行人實驗揭示人群步伐一致前行的機制

相信大家都遇到過趕路時，一不小心踩到前方路人鞋子的尷尬情況。香港城市大學（香港城大）參與領導的一項研究便發現，原來當人群在彼此安全距離不足的情況下，會自動調節步伐，出現稱為「同步」（synchronisation）的自組織現象，從而避免與前方的人碰撞。研究成果為預防「行人- 建築物」共振問題，及為保障行人公共安全帶來啟示。

本次研究由香港城大秘書長兼建築學及土木工程學系講座教授袁國傑教授、副教授李偉明博士及前研究助理施朦博士，和四川大學的馬毅副研究員（曾是袁教授的博士生）合作完成。研究結果已於學術期刊《自然人類行為》（Nature Human Behaviour）上發表，題為〈Spontaneous synchronization of motion in pedestrian crowds of different densities〉。

這裡的所謂「同步」，是指人群非自主地調整各自的步伐，後方與前方的人會左右腳一致地同步前進。論文通訊作者兼第一作者、來自四川大學的馬毅博士說：「在工程學領域，人群的同步行動經常與建築物的結構穩定相關聯，並被視為某些行人天橋橫向擺動的原因之一。」

了解人類這種集體移動行為，有助防止因群眾非自主肢體同步運動而引致吊橋等各種建築物搖晃的情況。經典例子之一，是2000年時，英國倫敦千禧橋正式開幕當日，遊人如鯽，結果大橋出現意料不及的搖擺，最終只開放了兩天便要關閉，維修及改裝兩年後才重開。事件發生後，引來了科研及工程界許多的相關研究。

揭示人群同步背後的機制

然而，究竟是甚麼原因導致人類有「同步」的行為呢？在甚麼情況下又會最容易出現「同步」呢？馬博士遂與香港城大的學者共同進行相關研究。他們招募了70人，在一條闊0.8米、總長度約為25米的環狀走廊中進行單行排列的行人實驗，嘗試找出最容易導致同步行走的群眾密度、研究形成同步的內在機制，以及行人同步運動造成的影響。

 

 

有別於以往的實驗只追蹤參與者單腳與頭部的活動，這次研究團隊同時錄影追蹤實驗參與者行走時雙腳及頭部的動作，以取得更廣泛的研究數據，例如每名行人雙腳間的跨度、後隨者前腳與前行者後腳的距離等。 

 

實驗中，參與者在頭上、左腳和右腳均戴上有顏色的標記，排成單行自然地向前行走，並由研究人員架設攝錄機從三個不同的角度錄影，紀錄他們頭部以及雙腳的運動。團隊在10人、20人、30人、40人、50人、60人及70人這7種群眾密度共進行了14次實驗，收集了參與者共逾9000步的動作數據，再加以分析。

安全距離不足時同步移動免碰撞

研究的結果顯示，在人群密度低的時候較少出現同步現象，因為此時行人可以自由活動，不會跟隨前面行人的步伐。當人群達0.87人/米的臨界密度時，人流量（flow rate）達致最大值，此時最有可能出現同步現象。另外，研究進一步發現，當人與人之間（以頭部計算）的距離愈接近1.15米，他們之間的安全距離就愈短，出現碰撞的風險愈大。在這種群眾臨界密度下，後隨者的步伐更容易與前行者一致，在這情況下最常出現同步現象。

 

 

論文第二作者、來自香港城大的李偉明博士說明同步移動的好處：「行人之間當未有足夠的安全距離並達到臨界密度時，就會引發該非自主同步現象，使行人不但能有效率地集體前行，同時亦可避免互相碰撞。」馬博士補充說：「同步增強群眾之間的協調和合作，相信能提高群眾的移動效率。」

馬博士亦補充，同步現象會受文化、人口特徵和環境因素影響，因地而異，因此他們上述找到的人群密度並非放諸四海皆準，但相信是次研究有助了解人群同步現象的形成機制，也會有助研究其他群體例如動物、自推進微粒（self-propelled particles）及多智能體系統等的同步現象。

這項研究獲得國家自然科學基金會等的資助進行。

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