[论文解读] Using cognitive agent-based simulation for the evaluation of indoor wayfinding systems

Helmut Schrom-Feiertag, Martin Stubenschrott+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2016

Spatial Cognition and Navigation被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于认知代理的仿真模型，整合了视觉注意力、导航规划与行人移动，用于评估室内导航系统。基于20名参与者在维也纳中央火车站VR模拟环境中的实证数据，该模型成功以高保真度复现了人类导航行为，展示了其作为预测工具在复杂室内环境中用于标识系统与基础设施规划的潜力。

ABSTRACT

This paper presents a novel approach to simulate human wayfinding behaviour incorporating visual cognition into a software agent for a computer aided evaluation of wayfinding systems in large infrastructures. The proposed approach follows the Sense-Plan-Act paradigm comprised of a model for visual attention, navigation behaviour and pedestrian movement. Stochastic features of perception are incorporated to enhance generality and diversity of the developed wayfinding simulation to reflect a variety of behaviours. The validity of the proposed approach was evaluated based on empirical data collected through wayfinding experiments with 20 participants in an immersive virtual reality environment using a life-sized 3D replica of Vienna's new central railway station. The results show that the developed cognitive agent-based simulation provides a further contribution to the simulation of human wayfinding and subsequently a further step to an effective evaluation tool for the planning of wayfinding and signage.

研究动机与目标

• 开发一种仿真框架，以真实地模拟复杂室内环境中的人类导航行为。
• 将视觉注意力与决策等认知过程整合到软件代理中，以实现更精确的仿真。
• 通过在受控沉浸式VR实验中收集的真实人类行为数据，评估仿真结果的有效性。
• 支持大型基础设施（如火车站）中标识与空间布局的基于证据的设计。
• 在物理实施前，推进用于评估导航系统仿真工具的发展。

提出的方法

• 仿真遵循感知-规划-行动（Sense-Plan-Act）架构，逐步建模感知、规划与行动的认知过程。
• 视觉注意力模型引导代理关注环境中的相关线索，如标识与地标。
• 导航行为通过基于认知地图与空间记忆的路径规划算法进行建模。
• 行人移动通过随机参数进行仿真，以反映人类行走速度与路线选择的变异性。
• 代理模型引入感知噪声与决策不确定性，以增强行为多样性与真实性。
• 仿真通过20名参与者在维也纳中央火车站全尺寸3D VR复制品中导航的实证数据进行校准与验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于认知的代理仿真模型在复杂室内环境中，对真实人类导航行为的复现程度如何？
• RQ2 引入视觉认知是否显著提升了导航仿真中代理行为的真实感？
• RQ3 感知与决策中的随机特征是否能增强仿真行为的多样性与泛化能力？
• RQ4 仿真代理的表现与受控VR环境中人类参与者的实证数据相比如何？
• RQ5 该仿真框架能否作为大型建筑中标识与空间设计的可靠评估工具？

主要发现

• 基于认知的代理仿真模型成功复现了VR实验中观察到的人类导航行为的关键方面。
• 视觉注意力建模的整合显著提升了代理导航路径的真实感与准确性。
• 感知与决策中的随机特征产生了与实证观察一致的多样化行为。
• 与人类参与者相比，仿真在预测路线选择与导航时间方面表现出高度保真度。
• 该模型提供了一个经过验证、可扩展的工具，可用于在物理部署前评估导航系统。
• 该方法在复杂室内环境中用于标识与空间布局的设计与优化方面展现出巨大潜力。