基于ABM系統(tǒng)的校園公共空間人流軌跡研究

張 芃，白傳棟，羅釧雯

(北方工業(yè)大學(xué),北京 100144)

0 引言

隨著社會的迅速發(fā)展,校園空間成為了學(xué)生從學(xué)習(xí)生活步入城市社會的重要過渡空間,其主要服務(wù)對象是教師與學(xué)生,同時也是校園師生文化交流、學(xué)習(xí)生活、休閑娛樂的重要空間場所,校園空間的形態(tài)、布局、功能等因素?zé)o一不影響校園內(nèi)部人員的學(xué)習(xí)生活和身心健康。由于高校校園具有空間寬敞、人員聚集、功能復(fù)雜等特點,所以如何營造高質(zhì)量的校園公共空間有著重要的實際意義。校園公共空間結(jié)構(gòu)形態(tài)影響師生的校園生活行為習(xí)慣以及師生對校園空間、學(xué)校文化、校園精神的理解[1]。評判一個空間是否具備合理空間形態(tài),其內(nèi)部人員是否愿意在該空間內(nèi)通過、駐足便是重要因素之一。在一定程度上,也說明了該空間結(jié)構(gòu)形態(tài)具備合理性。所以,一個公共空間是否能被使用,活力度成為了首要考量條件。空間活力評價在對公共空間構(gòu)成是否合理和以人為本的設(shè)計理念中起著決定性的作用[2]。一旦空間內(nèi)很少有人愿意前往,則此空間在空間結(jié)構(gòu)或者功能布局上存在一定問題。

本文根據(jù)校園公共空間相關(guān)理論,基于多元代理人系統(tǒng),利用三維建模與計算機(jī)模擬軟件進(jìn)行整體研究,先從理論上結(jié)合已有的信息對校園空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述和分析,然后通過現(xiàn)場調(diào)研對校園公共空間現(xiàn)狀、人流量等數(shù)據(jù)進(jìn)行收集,結(jié)合空間活力的影響因素并提出優(yōu)化方案。使用Rhino和Pedsim展開人流模擬實驗,最后通過不同變量的模擬得到多種空間活力分布情況,最后通過對比總結(jié)從改善空間活力的角度對校園公共空間提出改善建議。

1 研究方法

理論結(jié)合模擬實驗的研究方法將貫穿整個研究,其中相關(guān)校園規(guī)劃理念偏向指導(dǎo)性,可以結(jié)合后續(xù)人流模擬數(shù)據(jù)給出合理的改造策略,而人流模擬實驗則更傾向于提供數(shù)據(jù)支撐,實踐意義更強。

1.1 校園公共空間相關(guān)理論

現(xiàn)代大學(xué)制度起源于歐洲中世紀(jì)的大學(xué)。到今天,國外的大學(xué)發(fā)展已經(jīng)過去了近千年歷史。國外大學(xué)校園的發(fā)展經(jīng)歷了由完全封閉到布局開放,再到局部聚合的演變過程,同時有許多建筑師及學(xué)者對于大學(xué)校園空間的發(fā)展進(jìn)行了理論研究和實踐,豐富了大學(xué)校園空間的規(guī)劃策略與設(shè)計理論。理查德·道貝爾總結(jié)了1945后歐美國家的大學(xué)建設(shè)經(jīng)驗。他的主要觀點為:1)重視校園規(guī)劃的過程而非結(jié)果;2)要將校園內(nèi)以建筑功能分類,不同建筑要編寫不同設(shè)計準(zhǔn)則。他強調(diào)注重規(guī)劃過程,按功能設(shè)計建筑,而這一觀點在后世也被其他學(xué)者所證實。C·亞歷山大在《俄勒岡實驗》中提出了“以人為本”的校園規(guī)劃理念[3]。并特別強調(diào)大學(xué)校園的規(guī)劃設(shè)計,目標(biāo)應(yīng)該是建設(shè)一個有機(jī)的秩序整體,這種有機(jī)的秩序并不能依靠一次性的規(guī)劃實現(xiàn),它需要校園的使用者們對大學(xué)校園的持續(xù)發(fā)展擁有正確的理解,通過時間的沉淀來實現(xiàn)。這一說法指導(dǎo)我們認(rèn)識到校園承載的主體是人,他們需要在校園里完成大部分的日常生活,所以人在校園空間中的主觀感受在規(guī)劃設(shè)計中應(yīng)該是首要考慮的一部分。校園規(guī)劃并不是一次性任務(wù),而是需要時間磨合,發(fā)現(xiàn)其中的問題進(jìn)而解決問題,是一個不斷完善的過程。“以人為本”規(guī)劃校園空間這一思想也將指導(dǎo)本文后續(xù)的研究。

1.2 數(shù)據(jù)采集

本研究的相關(guān)數(shù)據(jù)采集共分為兩部分,分別為場地數(shù)據(jù)和人流數(shù)據(jù),首先使用Cad Mapper軟件獲取所研究校園的選定空間中建筑、場地、植被等信息,再結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研實際測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整,繪制總平面圖,最后再利用建模軟件建立電腦模型。人流數(shù)據(jù)方面本文采用實地攝像的方法,在規(guī)定時間段內(nèi),利用攝像設(shè)備在研究場所進(jìn)行持續(xù)拍攝,對場地提前設(shè)定的出入口進(jìn)行人流量統(tǒng)計,最終得到若干組人流數(shù)據(jù),并在拍攝結(jié)束后進(jìn)行數(shù)據(jù)校對,避免誤差過大。選擇北方工大為實踐檢測論證點,以其毓秀廣場為核心,通過建模軟件進(jìn)行人流軌跡模擬,得到校園空間活力分布情況。本次研究所采集的各種數(shù)據(jù)將作為人流軌跡模擬實驗所得到結(jié)果的有利支撐,提高實驗的嚴(yán)謹(jǐn)性和真實性。

1.3 軟件仿真模擬

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,軟件仿真模擬逐漸成為了學(xué)者研究人流狀態(tài)的首選方式[4-6]。人群的流向具有動態(tài)性,用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模思路無法直觀地模擬人流軌跡,同時模擬要考慮公共空間內(nèi)對人流的吸引力因素以及周邊環(huán)境對內(nèi)部人群的影響,因此選擇Grasshopper中的PedSim插件進(jìn)行模擬。在PedSim的模擬中,行人會自主規(guī)劃路線,并在途中避開障礙物和其他行人。如果行人在途中發(fā)現(xiàn)興趣點,也會向其行走并停留一段時間后重新規(guī)劃路線,再行至終點。

2 人流模擬與場地預(yù)研究

2.1 人流模擬

在目前公共空間活力理論框架中對空間活力評價指標(biāo)基本可以概括為從空間的靜態(tài)維度、時間的動態(tài)維度及主體基本特征三個方面對空間活力的量化評價[7],例如從空間的整體性以及數(shù)據(jù)獲取的難易度出發(fā),選擇單位空間內(nèi)24 h時均人流密度代表人流強度,此定量指標(biāo)一方面具有時間維度的時效性,是對空間中一日人群活動頻次的總量統(tǒng)計;一方面可表示人群活動在靜態(tài)維度的空間分布性。這種方法一定程度上描述了該空間內(nèi)的活力強度以及分布情況。通過數(shù)學(xué)公式以及表格數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的信息固然清晰,但是人群的流向是具有動態(tài)且無序的,僅僅通過數(shù)據(jù)不容易直觀的體會到人流在行進(jìn)過程中的某些行為,例如對感興趣的事物逗留,面對障礙則會避其行之等情況。而利用PedSim進(jìn)行行人模擬,便可以直觀的獲取到實時變化的動態(tài)信息,包括人群行進(jìn)中的軌跡、流向、分布、興趣點等數(shù)據(jù),實現(xiàn)了實驗數(shù)據(jù)的動態(tài)可視化,增加了實驗結(jié)果的真實性。

2.2 場地調(diào)研

本次研究場地選擇為北方工業(yè)大學(xué)的毓秀廣場,根據(jù)高德地圖衛(wèi)星測距得到該片區(qū)域面積約為2 940 m2,是一塊矩形場地。作為一個在北方工大校園內(nèi)比較有代表性的公共空間,從生活功能角度來看,它基本上囊括了校內(nèi)各種中小型文化娛樂活動,例如社團(tuán)招新、學(xué)院活動、文化表演等。這一特性便決定了在該空間內(nèi)某個特定時間段,會產(chǎn)生大量的人流量,而且這些人流具有一定的無序性和隨機(jī)性,但是他們會被空間內(nèi)的某些興趣點所吸引而駐足。從空間功能角度來看(見圖1),毓秀廣場北側(cè)緊鄰學(xué)生公寓,西側(cè)為毓秀園入口,有兩條。

東西走向的道路連接教學(xué)區(qū)和毓秀廣場,同時也是從教學(xué)樓進(jìn)入住宿區(qū)和餐飲區(qū)的必經(jīng)之路,南側(cè)則是餐飲休閑區(qū)。所以該片區(qū)域處于被三個不同的功能區(qū)所包圍的現(xiàn)狀,如果學(xué)校內(nèi)部人員要從一個功能區(qū)向另一個功能區(qū)的轉(zhuǎn)移,也必定會在此空間內(nèi)穿行從而產(chǎn)生一定的人流量。基于以上兩個方面,故選擇北方工大毓秀廣場作為本次研究的主要場地,在不同時間段均可以為該空間內(nèi)提供一定的人流量,為后期模擬實驗提供了有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

通過對毓秀廣場的前期實地調(diào)研發(fā)現(xiàn),在該片區(qū)域內(nèi)存在人流分布不均和通行路線受阻等問題。由于前期已經(jīng)對毓秀廣場進(jìn)行了視頻數(shù)據(jù)采集,選取中午下課和下午上課兩個人流高峰時段對場地內(nèi)若干記錄點進(jìn)行實時錄像并記錄人流情況。通過從多個視頻中的人流軌跡對比發(fā)現(xiàn)人流軌跡具有一個共同的特性,即無論從場地內(nèi)任何一點進(jìn)入場地,人流基本會沿著其進(jìn)入點的對角線行進(jìn),如圖2所示,只有很少一部分人會沿著場地邊緣貼行。由此可知,進(jìn)入場地的人員,會自覺地選擇從進(jìn)入點到目標(biāo)點最短距離行進(jìn),以便能快速的到達(dá)目標(biāo)點。如果該區(qū)域內(nèi)人流普遍存在這樣一種移動特點,那么如果在其行進(jìn)路線上存在任何一種障礙,這個障礙可以是場地內(nèi)原本存在的構(gòu)造物,或者是人為創(chuàng)造的障礙物等因素,都會造成人流通行不暢甚至堵塞等情況,導(dǎo)致人流通行效率降低。通過對研究場地的現(xiàn)狀分析,基本可以得到以下兩點:1)場地內(nèi)人員移動存在普遍性規(guī)律;2)人流分布不均,存在低活力區(qū)域。在以下研究中,要有針對性的進(jìn)行人流模擬實驗和提出空間活力改善策略,并充分考慮到場地的特性和本身存在的問題。

2.3 影響空間活力的因素

毓秀廣場作為北方工大校園內(nèi)師生的重要娛樂活動場所,也是學(xué)校比較具有代表性的公共空間,要針對其內(nèi)部存在的人流分布不均的問題進(jìn)行研究,就有必要提到公共空間活力這一概念,這也是業(yè)內(nèi)學(xué)者和規(guī)劃工作者一直關(guān)注的問題,從可影響公共空間活力的因素角度分析,基本可以概括為以下幾點:1)空間的通達(dá)。揚·蓋爾指出人在空間中活動是城市活力的基礎(chǔ)和起點,公共空間活力取決于人的活動[8]。2)空間的使用。簡·雅各布斯認(rèn)為,人類的交往、生活與空間相互融合的過程使生活更多樣,空間也更有活力,這是公共空間所具備的基本特征[9]。3)空間的功能。伊恩·本特利認(rèn)為,一個具有活力的場所要能夠滿足不同使用功能的多樣化空間訴求[10]。4)空間的環(huán)境。王江認(rèn)為空間要有場所感,要具有貼近生活的環(huán)境,真實化的環(huán)境是無限活力的內(nèi)涵[11]。也有一些學(xué)者認(rèn)為公共空間活力能在很大程度上反映出使用者對所處空間的滿意度和舒適度。

通過從以上學(xué)者的不同觀點可見,一個具有活力的空間,應(yīng)該具備便于使用、功能多樣、空間通達(dá)、環(huán)境自然等特點。本文在針對改善毓秀廣場空間活力分布情況所提出的改造策略會綜合考量以上幾點因素,合理提出改善建議。

2.4 空間活力優(yōu)化方案

綜合以上前期調(diào)研和相關(guān)研究所得信息,并結(jié)合空間活力理論對毓秀廣場人流分布提出優(yōu)化方案。通過前期對場地內(nèi)部進(jìn)行預(yù)研究已經(jīng)明確其內(nèi)部行人存在較為固定的行進(jìn)模式,所以分析可知,如果在行人路線交匯處附近和人流密度稀疏的區(qū)域進(jìn)行興趣點設(shè)置,將會對模擬結(jié)果起到不同程度的影響。例如在廣場舉辦活動將展臺圍繞人群匯集區(qū)域放置是否阻礙其他人員通過廣場;在廣場邊緣區(qū)域設(shè)置一些娛樂設(shè)施或者戶外家具是否會改善場地內(nèi)人員活躍程度等,結(jié)果可用于進(jìn)行實驗結(jié)果的對比和分析。即優(yōu)化方案有:1)在中心區(qū)設(shè)置興趣點;2)在兩側(cè)設(shè)置興趣點。本文模擬實驗將人員通行時間(所有廣場內(nèi)人員從進(jìn)入場地到退出廣場時間總和)和實時活力情況(廣場內(nèi)人員在不同時刻的場地內(nèi)部活動情況)兩方面來綜合評判方案的優(yōu)化方案。

3 PedSim人流模擬與分析

3.1 模型建立

本文運用Rhino和PedSim場地建模綜合進(jìn)行廣場人流模擬實驗,PedSim主要基于Agent-Based-Modeling(代理人基模型),ABM是一種設(shè)計方法,也是一種將具有自主意識的智能體(個體、群體或團(tuán)隊)的行為活動和相互作用進(jìn)行模擬的計算模型。在本文中Agent指代為行人,用PedSim在Rhino中拾取已設(shè)定好的起點、終點和興趣點,行人便會自主規(guī)劃兩點間最優(yōu)路線前進(jìn),在途中如遇到提前放置的興趣點,行人會隨機(jī)與其進(jìn)行互動并暫時停留,互動結(jié)束后會自行規(guī)劃路線,直至走到終點結(jié)束。因為每個行人的行動具有隨機(jī)性,得到的模擬結(jié)果也會各不相同,為了保證后續(xù)研究結(jié)論的科學(xué)性,本次人流模擬實驗每一組分別進(jìn)行5次模擬,最后取5次結(jié)果值的平均值作為模擬的結(jié)果。

3.2 初始狀態(tài)模擬

廣場內(nèi)部現(xiàn)存設(shè)施包括東北側(cè)雕像一座,南北兩側(cè)均放置燈柱,毓秀園大門兩側(cè)設(shè)有兩排長凳。通過錄像得知,在中午下課人流高峰時段,30 min內(nèi)只有幾個人前往雕像臺階與長凳休息交流,其他人只在廣場內(nèi)部穿行,與在設(shè)施上停留的人互不干擾,故可以設(shè)廣場初始狀態(tài)的內(nèi)部人流活動情況為參照組。設(shè)定初始樣本投放量為100,人流模擬序列圖見圖3,從30 s開始場地內(nèi)部行人出現(xiàn)較為固定移動模式,一些人選擇直接或者繞過障礙物后沿場地對角線移動,有些人則是直接沿場地邊緣移動至終點,這也與實際廣場內(nèi)部人員移動情況相似。隨著時間推移,場地內(nèi)行人移動軌跡依然較為穩(wěn)定,直至模擬結(jié)束。人員從起點進(jìn)入起算,直到最后一人退出廣場為止總共用時281 s(共進(jìn)行了5次模擬實驗,5次人員通行總耗時分別為286 s,275 s,273 s,284 s,287 s,取5次結(jié)果的平均值)。

3.3 在中心區(qū)設(shè)興趣點

在上文中提到,因為場地內(nèi)部行人移動存在一定規(guī)律性,如果在行人行進(jìn)的路線上或者兩個方向的人流交匯處設(shè)置興趣點,那么場地內(nèi)部人員通行效率和行進(jìn)路線均會受到影響,這一情況在實際校園生活中也屬于普遍現(xiàn)象,所以在場地中心區(qū)附近設(shè)置興趣點更具有實際的參考意義。本小節(jié)主要從兩個方案入手進(jìn)行分析,分別為在中心矩形區(qū)放置6個和8個興趣點,分別模擬并記錄通行時間和人流情況。

1)6個興趣點:由于該方案將6個興趣點圍繞中心區(qū)域放置,人流模擬結(jié)果見圖4,模擬開始30 s后人流開始向中心區(qū)靠攏,行人隨機(jī)與上方3個興趣點處隨意停留,行人下方興趣點互動頻率暫時低于上方興趣點。在70 s之后人流逐漸均勻分布,上下兩排興趣點均有人員停留,中心區(qū)人流量開始累積,模擬進(jìn)行到90 s時場地中心區(qū)域人流聚集程度較為明顯。總體來說,因為在行人行進(jìn)的路線上出現(xiàn)了若干興趣點,使得在廣場中心區(qū)域的人流密度受到了不同程度的影響,空間活力程度較之初始狀態(tài)有了很大的改善,同時也需要關(guān)注到在模擬途中不同時刻均出現(xiàn)了人員聚集程度較高的情況,可能會在人流高峰期間造成通行堵塞隱患。在該方案中所有人員都離開廣場共計耗時300 s(共進(jìn)行5次模擬實驗結(jié)果分別為298 s,302 s,305 s,296 s,301 s,取5次結(jié)果的平均值)。

2)8個興趣點:在中心區(qū)東西兩側(cè)各加入一個興趣點后,整體人流分布相比上一個方案沒有出現(xiàn)較大變化,但是行人向場地中心的聚集程度相比得到進(jìn)一步加強。模擬結(jié)果如圖5所示,從模擬開始30 s出現(xiàn)人員向各個興趣點靠近,每個興趣點均出現(xiàn)過人員停留。50 s后人員移動和于興趣點停留情況開始穩(wěn)定,在120 s左右出現(xiàn)大量人員聚集情況,相較之前人數(shù)要更多。從整體來看,增加興趣點后相較上個方案變化不大,但是人流軌跡分布相比之下更加擴(kuò)散開來,一定程度加強了空間活力程度但同時中心區(qū)域人流聚集程度也有所增強,后期要綜合考量。在該方案中所有人員都離開廣場共計耗時311 s(共進(jìn)行5次模擬實驗結(jié)果分別為312 s,309 s,311 s,308 s,314 s,取5次結(jié)果的平均值)。

3.4 在兩側(cè)設(shè)置興趣點

通過前期對廣場內(nèi)部人流的分析,得知廣場東西兩側(cè)人流密度較低。在日?；顒又?行人在廣場中穿行的過程中很少有行人會有意愿前往并停留,在人流量高峰期也只是快速經(jīng)過,只有在某些特定條件下,才會吸引部分行人前往互動,例如學(xué)生自發(fā)組織的社團(tuán)活動、放置給師生拍照的一些平臺、學(xué)生進(jìn)行滑板和旱冰運動等情況。由此可見如果在廣場東西兩側(cè)設(shè)置興趣點,可能會給廣場內(nèi)部整體人流分布產(chǎn)生不同程度影響。本小節(jié)主要通過從以下兩個方案入手分析,在東西兩側(cè)以集中和分散兩種方式放置興趣點,分別模擬并記錄通行時間和人流情況。

1)集中放置:該方案選擇在廣場兩側(cè)集中放置興趣點,廣場內(nèi)部人流動向發(fā)生了改變,均從向中心區(qū)域匯集改變?yōu)橄驈V場兩側(cè)區(qū)域靠攏,同時對人流移動軌跡產(chǎn)生一定程度的影響。模擬結(jié)果見圖6,模擬進(jìn)行到25 s時行人開始向東側(cè)興趣點逐漸靠攏,后續(xù)一段時間內(nèi)東側(cè)人流聚集程度均高于西側(cè),65 s時東側(cè)出現(xiàn)了比較明顯的人員聚集情況,125 s左右場地內(nèi)部人流分布開始均勻開來。在該方案中所有人員都離開廣場共計耗時298 s(共進(jìn)行5次模擬實驗結(jié)果分別為298 s,301 s,296 s,302 s,295 s,取5次結(jié)果的平均值)。

2)分散放置:該方案將興趣點沿廣場兩側(cè)分散放置,場地內(nèi)部的人流移動受到較明顯的影響,模擬結(jié)果見圖7,30 s時從入口進(jìn)入的行人基本會選擇靠近進(jìn)入點一邊的興趣點前往互動,兩邊人流無明顯關(guān)系。模擬進(jìn)行到75 s兩側(cè)人流開始交叉移動,從西側(cè)入口進(jìn)入的人也會前往東側(cè)興趣點,東側(cè)進(jìn)入的人員亦同。在75 s后場地內(nèi)部人流密度逐漸增加,在之后120 s,150 s時也出現(xiàn)相似情況,并且趨向于穩(wěn)定,全程未出現(xiàn)人員聚集情況。在該方案中所有人員都離開廣場共計耗時304 s(共進(jìn)行5次模擬實驗結(jié)果分別為310 s,308 s,299 s,302 s,305 s,取5次結(jié)果的平均值)。

3.5 模擬結(jié)果分析

本次研究主要以廣場內(nèi)部人員通行時間和實時人流分布兩方面共同評判優(yōu)化方案,模擬結(jié)果總結(jié)如表1所示。綜合整體結(jié)果來看,由于在場地內(nèi)放置了興趣點,增加了場地內(nèi)局部吸引力使各方案與場地初始狀態(tài)對比行人退場時間均有不同程度的增長,這一情況在加入更多興趣點后又進(jìn)一步擴(kuò)大,并且出現(xiàn)了較明顯的行人在中心聚集,雖然場地整體人流分布有變化但兩側(cè)區(qū)域無明顯改善。在場地兩側(cè)放置興趣點退場耗時方面與在中心區(qū)6個興趣點方案相比來說無較大差異,但是對場地內(nèi)部人流活動影響比較顯著。集中和分散放置興趣點均改善了場地內(nèi)的人流分布,在分散放置的方案中場地內(nèi)低人流密度區(qū)域得到了改善,整體人流軌跡遍布整個廣場,流動性得到了增強。

表1 模擬結(jié)果總結(jié)

由此可以看出,隨著興趣點數(shù)量增加,行人退場用時也隨之增加,而且由于興趣點擺放方式的不同,也會對退場時間造成一定程度影響,例如在現(xiàn)實中人流高峰期場地中心緊密排放的興趣點可能會造成通行堵塞的情況。在興趣點數(shù)量相同時,雖然集中或分散放置興趣點對行人退場時間有影響并不顯著,但是對場地內(nèi)部人流分布影響較大。分散放置興趣點的場地內(nèi)部人流分布要更均勻,行走軌跡覆蓋面更廣,同時又避開了中心人流交匯區(qū)域,在人流量較大時段也不會因為行人在興趣點停留而造成人員堵塞,改善了空間內(nèi)部活力分布同時也考慮了現(xiàn)實情況。

4 校園空間活力改善建議

本研究利用PedSim人流模擬結(jié)合數(shù)字建模的方式對校園空間人流動向進(jìn)行了綜合的評析,為改善校園空間活力,通過模擬結(jié)果和相關(guān)理論做出以下空間優(yōu)化策略:

可以在場地內(nèi)部邊緣適當(dāng)增加娛樂設(shè)施或者室外家具,但是要兼顧設(shè)施便捷性,可更換性;也可以在廣場兩側(cè)進(jìn)行地形的改造,比如小面積的下沉地面或者墊高緩坡,為愛好戶外運動的學(xué)生提供條件,吸引其前往;同時也可以在廣場內(nèi)增加開放式景觀,讓每一個人都能前往觀賞憩息。在空間管理方面,放置設(shè)施和開展業(yè)余活動盡量靠近廣場邊緣,為正常通行的人流提供良好路線,保證通行效率的同時也提升了場地內(nèi)的活力程度。