行人实验揭示人群步伐一致前行的机理

相信大家都遇到过赶路时，一不小心踩到前方路人鞋子的尴尬情况。香港城市大学（香港城大）参与领导的一项研究便发现，原来当人群在彼此安全距离不足的情况下，会自动调节步伐，出现称为"同步"（synchronisation）的自组织现象，从而避免与前方的人碰撞。研究成果为预防“行人-建筑物”共振危害，保障人员与交通安全带来启示。

本次研究由香港城大秘书长兼建筑学及土木工程学系讲座教授袁国杰教授、副教授李伟明博士及前研究助理施朦博士，和四川大学的马毅副研究员（曾是袁教授的博士生）合作完成。研究结果已于学术期刊《自然人类行为》（Nature Human Behaviour）上发表，题为〈Spontaneous synchronization of motion in pedestrian crowds of different densities〉。

这里的所谓"同步"，是指人群非自主地调整各自的步伐，后方与前方的人会左右脚一致地同步前进。论文通讯作者兼第一作者、来自四川大学的马毅博士说："在工程学领域，人群的同步行动经常与建筑物的结构稳定相关联，并被视为某些行人天桥横向摆动的原因之一。"

了解人类这种集体移动行为，有助防止因群众非自主肢体同步运动而引致吊桥等各种建筑物摇晃的情况。经典例子之一，是2000年时，英国伦敦千禧桥正式开幕当日，游人如鲫，结果大桥出现意料不及的摇摆，最终只开放了两天便要关闭，维修及改装两年后才重开。事件发生后，引来了科研及工程界许多的相关研究。

揭示人群同步背后的机理

然而，究竟是甚么原因导致人类有"同步"的行为呢？在甚么情况下又会最容易出现"同步"呢？马博士遂与香港城大的学者共同进行相关研究。他们招募了70人，在一条阔0.8米、总长度约为25米的环状走廊中进行单行排列的行人实验，尝试找出最容易导致同步行走的群众密度、研究形成同步的内在机制，以及行人同步运动造成的影响。

 

 

有别于以往的实验只追踪参与者单脚与头部的活动，这次研究团队同时录影追踪实验参与者行走时双脚及头部的动作，以取得更广泛的研究数据，例如每名行人双脚间的跨度、后随者前脚与前行者后脚的距离等。 

 

实验中，参与者在头上、左脚和右脚均戴上有颜色的标记，排成单行自然地向前行走，并由研究人员架设摄录机从三个不同的角度录影，纪录他们头部以及双脚的运动。团队在10人、20人、30人、40人、50人、60人及70人这7种群众密度共进行了14次实验，收集了参与者共逾9000步的动作数据，再加以分析。

安全距离不足时同步移动免碰撞

研究的结果显示，在人群密度低的时候较少出现同步现象，因为此时行人可以自由活动，不会跟随前面行人的步伐。当人群达0.87人/米的临界密度时，人流量（flow rate）达致最大值，此时最有可能出现同步现象。另外，研究进一步发现，当人与人之间（以头部计算）的距离愈接近1.15米，他们之间的安全距离就愈短，出现碰撞的风险愈大。在这种群众临界密度下，后随者的步伐更容易与前行者一致，在这情况下最常出现同步现象。

 

 

论文第二作者、来自香港城大的李伟明博士说明同步移动的好处："行人之间当未有足够的安全距离并达到临界密度时，就会引发该非自主同步现象，使行人不但能有效率地集体前行，同时亦可避免互相碰撞。＂马博士补充说：“同步增强群众之间的协调和合作，相信能提高群众的移动效率。"

马博士亦补充，同步现象会受文化、人口特征和环境因素影响，因地而异，因此他们上述找到的人群密度并非放诸四海皆准，但相信是次研究有助了解人群同步现象的形成机制，也会有助研究其他群体例如动物、自推进微粒（self-propelled particles）及多智能体系统等的同步现象。

这项研究获得国家自然科学基金会等的资助进行。

DOI number: 10.1038/s41562-020-00997-3

本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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