克服弹性雨水基础设施的现状偏见：神经认知与决策的经验证据

弹性雨水基础设施，指不仅具有传统雨水基础设施对雨水径流的处理能力，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好弹性的雨水基础设施，为海绵城市的建设提供必要保障；现状偏见，主要是指对于绿色雨水设施的认知偏差，认为其风险更大，而更依赖于行业规范的混凝土基础设施

生物滞留系统、透水路面和集水方案等绿色基础设施解决方案对雨水管理具有成本效益，更能适应气候变化。然而，实施绿色基础设施总是受到现状偏见的制约。这种现状偏见又限制了不符合行业规范的雨水管理解决方案。本文的研究测试了市政官员在市政决议中对绿色基础设施的正式意见表达是如何抵消现状偏见的影响。选择接受过雨水管理培训的工程学研究生作为被试，在测试时他们被要求在佩戴测量大脑活动的仪器的状况下评估两种决策情景。每个决策场景包括一个绿色和一个灰色解决方案。一半的研究生随机收到了关于新批准的绿色基础设施决议的额外信息。收到此信息的学生明显更愿意推荐绿色胜于灰色选项。该决议降低了他们对绿色基础设施相关风险的感知。收到决议的学生在绿色基础设施的成本和性能方面的感知风险明显低于对照组。对风险的感知变化在他们的大脑中也是可以观察到的。收到该决议的学生在与降低感知风险相对应的风险处理相关的脑区呈现了显著更高水平的神经认知激活。这些结果提供了行为和神经认知证据，证明对工程决策过程的小干预能够显著改变工程师对偏好的构建和决策。市政决议可以通过降低偏离社会或行业规范时产生的风险感知，帮助克服现状偏差。这些结果为大脑如何认知管理工程信息以及这些信息的呈现如何影响工程结果提供了一种新的数据类型。这些发现提供了一种初步的心理–行为关系，并为工程管理研究开辟了一条新的途径，以探索工程师如何在认知基础上正确地做出决策以及认知偏差对工程设计的影响。

思维导图

绿色基础设施在减少雨水径流、减少城市热岛效应和提高社区生活质量方面具有成本效益。非技术性的认知障碍限制了它的实施。这种感知的风险表现为对现状的偏见（雨水工程师认为生物滞留系统、可渗透路面和集水计划等解决方案在性能方面具有更高的风险），使得决策者在做出设计决策时倾向于过度依赖行业规范。现状偏见不仅可以在决策结果中观测到，也可以在大脑中观测到。对于决策者来说，克服对现状的依赖需要前额叶神经节和下额叶皮层之间更多的神经协调。通过学习捷径（也称为启发式学习）节省认知能量。现状偏见是一种持续存在的认知捷径，克服它需要更多的认知注意力和资源。

本文提出的研究目的是测试一种更有效地调整思维和行为的方法。具体而言，该研究测试了对雨水管理工程决策过程的干预如何能够激发克服现状设计选项所需的认知资源，以选择绿色基础设施而不是灰色基础设施解决方案。结合神经科学的方法来定量测量决策干预对工程的神经认知效应。在背景部分解释了关于现状偏差对雨水管理影响。并且描述了用于测量神经认知变化的技术。研究结果为改善绿色基础设施决策提供了行为和神经认知证据。讨论和结论为观察到的大脑–行为关系提供了解释，并提出了进行更多研究的需要，包括客观测量工程神经认知的神经成像方法。

研究背景

弹性的基础设施，需要工程师超越传统的思维方式。然而由于受到一些额外因素的影响（预算、城市旧设施的搬迁），决策者认为传统的解决方案更容易实施，雨水工程师认为偏离行业规范会带来风险，不愿意尝试新的东西。

行为科学证实了决策者倾向于执行一个称为偏好构建的过程。也就是决策者使用默认选项作为比较所有其他选项的基准，开始他们的偏好构建。以规范为导向的行为是工程和建筑设计中的默认参考点，所以文章提出的研究测试了城市官员对绿色基础设施的决议（正式的意见）如何改变对雨水管理的绿色基础设施解决方案的看法和推荐意愿。绿色基础设施决议是市政官员的正式书面声明，旨在提高专业人士和公众对绿色认可，其实施可能有助于克服决策中的现状偏见，也有助于抑制偏离社会或行业规范时出现的风险认知。当决策者收到关于绿色基础设施解决方案的信息时，神经科学的方法被用来测量决策者的认知变化。为捕捉认知的变化提供了一个初步的大脑–行为关系，并有定量证据来衡量干预对雨水管理决策的影响。

利用功能性近红外比于脑电空间分辨率高，比功能磁共振成像技术可以在更真实的场景中使用的特性，其光源和接收器组合而成的每个通道都记录了通道所在的相应大脑区域的血氧水平反应，而血红蛋白或血流量的变化可以被视为神经激活的参考值，相关脑区域及功能介绍见图2。

图2 相关脑区域及功能介绍图

研究问题

（1）绿色基础设施决议如何影响选择绿色基础设施解决方案的感知风险和意愿？

（2）当评估感知风险并对绿色和灰色基础设施解决方案做出决策时，绿色基础设施决议的神经认知效应是什么？

实验设计

实验对象：选择土木与环境工程专业研究雨水的研究生（20人）来参与两个以真实项目为模型的实证决策场景。其中一半的被试额外接收到了关于两地各自城市当前的雨水问题、当前的基础设施状况以及城市采用更多绿色基础设施的决议。被试在看完这些信息后保留选择绿色或灰色基础设施解决方案的自主权。

两个实验场景：

场景1：基于俄亥俄州辛辛那提的谢泼德溪流域，该市希望减轻洪水，以遵守《洁净水法案》。方案1：在利克伦流域修建一条蓄水隧道（灰色基础设施）；方案2：由80个雨水花园组成的系统，平均储存容量为4.28立方米，平均可排放44.13平方米(475平方英尺)的屋顶面积和草坪径流（绿色基础方案）。

场景2：华盛顿西雅图的维尼马流域，排水盆地覆盖了大约80英亩的住宅和商业地产。在大暴雨期间，来自盆地的径流侵蚀着一个沙崖。这种侵蚀导致了对鲑鱼种群有害的高沉积。方案1：考虑建造一个浅水池和运输系统（灰色基础设施）；方案2：在22个街区的道路上增加生物洼地，并建造三条带有可渗透路面的绿色小巷（绿色基础方案）。

实验设计遵循分组设计，给参与者一个固定的时间来完成每个决策任务。在阅读了这个场景之后，参与者佩戴fNIRS帽子，15秒的休息之后开始实验，主要是为了将参与者的皮层激活带到基线水平，实验设备如下图3。

图3 实验现场介绍图

被试需要在阅读完两个场景之后评估每个基础设施选项的风险和相对价值。雨水基础设施的风险是根据成本、性能和维护的可变性进行评估，评估通过分配损失概率(0%-100%，从低到高风险)。然后，被试需要从雨水管理、社会效益和环境效益的角度评估每个基础设施选项的相对投资回报。在评估感知风险和投资回报后，被试需要选择他们认为最合适的绿色或灰色基础设施解决方案。整个过程中参与者有20秒的时间来做每一个评估，30秒的时间来选择一个选项来进行更详细的设计。这些案例以随机顺序呈现给决策者，对绿色或灰色选项的评估也同样随机分配，实验流程如图4。

图4 实验流程图

数据分析

实验中收集的数据包括每个设计选项的感知风险、每个设计选项的感知投资回报、他们对雨水基础设施的决策结果以及他们前额叶皮层的血液反应(即oxy-Hb)。

数据分析时，

（1）对每个参与者的风险概率和相对投资回报进行平均。

（2）对最终决策中选择的绿色和灰色基础设施解决方案的数量进行计数，以衡量频率。

（3）血液反应的原始数据用0.01–0.2赫兹的带通滤波器（三阶巴特沃兹滤波器）处理，以去除高频仪器噪声和低频生理噪声；之后再进行独立成分分析，采用0.5的空间均匀性系数以去除运动伪影。

（4）由于含氧红蛋白具有相对较高的振幅，并且对认知活动更敏感，因此仅对血液反应中的含氧血红蛋白进行了分析和报告(Hu and Shealy 2019)。每个参与者的氧血红蛋白也在两种情况下进行了平均，并计算了每个等级的平均值。

结  果

（1）当提供了有关绿色基础设施决议的信息时，与成本和性能相关的感知风险会降低，如图5。

图5 风险决策的可能性（a）成本（b）性能（c）维护

（2）绿色基础设施决议对感知投资回报没有影响

（3）收到绿色基础设施解决方案的决策者更有可能选择绿色基础设施选项，如图6。

图6 选择绿色或灰色雨水基础设施的数量

（4）评估风险时观察到的前额叶皮层神经认知激活的差异。

具体来讲，在评估与成本相关的感知风险时，位于右脑的外侧前额叶皮层(lateral PFC)的8号通道(F =4.77，p =0.042)和位于右眶额皮层(OFC)的16号通道(F =5.21，p =0.035)中观察到显著差异；在评估与性能相关的风险时，位于左侧的眶额皮层的22号通道(F =6.56，p =0.019)观察到氧合血红蛋白的显著差异(F = 6.56，p = 0.019)。

在评估与灰色成本相关的风险时，对照组的参与者在右侧前额叶皮层(通道8)引起显著更高的激活(t = 2.79，p =0.021)，而在实验组的参与者之间没有观察到类似的显著差异，与对照组相比，在评估灰色和绿色基础设施时，实验组参与者的平均氧血红蛋白较高，如图7。

图7 评估成本时右侧前额叶的含氧血红蛋白

在接受绿色基础设施解决方案的实验组的决策者中，评估与绿色基础设施成本相关的感知风险时，这种激活的进一步增加，他们在右侧前额叶中投入更多的氧合血红蛋白。氧合血红蛋白的增加对应于与成本相关的已接受风险的变化。同时他们的右眶额叶的氧合血红蛋白也会增加(t = 3.03，p =0.007)，如图8。

图8 接受了绿色基础设施决议后，在评估绿色基础设施时右侧前额叶（通道8）和右侧眶额叶（通道16）的平均含氧血红蛋白的增加

当评估与绿色和灰色基础设施的性能相关的风险时，在对照组和实验组之间的左眶额叶也观察到氧合血红蛋白的差异。也就是在评估绿色基础设施时，实验组的氧合血红蛋白显著水平更高(t = 2.40，p = 0.040)，而对照组的氧血红蛋白没有显著差异(t =1.67，p =0.130)。当对照组和实验组评估的灰色基础设施时，观察到氧合血红蛋白的减少(t =2.53，p=0.032)，如图9。

图9 接受了绿色基础设施决议后，在评估灰色基础设施时左侧眶额叶的平均血氧水平增加

讨  论

本文中的一些关键发现提供了新的经验证据，证明工程师对绿色和灰色基础设施解决方案的认知差异，以及市政绿色基础设施决议对工程师认知及现状偏差的影响。结果提供了一个相对经济且有效的解决方案来改变观念和影响决策。

局限性

（1）fNIRS仪器只测量前额叶皮层氧合血的变化。其他大脑区域(例如，前扣带皮层)也可能导致观察到的组间差异。

（2）20人的样本量比较受限制。

（3）学生群体受教育程度的限制，这些结果可能在更大的人群中更具普遍性。

（4）学生群体经验的限制，新手和有经验的工程师之间的决策可能会有所不同。

结  论

（1）研究测试了在工程设计和决策过程中克服现状偏差的方法。

（2）证明了当构建与绿色基础设施的成本和性能相关的风险认知时，绿色基础设施决议改变了神经认知过程。

（3）研究成果扩展了当前对偏好是如何构建的以及干预对工程环境决策的影响的理解。

（4）这一经验证据为政策制定者、工程师和其他相关的利益相关者提供了一种方法，以利用小范围的干预的影响来促进绿色基础设施的采用。