Agent-based simulation of human wayfinding : a perceptual model for unfamiliar buildings

Abstract

Researchers in the areas of human wayfinding, spatial cognition, computer science, and artificial intelligence have developed cognitively based computational models for wayfinding. These models focus primarily on learning a spatial environment and on the exploration of mental representations rather than the information needs for wayfinding. It is important to consider the information needs because people trying to find their ways in unfamiliar environments do not have a previously acquired mental representation but depend on external information. The fundamental tenet of this work is that all such information must be presented to the wayfinder at each decision point as knowledge in the world. Simulating people's wayfinding behavior in a cognitively plausible way requires the integration of structures for information perception and cognition in the underlying model. In this thesis we use a cognizing agent to simulate people's wayfinding processes in an unfamiliar building. The agent-based model is grounded in the ontology and epistemology of the agent and its environment. Both are derived from human subjects testing using an ecological approach. This leads to two tiers in the conceptual model: simulated states of the environment and simulated beliefs of the agent. The agent is modeled with state, an observation schema, wayfinding strategies, and commonsense knowledge. The wayfinding environment is modeled as a graph, where nodes represent decision points and edges represent lines of movement. The perceptual wayfinding model integrates the agent and its environment within a Sense-Plan-Act framework. It focuses on knowledge in the world to explain actions of the agent while performing a wayfinding task. We use the concepts of affordance and information to describe what kinds of knowledge the agent derives from the world by means of visual perception. Affordances are possibilities for action with reference to the agent. Information such as from signs is necessary for the agent to decide which affordances to utilize. During the navigation process the agent accumulates beliefs about the environment by observing task-relevant affordances and information at decision points. The utilization of a so-called "go-to" affordance, i.e., following a pathway, leads the agent from one node to another where it is again provided with percepts. A successful navigation corresponds to the agent's traversal from a start to a goal node. The perceptual wayfinding model concentrates on the actual information needs during wayfinding and does not focus on learning a spatial environment. The proposed formal algebraic specifications of the agent-based model within a functional programming environment can be used to simulate people's wayfinding behavior in spatial information and design systems in a cognitively plausible way. The simulation helps to determine where and why people face wayfinding difficulties and what needs to be done to avoid them. We employ the specific case of wayfinding in an airport to demonstrate the perceptual wayfinding model. The result can be practically used to test the signage in the airport.

Forscher in den Bereichen der menschlichen Wegesuche, der räumlichen Kognition, der Informatik und der künstlichen Intelligenz haben in der Vergangenheit zahlreiche auf Kognition basierende Computermodelle für die Wegesuche entwickelt. Diese Modelle versuchen eher das Lernen einer räumlichen Umgebung und ihrer mentalen Repräsentation zu erklären, als die Informationsbedürfnisse während der Wegesuche. Diese Informationsbedürfnisse sind aber ein wichtiger Aspekt, denn Menschen, die in einer unbekannten Umgebung versuchen, ihren Weg zu finden, besitzen keine vorher erworbene mentale Repräsentation dieser Umgebung und sind deshalb auf externe Information angewiesen. Die wesentliche Grundannahme dieser Arbeit ist es, dass diese Information an jedem Entscheidungspunkt für den Wegesuchenden als sogenanntes Wissen in der Welt gegenwärtig sein muss. Um menschliches Wegesuchverhalten in einer kognitiv glaubwürdigen Weise simulieren zu können, muss man dafür sorgen, dass Strukturen für die Perzeption und Kognition von Information im zu Grunde liegenden Modell integriert sind. In der vorliegenden Doktorarbeit werden Prozesse der menschlichen Wegesuche in einem unbekannten Gebäude durch einen kognizierenden Agenten simuliert. Das Agenten-basierte Modell ist auf die Ontologie und Epistemologie des Agenten und seiner Umgebung gegründet. Sowohl die Ontologie als auch die Epistemologie ist von den Ergebnissen empirischer Tests mit Versuchspersonen mittels einer ökologischen Methode abgeleitet. Dies führt zu zwei Stufen im konzeptuellen Modell, einerseits simulierte Zustände der Umgebung und andererseits simulierte Überzeugungen des Agenten. Der Agent wird dabei durch folgende Komponenten modelliert, nämlich durch seinen gegenwärtigen Zustand, ein Beobachtungsschema, Wegesuchstrategien und Allgemeinwissen. Die Umgebung, in der die Wegesuche stattfindet, wird durch einen Graphen modelliert, wobei die Knoten des Graphen Entscheidungspunkte repräsentieren und die Kanten Bewegungslinien. In dem hier präsentierten perzeptuellen Modell der Wegesuche sind der Agent und seine Umgebung in ein sogenanntes Sense-Plan-Act System integriert. Das Modell konzentriert sich auf Wissen in der Welt, um Aktionen des Agenten während der Wegesuche zu erklären. Die Konzepte Affordanz und Information beschreiben dabei, welche Wissensarten der Agent aus seiner Umgebung mittels visueller Perzeption aufnimmt. Affordanzen sind Aktionsmöglichkeiten für den Agenten. Information, wie zum Beispiel von Schildern, wird vom Agenten für die Auswahl einer zu nützenden Affordanz benötigt. Während des Navigationsprozesses nimmt der Agent Aufgaben-relevante Affordanzen und Information an Entscheidungspunkten wahr und sammelt somit Überzeugungen über seine Umgebung. Die Ausnützung einer sogenannten "go-to" Affordanz, das heißt, das Folgen eines Pfades, führt den Agenten von einem Knoten zum nächsten, wo er wieder mit Wahrnehmungen konfrontiert wird. Eine erfolgreiche Wegesuche entspricht der Durchquerung eines Gebäudes von einem Anfangsknoten zu einem Zielknoten. Das perzeptuelle Modell der Wegesuche konzentriert sich auf die gegenwärtigen Informationsbedürfnisse während der Wegesuche, aber nicht auf das Lernen einer räumlichen Umgebung. Die vorgeschlagenen formalen algebraischen Spezifikationen des Agenten-basierten Modells sind in einer funktionalen Programmierumgebung repräsentiert und können dazu verwendet werden, menschliches Wegesuchverhalten in räumlichen Informations- und Planungssystemen in einer kognitiv glaubwürdigen Weise zu simulieren. Diese Simulation hilft dabei festzustellen, wo und warum Menschen vor Probleme bei der Wegesuche gestellt werden und was getan werden muss, um solche Probleme zu vermeiden. Der spezielle Fall von Wegesuche in einem Flughafen wird in dieser Arbeit zur Demonstration des perzeptuellen Modells der Wegesuche verwendet. Die Resultate können praktisch für einen Eignungstest der Beschilderung im Flughafen verwendet werden.