基于认知地图的行人地铁站空间认知分析

王立晓，刘晨，孙小慧

(新疆大学建筑工程学院，乌鲁木齐 830047)

地铁作为现代城市公共交通运输发展中大运量的出行方式，有效地缓解了城市交通拥堵，促进了低碳出行。然而，由于地铁站环境的特殊性，地铁站内的应急疏散成为公共安全领域刻不容缓的重要课题[1-2]。根据Sime等[3]提出的人员响应避难逃生时间模型，疏散主要分为感知、响应、疏散行动3个阶段，而行人对突发事件的感知和响应主要取决于对周围环境的空间认知，不同程度的空间认知将生成不同的逃生方案，深刻影响应急疏散时的个人行为决策[4-6]。因此，量化行人对地铁站的空间认知水平，对于更真实深入地研究行人应急疏散的行为决策机理，减少应急疏散过程中人员伤亡具有非常重要的现实意义。

已有研究表明，疏散人员的空间认知对应急疏散行为、疏散速度具有显著影响，且现有的一些应急疏散模型的行为决策体系中，也已引入疏散人员的空间认知[7-15]。张立茂等[7]认为疏散效率受疏散人员对地铁站环境的熟悉程度等主观因素影响；严瑾等[8]认为疏散个体对自身安全性的认知偏差可能导致其应急疏散决策失误，并提出疏散人员自身安全性影响因素包括对建筑物内部熟悉程度的影响；邢志祥等[9]在研究中提出人员的环境熟悉程度对路径选择及疏散时间具有重要影响；李枫等[10]在研究中通过受访者对地铁各出口是否熟悉的调查反映个体空间认知水平；李逊等[11]、李强等[12]指出可以通过是否了解空间布局、是否知道楼梯和出口位置、是否熟悉安全疏散路线等问题定性描述疏散人员的空间认知；罗凌燕等[13]通过被试者自评打分(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)描述疏散人员的熟悉程度；李阳等[14]在传统的地场模型中引入环境熟悉度参数λ∈[0,1]，假设疏散过程中λ随行人距出口距离的减小而线性增加；宋英华等[15]在行人疏散元胞自动机模型中引入环境熟悉度参数σ，简单以σ分别取值0.2、0.4、0.6、0.8表示不同环境熟悉度的人群。然而，空间认知是人类理解、表示地理实体及其空间关系的复杂心理过程[16]，受诸多因素的影响。以上学者多采用定性分析，或仅以简单数值定量描述疏散人员的空间认知水平，缺乏实际意义。

现有的空间认知量化分析主要在城市尺度展开[17-21]。Gale[17]应用地图学理论与技术对俄亥俄州哥伦布市进行城市环境认知研究；Lloyd等[18]运用多维尺度法和欧几里得回归法研究分析3个社区被试者关于105组城市地标的距离和方向认知扭曲差异；薛露露等[19]以北京市为例进行城市空间认知分析，对比总结手绘草图法和多维标度法两方法的异同；王茂军等[20]运用二维回归法和标准差椭圆法研究分析北京城市居民的空间认知扭曲情况；何丹等[21]通过构建面积偏差系数和中心偏差系数度量武汉、长沙和南昌三市大学生对长江中游城市群空间范围的认知地图与规划地图的差异。部分学者以校园、公园为对象[16,21]。戴代新等[16]以鲁迅公园为例，对城市历史公园空间认知进行量化分析；王茂军等[22]以首都师范大学和北京林业大学为例，运用标准方差椭圆法量化分析社区尺度上空间认知扭曲，鲜有学者对行人的地铁站空间认知水平进行量化研究。

为了使引入空间认知水平的地铁应急疏散行为决策模型更符合真实情况，对行人的地铁站空间认知水平进行量化分析，以上海世纪大道地铁站为对象地，采用认知地图法量化表达被试者对该站的空间认知水平，从空间要素的认知数量和位置准确度两方面量化分析样本总体认知水平，并基于所得结果确定样本个体认知水平指标，通过构建二元Logistic模型，探索基于个人社会经济属性的行人空间认知水平差异。

1 理论介绍

认知地图是环境意象构成要素、要素间的距离和方向信息最为完全的表现形式，通常以图文等方式呈现，具有与地图学地图类似的性质[23]，能有效地对被试者空间认知水平进行图形量化分析，是目前常用的空间认知外化方法之一[24]，被广泛用于空间认知形态、空间意象要素构成及空间导视系统优化等方面研究[25-27]。

根据不同的研究目的，认知地图的调查方法也不尽相同。对于把握喜好、评价的研究主要运用语义学解析法(semantic differential，SD)；对于把握人员空间认知水平即对所处环境熟悉程度的研究，主要采用：①自由描绘法，要求被试者在白纸上自由绘制规定调查范围内所知道的空间要素；②限定描画法，要求被试者在已标记主要空间要素(如地区边界线、干线道路)位置与形状的图中绘制其他要素；③圈域图示法，要求被试者在比例尺适宜的图中指出并绘制调查对象地的圈域或边界点、分节点；④空间要素图示法，要求被试者在详细地图中标记所知道的全部空间要素(或仅标记规定的空间要素)。经对比发现，自由描绘法能直观综合地表现被试者的空间意识，但易忽视微观空间要素，且受被试者图示能力的限制；限定描画法虽能减少绘图表现能力的影响，但能被量化的空间要素大大减少，不足以表现被试者认知强弱；圈域图示法仅用于调查比较单纯的特定事物，且分析结论也较为简单；空间要素图示法基本不受被试者绘图能力的影响，且能正确把握被试者对空间要素的认知位置分布，得到记忆率、认知度、评价得分等形式的严密数据，易进行定量化分析[28]。

为量化分析地铁站尺度下的行人空间认知水平，相较于以往的城市尺度研究，地铁站由于空间区域相对较小且位于地下，内部空间布局相似性高，无明显的地面参照物，为降低被试者绘图能力的影响，同时获取直观性数据以便于对行人地铁空间认知程度进行定量化分析，故采用空间要素图示法调查行人对站内空间要素的认知情况。

2 问卷调查及数据统计

2.1 问卷设计及调查

为了调查行人的个人属性和空间认知能力，量化分析行人地铁空间认知水平及其影响因素，问卷内容包括个人属性和认知地图两部分。其中，个人属性主要调查被试者的性别、年龄、职业、受教育程度、家庭年收入、到该站频率；认知地图主要调查被试者对地铁站各空间要素的位置认知和整体空间认知水平。调查地点选择上海世纪大道地铁站，因为该站为地铁2号线、4号线、6号线、9号线的换乘站，空间体量大且内部复杂，空间分布有一定的对称性，可以有效区分乘客的认知情况，同时站内客流量巨大，随机抽样可涉及到各类人群。根据林奇在城市意象中提出的意象五要素(节点、地标、区域、路径、边界)理论，并考虑相较于城市尺度，地铁站空间区域较小，且采用要素空间图示法调查，已事先提供该站边界及内部建筑结构分布，故修正林奇的意象要素后，得到本研究的地铁站空间要素：地铁站出入口(E1～E4)、闸机(T1～T12)、扶楼梯(S1～S12)、服务台(R1～R2)、洗手间(W1～W2)，具体如图1所示。

图1 世纪大道地铁站地图

问卷调查采用随机抽样，因认知地图调查较费时，为降低时间紧迫的影响，同时考虑被试者节假日心情放松能更有效地配合调查，故选择十一国庆节假日在站内进行实地问卷调查，以提高被试者的配合性和调查数据的有效性，委托专业调查公司实施调查。

2.2 样本描述性统计

共回收有效问卷110份。根据被试者的个人属性对有效样本进行描述性统计分析，结果如表1所示。

由表1可知，被试者中男性占比为42.7%，女性占比为57.3%，因该站邻近世纪汇广场和浦东世纪大都会，通常该类商场购物娱乐群体中女性比例较大，故该抽样调查结果符合现实情况；被试者年龄主要集中于18～35岁，其次为36～60岁，共占76.4%，二者作为出行的主要人群，具有较强的代表性；教育水平为本科及以上的人数占样本总数的60%，表明被试者教育水平普遍较高；家庭年收入8万以上的人数占比93.6%，符合上海市居民收入水平；每周到该站至少两次的人群占比88.2%；同时，调查中涉及的职业较为全面。由此可见，本次调查样本具有一定的代表性。

表1 调查样本个人属性统计

3 样本总体空间认知水平分析

考虑到是否都能有效绘制该站空间各要素，以及所绘制要素位置的准确程度，均反映了样本总体对各要素的认知水平，故本研究引入要素有效认知频率CR和要素位置认知准确度LI两项指标，分别用于反映样本总体对各要素的有效绘制数量和所绘制位置的准确程度，并从这两方面计算要素认知水平得分T，量化分析样本总体对空间各要素的认知水平差异。

3.1 样本总体空间认知水平计算

要素认知水平得分T是样本总体对该站空间各要素认知水平的量化，主要由要素有效认知频率CR和要素位置认知准确度LI两指标共同确定，且现阶段认为两者作用程度相同，均赋予1/2权重。T值越大，行人对要素的认知水平越高，其计算公式为

T=0.5CR×0.5LI

(1)

式(1)中：CR为样本总体对各要素的有效认知频率，计算为被试者在其认知地图中绘制要素i的样本量与总样本量的比值；LI为样本总体对各要素的位置认知准确度，其计算公式分别为

LI=|DI|LU

(2)

DI=1-Dc

(3)

(4)

(5)

3.2 样本总体空间认知水平结果分析

通过计算得到样本总体对各要素的有效认知频率CR和位置认知准确度LI两项指标，统计结果如图2所示，然后运用式(1)计算得到要素认知水平得分T，为便于比较换算为总分100分，统计结果如图3所示。

图3 各要素的T值统计

3.2.1 要素有效认知率

由图2的CR指标统计结果可知，出入口(均值0.93)、闸机(均值0.90)较高，扶楼梯(均值0.75)、服务台(均值0.74)一般，洗手间(均值0.59)较低。原因在于本站出入口、闸机是乘客乘车必须经过的节点要素，故样本总体对其有效认知频率较高；而作为服务设施的洗手间并非是乘客必须使用的要素，故样本总体对其有效认知频率较低。

3.2.2 要素位置认知准确度

由图2的LI指标统计结果可知，闸机(均值0.26)较高，出入口(均值0.13)、扶楼梯(均值0.14)一般，服务台(均值0.05)、洗手间(均值0)较低。原因在于该站闸机主要以墙柱为参考点分别设置于2号线、4号线、9号线分区入口处，且乘客必须通过闸机方可前往站台层乘车，故样本总体对其位置认知准确度较高；而出入口虽是乘客必须经过的节点要素，但因在设计问卷时为避免对被试者的引导，仅根据站厅层大致形状绘制了认知调查底图外轮廓，没有绘制更多参照点，多数乘客仅在站厅层四角标注了的大概位置，而未能标注其精确位置，故样本总体对其位置认知准确度不高；服务台和洗手间并非乘客乘车必须使用的要素，且洗手间仅设置在6号线站台向北尽头处，部分乘客将其认知为向南尽头处，造成样本总体认知分布较分散，故样本总体对两者的位置认知准确度较低。

图2 各要素的CR值和LI值统计

由图3的T指标统计结果可知，样本总体对空间各要素的认知水平具有显著差异，闸机9得分最高为67.19分，洗手间2得分最低为29.09分。闸机和出入口是总体认知水平较高的要素(除闸机7外均>50分)，原因在于两者均为所有乘客乘车必须经过的路线节点；其次是楼梯(除扶楼梯7/9外均>40分)；洗手间(<30分)和服务台(<40分)的总体认知水平较低，原因在于两者并非所有乘客必须使用的服务设施。

4 样本个体空间认知分析

考虑到样本个体的异质性可能会导致其空间认知差异，为探究样本个体空间认知水平差异及其影响因素，本研究引入行人认知率，反映样本个体认知地图的完整程度，量化其空间认知水平；通过建立二元Logistic模型，分析个人社会经济属性对样本个体空间认知水平的影响程度。

4.1 个体空间认知水平量化分析

行人认知率通常被定义为行人在其认知地图中绘制的要素数M与给定要素总数N的比值，比值越高，表明行人绘制的要素数越多，即认知地图越完整，空间认知水平越高，故行人认知率可用于反映认知地图的完整程度，量化个体空间认知水平。

根据样本总体空间认知分析结果可知，样本总体对各要素的认知水平不同，因此通过对各要素赋予不同权重，计算样本个体的行人认知率的加权值(简称加权认知率)，使分析结果更贴合实际。对于行人不常使用的服务台、洗手间等服务类要素，样本总体的认知水平较低，较少被试者能有效绘制，若能有效绘制该类要素，表明个体空间认知更好，故对这两类要素各赋予0.3权重；对于行人必须经过的出入口、闸机等节点类要素，样本总体对其认知水平较高，大多数被试者都能有效绘制，故对这两类要素各赋予0.1权重；样本总体对扶楼梯的认知水平一般，赋予0.2权重，则加权认知率计算公式为

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

(6)

式(6)中：R为样本个体的加权认知率；ER、RR、SR、WR、TR分别为样本个体对出入口、服务台、扶楼梯、洗手间、闸机的认知率，计算为相应要素在样本个体的认知地图中绘制数量与真实数量的比值。

通过计算得到的加权认知率，将作为样本个体的空间认知水平量化结果被引入二元Logistic模型。

4.2 个体空间认知水平影响因素分析

通过建立二元Logistic模型，探究个人社会经济属性对个体空间认知水平的影响程度。二元Logistic模型表达式为

(7)

式(7)中：α为回归方程截距；β为回归系数；P为预测事件Y发生的概率；Xi为被试者的个人属性；Y为被试者的空间认知水平。

由于二元Logistic模型的因变量Y为二分类变量，故运用四分法将加权认知率进行二值分类，得到样本个体空间认知水平作为模型因变量，其中Y=0表示空间认知水平高，Y=1表示空间认知水平低；并将问卷调查收集到的行人个人属性作为自变量，主要包括性别，年龄，受教育程度，家庭年收入，到该站频率，其设置如表2所示。二元logistic模型的回归结果如表3所示。

表2 Logistic回归模型自变量设置

由表3可知，该模型的模型系数混合检验结果为0.01小于0.05，霍斯默-莱梅肖检验结果为0.969远大于0.05，表明该模型有统计意义且拟合效果较好。通过影响因素分析发现，样本个体空间认知水平的显著影响因子为家庭年收入与到该站频率，二者均通过0.05显著性水平检验，其影响程度为：相较于家庭年收入25万元以上的人群，0～15万元和15～25万元人群的空间认知水平更低，分别是25万元以上人群认知率的0.266和0.178倍，可能在于收入越高的人群对空间信息接收能力越强，其空间认知水平越高；相较于几乎每天来的人群，其他两水平人群的空间认知水平更低，分别是几乎每天来的人群认知率的0.139和0.328倍，可能在于行人到该站频率越高，对环境越熟悉，空间认知水平越高。

表3 模型结果

5 结论

运用认知地图法和二元Logistic模型对行人地铁空间认知水平进行了深度探究，不仅量化了样本总体对空间各要素的认知水平，也量化了样本个体的空间认知水平及个人社会经济属性对其影响程度。得出如下结论。

(1)样本总体对乘车必须使用要素的认知水平较高，对乘车非必须使用要素的认知水平较低；家庭年收入与到该站频率对样本个体的空间认知水平具有显著正影响。

(2)研究结果可为地铁站空间布局设计提供理论依据，即对洗手间、服务台等乘车非必须使用要素设置更引人注目的指引性标志，以提高乘客对其认知水平；亦可为地铁应急疏散行为决策研究提供新的研究视角，可将量化的空间认知水平引入行人应急疏散的行为决策模型，更真实地反应实际情况。

(3)仅分析了个人社会经济属性的影响，今后的研究可考虑分析其他可能影响行人地铁空间认知水平的环境因素。