人境交互：災(zāi)后環(huán)境下的人體空間感知檢驗

李珺杰，金怡淳，趙如月，韓英杰，紀(jì)堯姆·哈伯特

1 問題

自1960 年以來，全球與天氣有關(guān)的災(zāi)害數(shù)量增加了兩倍以上，應(yīng)急建造的需求更加迫切。在許多情況下，應(yīng)急救災(zāi)更關(guān)心住房解決方案的結(jié)構(gòu)建造，長期的可持續(xù)性往往被看作是次要的[1]。但從實際情況來看，現(xiàn)階段應(yīng)急救援建筑建造速度、舒適度問題、運輸問題、能源供給等問題仍然顯著存在[2]。研究團(tuán)隊對災(zāi)難一線安置居民的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)應(yīng)急居住環(huán)境往往存在著冬季寒冷、夏季高溫高濕、缺乏私密性、衛(wèi)生條件低劣、病菌傳播等諸多問題。而良好的居住環(huán)境將會對人群心理起到療愈作用[3]，因而提升受災(zāi)人群的復(fù)原力。因此災(zāi)后環(huán)境的人因設(shè)計對于提高應(yīng)急響應(yīng)、減少傷亡和恢復(fù)重建具有重要意義。

2 方法

本研究團(tuán)隊已經(jīng)建立了基于使用者的知覺反饋、建筑空間信息及物理環(huán)境參數(shù)的多維度數(shù)據(jù)分析方法,并針對建筑空間的人群敏感性展開研究[4]。此次研究利用EEG（腦電信號）+VR（虛擬現(xiàn)實技術(shù)）+LEC（實驗室環(huán)境調(diào)控）的方法，搭建針對災(zāi)后人群的居住空間原型實測平臺，指引可靠的空間設(shè)計方法。

2.1 調(diào)研結(jié)果對于實驗設(shè)計的轉(zhuǎn)化

研究團(tuán)隊于2020 年8 月在四川省內(nèi)江市資中縣崇龍鎮(zhèn)和貴德鎮(zhèn)進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)查。調(diào)查問卷主要集中在避難所環(huán)境質(zhì)量的舒適性評價和受影響者的生活要求。共完成了90 份有效問卷（106 名參與者，84.95%的回答率）。在EEG+VR+LEC 的實驗框架下，調(diào)研出的問題與實驗設(shè)計形成了可轉(zhuǎn)化的范式（表1）。

表1 調(diào)研結(jié)果對實驗設(shè)計的轉(zhuǎn)化

2.2 實驗分組

研究針對災(zāi)后環(huán)境下的溫度區(qū)間和空間開放度展開對照組實驗。在溫度環(huán)境下，研究依據(jù)目標(biāo)城市的氣候條件（表2a）選取了3 個溫度區(qū)間，通過LEC 控制實驗艙的溫度環(huán)境。在空間開放度層面，研究選取了3 個不同開放程度的空間，分別對應(yīng)S1、S2、S3，其他參數(shù)信息如表2b 所示。如此建立了溫度—空間開放度矩陣。

表2a 實驗的分組依據(jù)：實驗溫度環(huán)境選擇

2.3 實驗流程設(shè)計

研究為災(zāi)后建筑環(huán)境的情緒環(huán)境設(shè)計出了一套實驗流程。在進(jìn)入實驗環(huán)境之前，被試者先展開5min的靜息態(tài)休息狀態(tài)。隨后3min 以內(nèi)進(jìn)入強烈的情緒喚醒階段，直到刺激的參數(shù)水平達(dá)到應(yīng)急誘發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的生理指標(biāo)參數(shù)時，場景隨機轉(zhuǎn)換為3 種場景當(dāng)中的其中之一。進(jìn)入實驗場景之后，記錄受試者靜息態(tài)下的腦電等生理參數(shù)，本階段共計5min。每個場景的最后2min 為主觀問卷。

3 結(jié)果

此次實驗收集90 名受試者共90 份主觀調(diào)查問卷數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)類型進(jìn)行分步、分類分析，最終得到有效數(shù)據(jù)結(jié)論。

3.1 α/β 節(jié)律在3 個溫度區(qū)間的整體趨勢

基于對3 個不同溫度區(qū)間的刺激前后α/β 節(jié)律的平均值分析（表3）,得到3 個溫度區(qū)間的節(jié)律變化，災(zāi)后刺激下低溫環(huán)境的基線值最高，變化也最大，人更容易緊張焦慮，并且隨著溫度的升高，緩解的效果逐漸降低。

表3 腦地圖整體趨勢分析

3.2 α節(jié)律變化率在溫度—開放度矩陣中的擬合

由于α 節(jié)律與人體的情緒恢復(fù)程度關(guān)系密切，研究進(jìn)一步更具體分析α 節(jié)律變化率在溫度—開放度矩陣中的擬合趨勢。節(jié)律變化率的計算方式為：

R1=(αr-αs)/αs

其中，αr為恢復(fù)狀態(tài)下的平均α 節(jié)律占比，αs為刺激狀態(tài)下的平均α 節(jié)律占比。

根據(jù)皮爾遜相關(guān)系數(shù)的對比：在較低溫度區(qū)間[12℃～20℃]，α 節(jié)律與溫度的增長梯度存在正相關(guān)性，并且在自然的全開放空間（L-S3）最為顯著，其顯著性R 值達(dá)到0.5106（表4）；在中溫度區(qū)間范圍內(nèi)[22℃～28℃]，α 節(jié)律與溫度的增長梯度存在負(fù)相關(guān)性，但相關(guān)性不是非常強；而在高溫度區(qū)間范圍內(nèi)[30℃～36℃]，α 節(jié)律變化率與溫度已沒有明顯的相關(guān)性。

表4 α節(jié)律在溫度—開放度矩陣相關(guān)性系數(shù)

1 α節(jié)律在3種溫度區(qū)間的堆積柱狀圖

3.3 α節(jié)律在3 種溫度區(qū)間的累積差異

研究對α 節(jié)律在3 種溫度區(qū)間的累積差異做進(jìn)一步分析（圖1）。從低、中、高3 個溫度整體的區(qū)間α節(jié)律的累計值來看，溫度越高α 節(jié)律的增加比例越高，具體為高溫區(qū)間（8.34%）＞中溫區(qū)間（4.05%）＞低溫區(qū)間（3.55%），說明較高的溫度環(huán)境對累計α 節(jié)律有著促進(jìn)作用，因而會使人的心理情緒更加平穩(wěn)。

4 結(jié)論

通過研究分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）在EEG+VR 的原有實驗?zāi)Ｐ拖拢槍唧w的災(zāi)后環(huán)境，做出對照組實驗。進(jìn)一步精準(zhǔn)化了原有實驗場景中的空間形態(tài)，并通過實驗室調(diào)控，完善了EEG+VR+LEC 的實驗方法。

（2）研究利用機器學(xué)習(xí)對90 位受試者的32 個點位的數(shù)據(jù)進(jìn)行了帶通濾波、凹陷濾波、ICA 以及閾值分析等去偽跡的預(yù)處理，使實驗數(shù)據(jù)更加真實可信。

（3）采用實驗心理學(xué)的研究范式，將災(zāi)后場景的自然材料轉(zhuǎn)化為可以在實驗室中重復(fù)檢驗的人工材料。

（4）通過EEG 能量分布分析全腦EEG 地形圖，并分析α 節(jié)律在災(zāi)后刺激階段與3 種溫度環(huán)境及3 種空間開放程度的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，災(zāi)后恢復(fù)程度與α 節(jié)律在低溫度封閉空間存在顯著關(guān)聯(lián)性，其R 值為0.51，具有統(tǒng)計學(xué)意義；此外在低溫環(huán)境下呈現(xiàn)一定程度的正相關(guān)性，在中溫環(huán)境下呈現(xiàn)一定程度的負(fù)相關(guān)性。

（5）從低、中、高3 個溫度整體的區(qū)間α 節(jié)律的累計值來看，溫度越高α 節(jié)律的增加比例越高，具體為高溫區(qū)間（8.34%）＞中溫區(qū)間（4.05%）＞低溫區(qū)間（3.55%），說明較高的溫度環(huán)境對累計α 節(jié)律有著促進(jìn)作用。