结果显示当人员密度和成对比例不断增加时，成对行为对人员疏散的阻碍作用越发明显；混合成对最利于行人疏散，并排成对为行人疏散的最不利情况。马云龙等[8]基于大量的行人运动观测数据分析了步速、步幅及步频三个运动特性参数间的相关性，分析了性别差异对运动特性的影响，得出男性的步速和步幅要明显高于女性，女性的步频略高于男性。

总结行人群组运动的研究，发现大多数的研究主要关注于人员低密度场景下的行人群组运动，有关特殊场景下(如节日庆典、大型赛事活动、宗教集会等)高密度人群中行人群组运动的研究较少，有待进一步补充。此外，研究人员利用实验、计算机模型和虚拟现实等方法对楼梯及平直通道结构中的行人运动进行了大量研究[9-13]，对于其他类型结构(如转角、T型路口、十字路口等)中的行人群组运动研究较少，但这些结构在日常生活中也会频繁发生行人拥堵现象。针对以上几点，笔者将基于已开展的豫园九曲桥行人运动观测实验，分析行人群组在通过转角结构时的微观运动特征，并比较行人个体与群组间的运动特征差异。

1 观测实验

为了研究人员密集状态下行人群组通过转角结构的运动特征，笔者于2018年10月1日(国庆节)在上海豫园九曲桥开展行人观测实验。豫园九曲桥作为上海的传统旅游景点，每逢节假日都会迎来大批游客参观赏玩，且具有典型的多转角结构，这样既满足了行人通过转角结构的观测需要，又能保证在观测过程中桥上人员密度始终处于较高状态。观测时间选择游客登桥流量较大的10:00-15:00，并将观测点设置在九曲桥入口附近的建筑物上方，距离地面高度约10 m，视频记录的帧数为25 帧/s，节假日期间桥上行人均为单向流动。九曲桥俯视图如图1所示，桥面全长约97 m，宽2.45 m，桥上共有转角15个，位于湖中央的湖心亭将整座桥分为两段。九曲桥局部示意图如图2所示，图中灰色区域代表实验观测区域，其中区域1为转角区域，区域2为转角后的平直通道，行人在进入观测区域前需通过一段长6.4 m的平直通道。

图1 九曲桥俯视图

图2 九曲桥局部示意图

由于实验设定的观测时间较长，导致通过观测区域的行人数量较大，并且在实际观测过程中规定区域内的行人流量并不均匀，部分行人为了观景、拍照会在桥上驻足停留，使行人流出现间断。针对上述问题，笔者选择截取观测区域内人员密度较高且行人流动连续的3段1 min观测视频片段进行处理分析，共计获得192位行人样本，借助视频对象追踪软件Tracker来自动跟踪行人头部并获得行人的运动轨迹如图3所示，进而将轨迹数据用于行走距离、行人速度、偏转角度等指标的计算。考虑到观测时的光线作用、行人间的遮挡透视关系以及行人的衣着颜色等外界因素可能会导致轨迹追踪的精准度降低，因此对每一位行人的运动轨迹均进行了重复检验及手动修正。

图3 Tracker记录行人轨迹

2 结果分析

2.1 群组比例

本研究主要根据观测视频中行人的运动行为、行走路线、着装和互动交流行为等特征来综合判断行人个体是否归属于同一群组，并根据成员的性别构成划分为不同的群组类型(男性群组、女性群组及男女混合群组)。不同类型群组在行人样本中的占比如图4所示，在192位行人样本中，共有68名行人为成组运动，占比约35.4%，其中：男女混合群组包含行人数目为38人，占比约19.8%；女性群组包含行人数目为20人，占比约10.4%；男性群组包含行人数目为10人，占比约5.2%。

图4 群组比例

从统计结果来看，成组运动的行人占比与前人的研究结果存在一定差异，这是因为研究对象为九曲桥上的游客，其行走目的与其他场景下的行人有所不同。受环境因素和通道结构的影响，桥上行人的运动特征与宽松环境中行人自然行走状态的运动特征也有很大不同。在周围环境的吸引下，行人会根据自身喜好做出观景、拍照等行为；由于通道结构较为复杂，行人拥挤、堵塞现象会经常发生，具有特定社会关系的行人个体间在行走过程中难以保持稳定的多人群组规模，嘈杂的环境条件也不利于行人间的互动交流，这些因素使得多数行人更加倾向于单独规划行走路线，因此九曲桥上行人的成组比例低于个体行人比例。

值得注意的是，在观测视频片段中统计到的所有群组均为双人组，这一结果反映出九曲桥复杂的通道结构及桥上密集的人员条件不利于大型多人群组保持其整体性，原因在于群组规模直接决定了群组所占行走空间的大小，受上述两个因素的限制，大型多人群组无法在通道内获得充足且连续的行走空间，在行走过程中各成员为了保持行走的流畅性需要频繁地改变彼此间的相对位置以适应行走空间的变化，因此大型多人群组难以保持稳定的群组规模。群组规模的缩小使得行人群组可以更加灵活地调整成员间的相对位置及行走路线以适应由于行人拥挤、堵塞或其他行人冲击、阻挡所造成的行走空间的变化。

2.2 群组构型

根据同一群组成员间的相对位置分布情况得出行人群组构型大致可分为横向的并肩排列或竖向的前后排列两种，分别对应了“并排行走”和“引导跟随”两种行走模式，并且随着群组周围行走空间宽度的变化，群组可以在两种行走模式之间相互转换。

群组行走模式分布情况如图5所示，在统计得到的所有行人群组中以“引导跟随”模式行走的群组占比最高，达到52.9%，由此反映出当大规模密集人群在通道内行走时，由于观测区域内行走空间的限制，不能够满足行人流中绝大部分群组的运动需求，这些行人群组的构型均为成员前后排列。此种构型对行走空间宽度的需求较低，因此有利于行人群组根据前方的行走空间变化随时调整行走方向和路线，群组运动的流畅性较高。但是该构型的排列方式会使成员间的互动交流变得困难，在行走过程中后方“跟随者”在成员间凝聚力的作用下跟随在前方“引导者”身后从而导致对周围环境的欣赏兴趣有所降低。当行人群组遭遇拥挤、堵塞或其他行人的冲击、阻挡等情况时前方引导者通常需要克服外界阻力在短时间内显著调整自身的步频和步幅以便于调整行走路线，从而在通道中占据理想的位置，而后“跟随者”需要在“引导者”的指引下及时做出相应调整，因此该构型群组运动的舒适性较低。

图5 行人群组的运动模式分布

此外，有29.4%的行人群组采取了“并排行走”模式，这是由于观测区域内的行人密度分布不均匀，部分行人群组在经过观测区域时通道内存在少量满足其运动需求的行走空间，这些行人群组的构型为并肩排列。与前后排列的群组构型相比，此构型具有更大的群组宽度也因此提高了群组对行走空间宽度的需求。更大的群组宽度降低了群组运动的灵活性，使得行人群组在面对阻碍时调整自身的行走方向和路线变得更加困难，群组运动的流畅性降低。优点在于此构型的排列方式更加有利于成员间的互动交流，成员之间能够相互协调以克服个体间的行走差异，群组运动的舒适性较高。

在行走过程中出现行走模式转换的群组占比约17.7%，其中由“引导跟随”转为“并排行走”的群组占比约5.9%，由“并排行走”转为“引导跟随”的群组占比约11.8%。群组行走模式发生转换的大致过程为：行人流在经过观测区域时因通道结构的限制而发生行走方向转变，靠近围栏两侧的行人由于具有更好的观景视野会为了观景、拍照而在通道内停留观景或低速运动，后续行人为了避免与其发生碰撞会选择变换走道，由此导致了少部分群组在经过观测区域时周围的行走空间宽度发生变化。当群组周围行走空间宽度增加且能够满足行人群组的运动需求时，原本处于“引导跟随”模式下的群组就会转换为“并排行走”模式；当群组周围行走空间宽度减小且无法再继续满足行人群组的运动需求时，原本处于“并排行走”模式下的群组就会转换为“引导跟随”模式，而行人群组采取的初始行走模式取决于该群组在进入观测区域时周围行走空间宽度的大小。

2.3 运动速度

速度是行人运动特性研究中的重要指标，利用Tracker软件对行人轨迹的逐帧追踪功能来对每帧视频图像内的行人头部位置进行标记，并输出对应坐标数据，连续两帧标记点之间的距离表示行人在这两帧画面的时间间隔内行走过的距离微段，自行人进入观测区域的时刻起到离开观测区域的时刻止，各标记点间距离微段的总长度即为行人在观测区域内行走距离，进而可以得出每位行人通过观测区域的平均速度。

样本中个体行人与行人群组的运动速度分布情况分别如图6和图7所示，两类行人的运动速度分布均服从正态分布特性。其中，个体行人的平均速度为0.483 m/s，最大速度为0.939 m/s，最小速度为0.299 m/s，速度分布主要集中在0.3 m/s～0.7 m/s；行人群组的平均速度为0.463 m/s，最大速度为0.733 m/s，最小速度为0.298 m/s，速度分布主要集中在0.3 m/s～0.6 m/s，个体行人的速度分布呈现出的离散性比行人群组更高。

图6 个体行人速度分布

图7 行人群组速度分布

此外，研究还考虑了性别差异对行人成组运动速度的影响，分别对男性个体、女性个体、男性群组、女性群组、男女混合群组这五类行人的速度进行统计，结果如图8所示，行人的速度大多集中在0.42 m/s～0.58 m/s，五类行人的平均速度分别为0.484 m/s、0.489 m/s、0.449 m/s、0.465 m/s和0.460 m/s。从行人性别的角度来看，男性个体与女性个体的平均速度基本持平，男性群组与女性群组的平均速度略有差异，但差异较小；从群组规模的角度来看，个体行人的平均速度与成组运动行人的平均速度相差不大，个体行人的平均速度略高于成组运动行人的平均速度。由此可见：在本实验条件下，性别差异和成组运动行为对行人运动速度的影响并不显著，这与前人的研究结论存在差异，其原因主要体现在如下两个方面：①不同于开放场地下的实验条件，九曲桥的通道结构较为复杂且宽度有限，节假日客流量较大，桥上行人密度较高，行人的行走空间受限；②实验的观测对象主要为游客，桥上行人在行走过程中伴随着较为频繁的观景、拍照行为，行人拥挤、堵塞现象经常发生。由此导致行人的步速和步幅较自然行走状态均有明显降低。当行人处于这种低速运动状态时，受桥上行走空间的限制，男性行人无法发挥出其固有的运动能力优势，并且在较低的速度水平之下小规模的成组行为也很难再使得群组成员速度发生显著降低，因此性别差异和成组行为均未对行人运动速度造成显著影响。

图8 不同类型行人的运动速度

观测区域内各行人群组经过观测区域时的平均速度如图9所示，根据群组成员进入观测区域的先后顺序来定义为1号或2号行人，可以看到不同群组的运动速度水平差异比较明显，如第23组行人的行走速度能够达到0.733 m/s和0.704 m/s；第2组行人的行走速度则仅为0.298 m/s和0.378 m/s，群组的运动速度与成员的运动能力、通道内人员密度及通道结构特征等因素有关。对于大部分的行人群组来说，两名成员的速度水平均十分接近，体现出同组成员的行走速度具有较高的相似性。当同组成员的行走速度差异较大时，随着运动的进行成员之间的相对距离逐渐增加，成员间的互动交流的难度增加，群组运动的舒适性降低。在群组内部协调机制作用下，成员们会克服个体间的行走差异以追求相似的速度水平，这样有利于成员间保持稳定的相对距离，成员间的互动交流更加轻松，群组运动的舒适性随之提高。

图9 行人群组的平均速度

2.4 运动步频

为了研究性别差异对行人成组运动步频的影响，对上述五类行人的步频进行统计，文中的步频主要针对的是行人的垂直步频，即脚在单位时间内接触地面的次数。不同性别类型的行人群组步频如图10所示，这五类行人的平均步频分别为1.32 Hz、1.33 Hz、1.35 Hz、1.46 Hz和1.43 Hz。由图10可知：人群组的运动步频均高于两类个体行人的运动步频，反映出在人员密集场景下成组运动会导致行人的步频升高。观测区域内人员密度较高且分布不均匀，行人拥挤、堵塞现象频繁发生，由于拥堵区域人员排列较为紧密导致后续行人的行走受到限制，大部分行人在降低步速和步幅的同时还会适当地提高步频，而行人提高步频的目的主要有两个方面，一方面可以更好地适应因前方拥堵减弱而导致的行走空间变化，另一方面可以为自身调整行走方向和路线做好准备，避免因行走空间不足导致运动停滞。与个体行人相比，行人群组的运动更为复杂，在群组内部协调机制的作用下，成员们既要保证彼此之间距离的相对稳定，也要灵活调整行走路线以避免遭遇行人拥挤、堵塞，这两个因素均会使群组成员增加脚步调整的次数，因此在人员密集场景下成组运动会导致行人的步频升高。另外，女性个体和群组的步频分别高于男性个体和群组，混合群组的步频介于男性群组和女性群组之间，反映出在人员密集场景下女性行人的运动步频高于男性行人。这是因为女性行人具有更小的身材尺寸，其在通道内行走时受到的外界阻力更小，女性行人为摆脱外界行人的阻挡在人群中穿插或绕行的主动性更强，因此在行走时女性行人调整行走方向和路线的频率更高，步频也就更高。

图10 不同类型行人的步频

观测区域内各行人群组的步频如图11所示，不同行人群组的步频有所不同，如第12组行人的步频能够达到1.97 Hz和2.04 Hz，而第21组行人的步频则均为0.94 Hz，但大部分行人群组的步频集中在1.2 Hz～1.5 Hz左右，群组的运动步频与成员的性别、年龄、行走步态等因素有关。另外，从图11中还可以在看到大部分群组中成员的运动步频均十分接近，体现出同组成员的步频同样具有较高的相似性。对于前后排列构型的群组来说，当成员间的步频和迈步顺序存在差异时，“引导者”向前迈步的一侧处于“跟随者”支撑脚的同侧，而“跟随者”向前迈步的一侧又处于“引导者”支撑脚的同侧，尽管“引导者”已经向前运动，但“跟随者”并未获得足够的迈步空间，因此“引导者”在无形中对“跟随者”造成了阻挡；对于并肩排列构型的群组来说，行人在交替变换支撑脚时会使身体产生横向偏移，当成员的步频和迈步顺序存在差异时，成员双方极易向同一位置发生偏移，进而导致身体发生侧向碰撞，因此成员间步频和迈步顺序的差异会降低群组运动的舒适性。在群组内部协调机制作用下，成员们会克服个体间的行走差异进行主动调整以追求相同的迈步顺序和相似的步频。如此一来，在行人群组内部发生成员前后阻挡或侧向碰撞的概率大大降低，群组运动的舒适性随之提高。

图11 行人群组的步频

2.5 偏转角度

当行人在通道内行走时，受自身的行走习惯及外界因素的影响，其实际运动方向会在既定方向的基础上发生一定的偏转，而实际运动方向与既定方向之间的夹角即为行人运动的偏转角，它能够反映出行人在行走过程中的方向变化。行人运动的偏转角如图12所示，起点表示行人进入观测区域1时的初始位置，中间点表示行人离开观测区域1进入观测区域2时的位置，终点表示行人离开观测区域2时的最终位置。行人在经过区域1时，由于转角结构的限制需要进行方向调整，在转向过程中由于该区域具有较好的观景视野，大部分行人倾向于在此观景、拍照，当有限的观景空间被占据后，后续行人为了避免拥堵而选择变换走道，加之转角内外侧人员密度分布不均匀，行人穿插、绕行行为频繁出现，部分行人群组的排列构型也发生改变，行人的运动状态比较混乱。当行人到达区域2后，由于区域2为平直通道结构，在该区域内行人的行走状态比较稳定，行人走道的分层现象较为明显，人员密度分布更加均匀，经过穿插绕行、变换走道、改变群组构型等一系列主动变换后行人的排列位置也基本固定，行人的运动状态更加稳定。综合上述原因，文章主要针对观测区域2内的行人运动偏转角进行分析。

图12 行人运动偏转角示意图

不同类型行人经过观测区域2产生的运动偏转角如图13所示，在偏转角统计过程中取行人向右偏转角度为正，向左偏转角度为负。

图13 不同类型行人的偏转角度

由图可知，两类行人的运动偏转角度范围大致相同，均处于在-13°～26°的区间内，并且两类行人的平均偏转角度差异较小，其中个体行人的平均偏转角度为3.3°，行人群组的平均偏转角度为7.0°，由此反映出在人员密集场景下成组运动对平直通道内行人运动偏转角没有造成显著影响。此外，两类行人中均有约75%的行人偏转角度为正，这说明大部分行人在经过观测区域2时具有向右偏转的倾向，产生这种现象的主要原因在于九曲桥特殊的连续转角结构，观测区域2与下一个向右偏转的转角区域直接相连，因此大部分行人在即将离开区域2时会有意识的向右偏移以争取靠近转角内侧的行走位置，少量行人因受周围环境的吸引会选择向左偏移以争取在下一个转角区域获得较好的观景位置。

各行人群组经过观测区域2产生的偏转角度如图14所示，不同群组的运动偏转角度有所不同，如第10组行人的偏转角度能够达到24.3°和20.4°，而第22组行人的偏转角度为0°和0.54°。

图14 行人群组的偏转角度

由图可知，大部分群组成员间的偏转角度差异较小，由此体现出同组成员在行走过程中的偏转方向具有较高的相似性，这种相似性使得群组成员能够很好地保持群组构型的稳定。由于观测场景中存在较多影响行人运动的外界因素，在这些外界因素的诱导下，群组成员可能会产生不同的行走目的，群组成员间的凝聚力降低，个别群组成员间的偏转角度差异加大，同组成员偏转角度的相似性降低。由此可见，在行人群组的运动过程中为了保持稳定的群组构型和运动状态，同组成员的运动速度、步频及偏转角度均具有较高相似性，但成员偏转角度的相似性受外界因素影响更加显著，而由于群组内部协调机制的存在使得成员运动速度、步频在外界因素影响下仍能保持较高相似性。

3 结论

笔者基于九曲桥行人运动现场观测实验，开展桥上成组行人运动特征研究，从群组构型、运动速度、运动步频和偏转角度4个方面展开分析，分别讨论了个体行人与行人群组、男性行人与女性行人及同组成员之间的运动特征差异，得出的结论如下：①九曲桥复杂的通道结构及桥上高密度的人员条件不利于大型多人群组的运动，在统计到的行人样本中，成组运动行人的群组规模均为小型双人群组。②由于通道内行走空间宽度的限制，52.9%的成组行人在行走过程中采取前后排列的群组构型，转角内区域不均匀的人员密度分布使得29.4%群组的行走空间宽度能够满足其运动需求，群组成员呈并肩排列，17.7%的群组在行走过程中因周围行走空间宽度的变化而发生了群组构型转换。③在人员密集场景下性别差异和成组运动行为均未对行人运动速度造成显著影响。④在人员密集场景下成组运动会导致行人的步频升高，女性行人穿插、绕行主动性使其在行走过程中会更加频繁地调整行走方向和路线，步频高于男性行人。⑤在人员密集场景下成组运动对行人运动偏转角没有明显影响，个体与群组的偏转角度分布基本一致，受通道结构的影响，观测区域2中的大部分行人具有向右偏转的倾向。⑥同组成员的运动速度、步频及偏转角度均具有较高的相似性，但由于群组内部协调机制的存在，外界因素对成员运动速度、步频的相似性影响较小，而对偏转角度相似性的影响更为显著。