面向视障老年群体的交通枢纽包容性寻路系统研究

摘要

本研究通过眼动追踪和混合现实模拟，探讨了视障老年成人在复杂交通枢纽中面临的空间导航挑战。研究结果表明，与年龄相关的神经认知功能下降需要基于证据的通用设计干预措施，包括增强视觉对比度和简化建筑几何结构，以维持独立移动能力。

摘要

随着全球人口结构逐渐向老龄化社会转变，保持独立行动能力与空间导航能力已成为一项重要的公共卫生议题。本研究通过真实环境中的寻路任务结合集成眼动追踪技术，探究视障老年个体在复杂机场航站楼中的空间探索行为。通过对视障老年组与年轻视力正常对照组的比较分析，该研究量化了导航过程中的认知努力程度 通过 注视角速度（AV）、寻路时长以及注视分布热图。实验结果表明，视觉障碍的老年成人在所有导航阶段均表现出显著更高的注视角速度，这一现象在此被描述为对视觉空间功能下降的一种代偿性行为反应。然而，这种代偿机制表现出一定的局限性 "饱和点" 在结构复杂的交叉路口（例如连接角度呈锐角的路口），老年参与者无法进一步调整其探索性行为。进一步分析表明，动态交通参与者（特别是行人）会产生一种影响 "注意锁定" 对老年导航者外周感知能力产生不成比例抑制的影响。通过将这些行为标志物与临床指标（包括平均缺损值（MD）、模式标准差（PSD）和有用视野（UFOV））进行相关性分析，本文构建了基于证据的包容性设计逻辑框架。建议聚焦于交通节点的几何简化、多感官冗余设计，以及整合自适应辅助技术，以减轻该影响 "环境压力" 在衰老的大脑上。

引言

全球社会正逐步步入老龄化，这一转变对城市基础设施、公共卫生以及建筑工程领域构成了深远的跨学科挑战¹。根据世界卫生组织（WHO）的数据，预计到2050年，全球65岁及以上人口将达到16亿²。伴随着这一人口结构变化，与年龄相关的感官和认知功能障碍也显著增加³。《柳叶刀-全球健康》委员会指出，2020年全球约有11亿人存在未治疗的视力损害，这一数字预计到2050年将上升至18亿⁴。事实上，流行病学统计表明，全球每5秒就有一人陷入功能性失明⁵。尽管存在这些显著的人口趋势，视障老年人群体在社会结构中仍长期处于边缘地位。必须认识到，"视障老年人"并非一个同质化的群体；相反，他们是一个高度多样化的群体，其特征由多种交叉因素决定，包括感官功能衰退程度的差异、基础认知储备的不同、伴随的身体活动能力限制以及各异的社会经济支持体系⁶。

为了系统分析老年导航者与复杂建成环境之间的相互作用，必须以 M. Powell Lawton 于 1968 年首次提出的开创性理论——"环境顺应假说"作为理论基础⁷。这一老龄化生态模型认为，个体的个人能力（包括生物学健康、感官功能和认知能力）与环境压力（周围环境对个体提出的要求）之间存在动态交互作用⁸。其基本公理是：随着个体内部能力的下降，其物理环境的特征将更大程度地决定其行为结果⁹。在机场等复杂的空间枢纽中，现有的寻路系统施加了极高的"导航负担"，几乎使独立移动成为不可能，并直接导致"环境排斥"^10,11。

空间导航是一种由海马-内嗅皮层回路协调的复杂认知功能，常被称为大脑内部的全球定位系统（GPS）¹²。发表在《自然》和《科学》上的标志性研究发现了一些特化神经元，例如网格细胞和位置细胞，这些神经元能够构建内部认知地图¹³。然而，随着大脑老化，这些神经表征会变得越来越不稳定¹⁴。高分辨率功能磁共振成像（fMRI）研究表明，老年人在提取空间信息时表现出较低的神经活动模式相似性^15,16。对于视力受损的老年乘客而言，其中大多数人在不熟悉的航站楼中依赖静态标识，不完善的寻路系统成为其独立行动和社会参与的重要障碍。从长远来看，这种空间与环境的排斥直接导致严重的现实行动能力后果，包括长期的社会孤立、被迫转向久坐不动的生活方式，以及随之而来的身体虚弱和认知衰退的加速。

此外，老年人表现出神经活动模式的"去分化"现象，即他们对不同空间环境的神经表征变得不那么清晰，导致在空间距离辨别和以环境为中心的空间定向（allocentric orientation，指独立于个体自身物理位置，对空间中物体之间关系进行认知映射和理解的能力）方面出现显著困难^17,18。

传统的寻路评估主要依赖于任务后的问卷调查或观察性协议，这些方法往往无法捕捉用户在实时认知负荷和瞬时注意力转移方面的变化¹⁹。此外，传统研究通常孤立地评估老龄化和视觉障碍的影响，所采用的标准临床测试未能反映大型交通枢纽中动态、多感官的实际需求。为弥补这一方法学上的不足，本研究提出一种整合性方法，将真实环境中的眼动追踪与混合现实（MR）视觉障碍模拟相结合。本研究的主要目标是定量分离并评估视觉障碍老年成人在复杂机场航站楼环境中所面临的特定导航负担。通过实施这一双模态方法，我们旨在揭示导致寻路失败的关键视觉与建筑变量，从而将行为缺陷转化为基于证据的、包容性设计的明确要求。

方案

所有涉及人类受试者的实验程序均按照《赫尔辛基宣言》的规定进行。本研究方案已通过清华大学科学技术伦理委员会（医学）审查批准（项目编号：THU01-20250087）。在受试者参与研究之前，均已签署知情同意书。实验所用耗材与仪器列于材料表中。

双模态实验框架

该方法采用双模态验证系统，以捕捉现实环境与视觉功能受损之间的交集。在第一阶段，参与者佩戴采样频率为50 Hz的可穿戴眼动追踪系统。该设备记录了高分辨率的注视动态数据，包括扫视频率和注视持续时间，同时参与者独立完成从航站楼入口到登机口的实际路径导航。在第二阶段，使用头戴式混合现实（MR）头显模拟病理性视力丧失。系统通过实时OpenGL着色器，将视野缺损叠加到参与者对航站楼环境的视觉输入上，从而复现年龄相关性黄斑变性（中心暗点）、青光眼（周边视野丧失）、糖尿病视网膜病变（斑块状视力）和视网膜色素变性（管状视野）的视觉特征。为识别导致导航失败的关键变量，采用了标准L9正交阵列设计。该统计设计系统性地评估了四个自变量，每个变量设置三个离散水平：信息密度（低、中、高）、编码形式（仅文字、仅图标、混合）、环境干扰（低、中、重度）以及时间压力（无、中等、高）。这些参数生成了九种对称的实验组合。此外，另设一个未加权的基线对照情景，共形成10种实验条件。为减少顺序学习效应和残留偏差，采用拉丁方策略对每位参与者呈现这10种情景的顺序进行严格随机化（补充表1）。

导航任务与视觉障碍模拟

本研究采用双阶段方法学设计。第一阶段，参与者在正常运营的大型机场航站楼内完成一系列标准化的真实场景寻路任务（入口 → 安检 → 登机口，沿预设路线行进，全程约450米）。参与者被要求以自然步行速度行进，且不得寻求外部协助。所有实验均在标准化的昼间环境光照条件下进行（照度约为300–500勒克斯）。每次实验持续约30分钟，包含一段强制性的5分钟适应期，以便参与者在数据记录开始前适应头戴设备的重量及视觉显示。眼动数据以50 Hz的采样频率连续记录。数据预处理与操作分析通过专用的眼动追踪分析软件完成。在此阶段，参与者佩戴前述眼动追踪眼镜。在寻路任务开始前，系统采用标准单点校准程序对每位参与者进行个体化校准。 通过 其配套的控制器应用程序。只有在软件生成成功校准确认后，实验试验才开始，以确保达到空间映射精度阈值 <0.5 视角度。原始注视向量经过平滑处理 通过 使用中值滤波器（窗口大小 = 3 个样本）以分离高频信号噪声。注视点通过速度阈值识别（I-VT）算法进行操作性定义，速度阈值设定为 30 deg/s，最小注视持续时间为 60 ms。眼动过滤参数排除了因眨眼或硬件伪影导致的信号丢失超过 100 ms 的时段。在第二阶段，为严格区分视觉缺陷的行为影响与普遍的年龄相关认知衰退，仅由较年轻的有视力对照组使用 MR 头戴设备，以模拟特定类型的病理性视力丧失。通过执行在标准跨平台游戏引擎内开发的自定义编程实时 OpenGL 着色器，MR 系统将视觉滤镜叠加于真实环境中。在每次模拟区块开始前，研究团队系统性地对照标准化物理校准网格，验证着色器激活状态及视觉视野遮挡的准确性，作为必要的中间检查点。为确保可重复性，模拟参数基于已建立的临床眼科学模型。²⁰：模拟了黄斑变性 通过 一个遮挡中心视野的中心性绝对暗点 10° 视野；通过不同程度的周边遮挡（管状视野限制在 20° 和 10° 中央孔径（分别）；糖尿病性视网膜病变则通过随机分布的斑片状暗点并伴随对比敏感度均匀降低40%来模拟。

方法学故障排除与质量控制

为确保双模态方案的可靠性，实施了严格的质量控制措施。眼动追踪保真度的关键步骤是保持空间映射精度阈值在 <0.5度；在长时间、真实环境下的行走任务中，校准漂移是一个常见挑战，为此每10分钟安排一次强制性重新校准检查点以应对该问题。对于混合现实模拟，尽管受试者头部移动，仍需保持稳定的视野遮挡，这构成了重大的技术挑战。通过利用混合现实头戴设备的空间锚定功能，将着色器 rigidly 锁定至用户的瞳孔间距（IPD），并在每次试验前系统性地对照物理校准网格验证遮挡对齐情况，从而缓解了这一问题。

计算平均角速度

提取的核心定量指标是注视的平均角速度（AV），作为反映空间扫描强度的操作性指标，可能同时体现了补偿性探索努力和潜在的导航不确定性。AV 被计算为在离散采样时间间隔内注视矢量角位移速率的大小（Δt = 20 ms，数学上对应于 50 Hz 的硬件采样率）。瞬时角速度记为 ω(t)，通过投影视觉平面上经滤波处理的二维注视坐标（x, y）计算得出：

  (3)

结果

对眼动追踪数据的定量分析揭示了主要队列之间在效率上存在显著差异，凸显了当前终端设计在适应神经认知老化方面可能存在的不足。定量分析显示，两个队列在导航效率方面存在显著差异。与年轻视力正常对照组相比，视障老年组完成从安检到登机口流程所需时间明显更长（1092.9 秒 ± 134.5 秒）。 与. 467.3 秒 ± 42.1 秒；t(60) = 24.62， p < 0.001）。此外，错误率（定义为进入错误通道并需要进行物理路径纠正）在中国台湾老年视觉障碍队列中显著升高（22.8% ± 5.4%） 与5.2% ± 2.1%；t(60) = 16.85， p < 0.001）。各组详细的基线人口学特征及导航指标及其统计学比较结果总结如下 表1.

眼动数据与轨迹分析

眼动追踪系统记录的原始注视动态数据，揭示了老年人群的视觉搜索动态、调节后的认知负荷以及内部定向障碍情况。图1展示了两组受试者在主要走廊交叉口决策阶段的原始眼动追踪数据及其对应的空间探索轨迹。

平均角速度（AV）指标被用作认知负荷和视觉搜索努力程度的主要衡量标准。与视力正常对照组相比，视觉障碍老年组的平均注视AV显著更高（129.0 deg/s ± 14.8 deg/s 对比 75.1 deg/s ± 9.3 deg/s；t(60) = 17.24，p < 0.001）。这种升高的空间采样率定量地表明，具有结构性视野缺损的参与者面临更高的信息处理需求。热图生成进一步揭示了这些差异。视力正常的对照组表现出高度高效、“自上而下”的视觉处理模式，注视点高度集中在高层级的方向标识上。相反，视觉障碍参与者表现出不稳定、“自下而上”的注视分布模式。他们频繁注视于非导航性的结构特征，例如高反射率的地面反光或动态物体的运动，却完全忽略了关键的头顶导航线索。

空间注意力的热图可视化

热图生成进一步揭示了两个队列在注意力分配上的根本差异。图2 和 图3 对进入安检区域时的视线分布进行了对比展示。

病理学视角模拟分析

混合现实着色器的应用展示了特定眼科疾病如何干扰寻路过程（表2）。模拟年龄相关性黄斑变性（AMD）的参与者出现中心暗点，导致中央凹视觉丧失。因此，他们为利用旁中心注视，高转速头部旋转（偏航角）增加了45%，迫使低分辨率的周边视网膜去识别远处文字，常导致文字误认。在青光眼模拟（管状视野）条件下，由于视野狭窄且严格聚焦于正前方地面以防止绊倒，参与者完全错过了65%安装在1.4米以下的标识。糖尿病性视网膜病变因斑片状暗点严重破坏了符号的整体识别能力，导致眼动弥散度显著升高。最后，视网膜色素变性（RP）显著损害了空间更新能力；极端的周边视野丧失限制了与路径整合相关的连续光学流，导致参与者在绕行动态物体时，对环境边界的记忆完全“泄漏”。

数据可用性：

本研究期间生成和分析的数据集已存入 Zenodo，可通过以下网址获取：https://zenodo.org/records/20772473。

图1：眼动实验数据记录与实验分析。 请点击此处查看此图的放大版本。

图 2：空间注意力的热图可视化。视力正常对照组在安检区域入口处的注视分布图。请点击此处查看该图的放大版本。

图3：空间注意力的热图可视化。视障老年群体在安检区域入口处的视线分布情况。请点击此处查看该图的放大版本。

受试者分组	平均持续时间（分:秒）	平均注视角速度（度/秒）	错误率（%）
视力正常（对照组）	07:47.3	75.1	5.2
视觉障碍（老年）	18:12.9	129	22.8

表1：按队列划分的导航指标与主观工作负荷。

模拟类型	关键视觉特征	行为影响
AMD	中心暗点（黑色斑点）	无法识别主入口文字；头部偏转频率高。
Glaucoma	周边视野丧失（管状视野）	持续忽略辅助设施标识（例如电梯）。
Diabetic Retinopathy	斑块状、不规则的暗点	字符识别受阻；注视分散度高。
Retinitis Pigmentosa	极度周边视野丧失 + 模糊	空间背景信息丢失；分心后难以恢复定向。

表2：病理学视角模拟分析。

补充表 1：L9 正交阵列设计用于寻路模拟场景。请点击此处下载该文件。

讨论

从原始经验数据转变为可操作的建筑智能，需要严格的演绎推理。为了保持科学透明性，以下讨论明确区分了在眼动追踪和混合现实范式中直接测量到的行为观察结果，以及基于已建立的神经认知文献的理论推断。本研究的主要理论发现是“"补偿上限"”效应的行为表现。为理解老年组中较高的AV分数，本研究应用了Reuter-Lorenz提出的神经回路补偿性利用假说（CRUNCH）。CRUNCH模型认为，衰老的大脑会通过在较低任务负荷下过度调用皮层资源，以抵消神经效率的下降。在机场寻路过程中，这种机制可能表现为增强的眼动活动；视力受损的老年受试者表现出更高的空间采样率（从而推高AV），这可能反映了在试图从退化的感官环境中构建连贯空间地图时，主动的补偿性扫描与视觉不确定性增加的共同作用。然而，这种补偿机制会达到一个严格的功能平台期。在具有锐角交叉的走廊中，年轻组能够提升其探索行为以应对结构复杂性，而老年组则未能做到这一点。这种适应能力的下降意味着认知功能的崩溃；当环境复杂性超过大脑剩余的“"储备能力"”时，便会发生空间定向障碍²¹。

这表明，年长的导航者可能难以在复杂的枢纽环境中构建稳定的结构锚点，因此可能依赖更为分散且效率较低的视觉搜索策略。因此，在视觉受损的老年群体中观察到的升高的注视平均速度（AV）提示，其视觉搜索策略虽更为强烈，但可能较为碎片化，以获取环境线索，这可能会加速认知疲劳，并导致后续决策错误²²。

此外，数据揭示了一种现象 "注意锁定" 追踪动态行人消耗了老年人有限的分配性注意力能力（通过较低的UFOV分数量化），导致他们忽略周边的标识。这可以通过以下概念来解释： "中央凹负荷" 在视觉心理学中（即对中央高分辨率视觉所施加的认知负荷）。较高的中央认知负荷已被证实与周边视觉视野的功能性收缩相关（常被称为认知 "管状视野," 当中央注意力被大量占用时，个体无法感知周围空间线索）。这种动态可能促成一种 "搜索悖论"：由于年长的导航者为弥补中心视力丧失而进行资源密集型采样（更高的AV），他们整体信息获取的有效速率似乎有所下降。他们看得更费力，但获取的信息却更少²³然而必须注意的是，尽管此处主要在补偿性探索的框架内解释增高的AV，但这一行为指标本身混杂了多种潜在状态，包括局部环境的陌生性、搜索效率低下以及认知分心。

尽管移动眼动追踪与MR模拟的结合具有较高的生态效度，但仍必须明确承认若干方法学上的局限性。从技术层面看，MR头戴设备的物理重量及其有限的视场角（FOV）可能引入人为的生物力学运动限制，从而可能改变自然步态。在实验设计上，对健康年轻受试者模拟病理性视觉障碍，主要评估的是急性感觉剥夺效应，无法完全复制实际视觉障碍个体在多年中形成的长期神经认知适应与代偿策略。在结果解释方面，如前所述，AV仍是一个复合的行为学指标，在缺乏同步主观自我报告的情况下，尚无法明确区分主动代偿性扫视与基础认知定向障碍。在实际应用与可扩展性方面，当前该方案需要大量校准程序且硬件成本较高，限制了其在更大规模、更多样化建筑布局中的快速推广。未来的研究应优先通过标准化的开源着色器库以及更轻量级的空间计算硬件，来提升这些MR范式的可重复性。

这些行为学发现与现有的空间定向障碍理论框架相一致。当周边视觉被消除（如视网膜色素变性（RP）模拟中所示）时，参与者失去了与内部空间地图锚定相关的连续光学流信息，这可能导致观察到的导航错误和空间记忆丧失。此时，导航者无法无意识地计算自身行进轨迹，而必须完全依赖即时且重复的视觉线索。因此，建筑环境必须经过系统性简化，以保持在用户的CRUNCH阈值以下，从而充当一种外部认知辅助装置²³。

基于本研究的实证发现（例如，锐角交叉的特定影响以及高视觉扫描负荷）以及既有的人因工程学文献，本研究提出一个包容性框架。以下建议明确区分了本研究的直接实验结果与文献支持的补充性指导原则。该框架旨在通过标准化的环境干预措施，降低对脆弱认知系统造成的"导航负担"。

尽管热图数据凸显了中心暗点对文本识别造成的严重负面影响，但现有的无障碍环境文献表明，空间设计者应采用经过验证的对比度标准以减轻这种影响。例如，既定指南建议导航文本与其背景之间的光反射值（LRV）差异应至少达到70%。这一特定阈值可确保周边视网膜的视杆细胞在无需黄斑中心凹注视的情况下仍能识别符号，而黄斑中心凹注视在老年人群中常受到阻碍。此外，字符高度（H）必须根据观看距离（D）按公式 H ≥ D/100 进行缩放，主要导向标识的字符最小尺寸应为200 mm，以弥补视力敏锐度的下降²⁴。

为了应对"搜索悖论"，并在高认知负荷下确保信息的可及性，关键节点应引入动态或动画图形。即使静态物体识别失效，人类视觉系统的运动检测通路仍能高度保留，因此一个"闪烁"的箭头或高显著性符号即可触发定向反应²⁴。此外，信息标识应简化设计，每块面板所含信息单元不应超过3至4个，以避免造成老年导航者心理地图不稳定的"选择过载"²⁵。

为解决中央凹负荷导致的“"注意力锁定"”问题以及扫描式 overhead 门架的物理限制，交通枢纽必须强制实施“"双高度"”导向标识架构。主标识应设置在3 m高的 overhead 位置，同时须在1.4 m至1.6 m的视线水平高度增设辅助标识。这种垂直分区设计与老年行人的自然下垂静息视线方向相交，确保信息可被被动接收，无需进行高成本的垂直扫视眼动。这种冗余设计在楼梯和电梯附近尤为关键，因为在这些区域，视觉注意力主要集中于地面障碍物和身体平衡控制。

此外，为了将认知负荷控制在CRUNCH代偿阈值以下，必须将基本平面布局的几何结构标准化为直角（正交）交叉。这种方法消除了由锐角交叉口带来的严重的大角度扫描负担，本研究已确定这种负担是老年导航者的主要失败点。将节点标准化为对称的树状分支结构，而非复杂的环形布局，有助于提高环境的可读性，并减少为实现空间重新定向所需的"停顿"次数。设计者还应优先考虑"几何极化"，即采用高对比度的路面标记和大尺度的建筑墙体，为海马系统提供稳定的结构锚点²⁶。

最后，为了补偿内侧内嗅皮层（MEC）网格细胞网络的功能衰退并防止空间认知障碍 "内存泄漏，" 寻路必须从离散的检查点转变为连续的多感官引导向量。导航系统应建立不间断的 "寻路链" 每个决策点均与下一个决策点逻辑相连。通过集成增强现实（AR）路径投影技术，将高对比度的导航箭头直接投射到实际地面上 通过 MR头戴式显示器通过提供持续的自我中心线索，显著降低了空间扫描负担（AV）²⁷.

对于视力严重受损的乘客，这些视觉提示必须辅以听觉和触觉的冗余设计。在电梯组区域使用定向声音或鸣响声的声学信标，可以播报到达的位置，有效绕过受损的视觉皮层²⁸。应在主要节点部署高对比度的触觉步行表面指示器（TWSI），以提供连续的物理定位支持，通过本体感觉和前庭反馈实现"路径整合"。通过将环境"压力"与老年人尚存的功能性"能力"相协调，这些要求实现了通用设计的愿景：枢纽在人行动之前先行引导。

本研究强调了视障老年成人在复杂交通枢纽中面临的巨大导航负担。通过使用混合现实模拟和真实环境中的眼动追踪技术，我们发现这一人群的空间定向障碍主要表现为更分散且效率更低的视觉搜索模式（AV值升高），而不仅仅是导航时间延长。此外，当前的实证数据凸显出对更清晰、几何结构更简单的寻路系统的重要需求，特别是正交交叉路口和双层高度标识系统的设计。未来的设计干预应优先考虑这些基于数据的几何与视觉简化策略，以有效支持老年人群的独立出行，避免过度依赖复杂的理论性认知储备。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
机场航站楼导视场景	自主开发的实验装置	不适用（自主开发）	用于行为评估的标准导航任务设计
Microsoft HoloLens	Microsoft, USA	www.microsoft.com/hololens	在混合现实条件下模拟病理性视觉障碍
OpenGL 着色器	自定义编程	www.opengl.org	实时渲染模拟的视野缺损
Tobii Pro Glasses 3	Tobii Pro, Sweden	www.tobii.com/products/eye-trackers/wearables/tobii-pro-glasses-3	在导视任务期间采集真实环境下的眼动数据
Tobii Pro Lab	Tobii Pro, Sweden	www.tobii.com/products/software/applications-and-tools/tobii-pro-lab	记录与分析注视、扫视及视线轨迹数据