在限制使用区域，不同人群在虚拟环境和现实环境中过马路的行为差异

《Accident Analysis & Prevention》：Differences in street crossing behavior between virtual and real environments for different groups of people under restricted use sites

虚拟现实行人过街行为动力学差异及实验安全设计研究。通过179名不同年龄参与者对比真实环境与虚拟（宽敞/狭窄）环境中正常行走、快走和慢跑的三种速度步态、轨迹及肢体角度，发现空间限制导致运动模式显著畸变，而核心动作角度无显著差异。建议采用宽敞环境、正常速度及2.8米内初始步距的“最优观测窗口”进行VR实验。

　　

邹铁芳|陈文刚|陈一钊|林青峰|胡林

长沙理工大学机械与车辆工程学院，中国长沙410114

摘要

虚拟现实（VR）环境中行人的穿越行为在交通安全研究中得到了广泛应用；然而，与现实世界情况相比，其运动学差异尚未得到充分探讨。本研究构建了一个与真实道路条件高度匹配的虚拟场景，并招募了179名不同年龄的参与者，在三种不同环境下进行穿越实验：正常行走、快速行走和正常跑步。通过运动捕捉和问卷调查，量化了步态、轨迹和肢体角度等参数以及主观体验。研究结果表明，真实环境与虚拟环境之间的主要差异体现在速度、步长和轨迹偏差上，而代表核心动作的肢体角度没有显著差异。在宽敞的虚拟环境中，行人在前50%的行走距离（约2.81 ± 0.15米）内保持直线轨迹，但随着年龄和速度的增加，轨迹偏差也随之增大；相反，在狭窄的虚拟环境中，行人的运动模式出现了显著扭曲。实验后，参与者估计出现头晕的潜伏期为16.9 ± 2.79分钟。对个体差异的分析显示，两种环境下的动作具有一致性，但参与者之间存在较大差异。基于这些发现，本研究建议在宽敞的环境中进行VR穿越实验，采用正常速度，并将行走距离限制在约2.8米，以确保参与者的安全和舒适度，同时获得能够准确反映现实世界行人运动学的数据。这一指导原则为未来使用VR技术进行的高保真交通安全研究提供了实证支持。

引言

虚拟现实（VR）技术因其可控性、可重复性和高度沉浸感而成为交通人类因素和安全性研究的重要工具（Bhagavathula等人，2018年；Angulo等人，2024年；Liu等人，2024年；Dang等人，2024年）。研究人员利用VR构建各种场景（从街道到交叉路口），以探索行人的穿越决策、驾驶员反应以及车辆-行人冲突的机制。这种方法不仅提高了研究效率，还扩展了实验的伦理边界（Li等人，2019年；van Beek等人，2024年；Singh等人，2014年）。例如，基于VR的模拟已被用于评估自动驾驶车辆中外部人机界面（eHMI）的通信效果（Angulo等人，2023年），以及分析行人在复杂交通环境中的风险感知行为（Iryo-Asano等人，2018年）。

然而，随着VR从一种方法论工具发展为一种实证数据来源，一个基本问题变得越来越突出：在虚拟环境中观察到的微观运动行为能否准确反映现实世界的行动模式？研究表明，参与者在虚拟环境和现实环境中的决策（如可接受的安全距离）和宏观行为（如行走速度）存在可测量的差异（Singh等人，2015年；Zou等人，2024年）。尽管这些差异已被记录在案，但关于步态、肢体角度和运动轨迹等细微运动学差异的系统定量分析仍缺乏。值得注意的是，这些行为差异可能因行人年龄和行走速度等因素而有所不同，但现有研究对此差异的探讨还不够充分。这种数据层面的不确定性可能会直接影响基于VR实验构建的行为模型（例如行人碰撞避免模型（Schachner等人，2020年）在现实世界中的应用可靠性。

此外，VR实验的可行性受到所需物理空间规模的限制。目前，绝大多数VR行人实验都是在宽敞的专用实验室中进行的（Seacrist等人，2020年；Hu和Cicchino，2018年）。虽然这为参与者提供了充足的行走空间，但同时也对实验设置提出了高要求，并增加了安全监控的复杂性。那么，在普通房间内的安全区域内，使用固定步进等方法进行VR穿越实验是否可行？如果可行，这将大大降低实验难度。然而，从“宽敞”到“狭窄”的物理空间转变会如何改变行人的运动模式？这些变化是否因不同的人口统计特征或速度而有所不同？这对运动数据的保真度有何影响？这些问题目前尚无实证答案。同时，VR实验的操作安全性，特别是参与者的生理舒适度（如晕动症），是数据质量和伦理合规性的基本保障（Ye等人，2024年；Jeppsson等人，2018年）。因此，明确物理空间限制、人口统计因素和速度对运动保真度的具体影响至关重要，同时还需要评估实验的舒适度和安全性。这将为研究人员提供实验设计的指导原则，以平衡有效性、可行性和安全性，填补当前研究中的重要空白（Haus等人，2019年；Li等人，2021年；Mahdinia等人，2022年；Li等人，2025年）。

为了解决上述挑战，本研究设计了一项控制实验，旨在实现以下目标：（1）量化行人在真实环境和虚拟环境中穿越时的运动学差异，重点关注步态（行走速度、步长）、轨迹偏差和关键肢体角度；（2）揭示实验物理空间（宽敞 vs. 狭窄）、行人年龄（青少年、年轻人、老年人）和行走速度（正常行走、快速行走、正常跑步）对这些差异的具体影响；（3）监测实验期间参与者的生理舒适度，以预期的头晕持续时间作为关键指标。最终，本研究旨在建立一套数据驱动的指导原则，明确在哪些实验条件组合下VR穿越实验可以确保安全性，同时尽可能接近现实世界的行动。

本研究的贡献在于：通过跨不同年龄、速度和多样化场景的全面测量，揭示了“真实-虚拟”行为差异在细微运动学层面的具体表现。它明确了物理空间限制（宽敞 vs. 狭窄）是影响运动保真度的关键因素，狭窄环境会导致运动模式的显著扭曲。此外，通过纳入安全评估，本研究提出了以正常行走速度、宽敞的实验环境和约2.8米的行走距离为中心的VR穿越实验设计指南。这一框架为交通安全领域的高保真、可靠的VR实证研究提供了方法论基础。

实验设计

总体实验设计

为了揭示真实环境与虚拟环境中行人穿越行为的差异，本研究设计了一个包含三种实验条件（真实环境、宽敞的虚拟环境和狭窄的虚拟环境）的控制实验。如图1所示，整个实验过程分为三个阶段：实验准备、实验实施和数据处理。

在实验准备阶段，...

步长和行走速度

图5显示了不同年龄组在宽敞虚拟环境和真实环境中三种不同速度下的平均步长和行走速度的比较，相应的描述性统计数据显示在表3中。

总体而言，与真实环境相比，参与者在宽敞的虚拟环境中的步长显著较短，行走速度也较慢（P < 0.05）。这一发现与现有研究结论一致，...

讨论

本研究通过详细的控制实验，揭示了行人在真实和虚拟人行横道环境中在不同物理空间条件（宽敞 vs. 狭窄）下的运动学行为差异。核心发现可以归纳为两点：首先，足够的物理空间是确保VR人行横道实验保真度的先决条件。在狭窄的空间中，通过固定步进模拟行走的参与者表现出显著的...

结论

本研究通过控制实验揭示了行人在真实与虚拟穿越环境中的行为差异，并确立了确保实验数据保真度的关键条件。核心发现表明，足够的物理空间是避免运动扭曲的先决条件，而正常行走速度和有限的初始行走距离（约2.81 ± 0.15米）共同构成了获得高保真数据的“最佳观察窗口”。

作者贡献声明

邹铁芳：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，方法论，资金获取，概念构思。陈文刚：撰写 – 原稿，调查，正式分析。陈一钊：验证，调查。林青峰：监督，软件。胡林：撰写 – 审稿与编辑，监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国残疾人联合会辅助技术研究项目（2024CDPFAT-29）、国家自然科学基金（52572398）、湖南省创新研究团队项目（2025JJ10006）以及湖南省高等学校科技创新团队（2023CT02）的支持。