基于ABM系统的校园公共空间人流轨迹研究

张 芃，白传栋，罗钏雯

(北方工业大学,北京 100144)

0 引言

随着社会的迅速发展,校园空间成为了学生从学习生活步入城市社会的重要过渡空间,其主要服务对象是教师与学生,同时也是校园师生文化交流、学习生活、休闲娱乐的重要空间场所,校园空间的形态、布局、功能等因素无一不影响校园内部人员的学习生活和身心健康。由于高校校园具有空间宽敞、人员聚集、功能复杂等特点,所以如何营造高质量的校园公共空间有着重要的实际意义。校园公共空间结构形态影响师生的校园生活行为习惯以及师生对校园空间、学校文化、校园精神的理解[1]。评判一个空间是否具备合理空间形态,其内部人员是否愿意在该空间内通过、驻足便是重要因素之一。在一定程度上,也说明了该空间结构形态具备合理性。所以,一个公共空间是否能被使用,活力度成为了首要考量条件。空间活力评价在对公共空间构成是否合理和以人为本的设计理念中起着决定性的作用[2]。一旦空间内很少有人愿意前往,则此空间在空间结构或者功能布局上存在一定问题。

本文根据校园公共空间相关理论,基于多元代理人系统,利用三维建模与计算机模拟软件进行整体研究,先从理论上结合已有的信息对校园空间结构进行描述和分析,然后通过现场调研对校园公共空间现状、人流量等数据进行收集,结合空间活力的影响因素并提出优化方案。使用Rhino和Pedsim展开人流模拟实验,最后通过不同变量的模拟得到多种空间活力分布情况,最后通过对比总结从改善空间活力的角度对校园公共空间提出改善建议。

1 研究方法

理论结合模拟实验的研究方法将贯穿整个研究,其中相关校园规划理念偏向指导性,可以结合后续人流模拟数据给出合理的改造策略,而人流模拟实验则更倾向于提供数据支撑,实践意义更强。

1.1 校园公共空间相关理论

现代大学制度起源于欧洲中世纪的大学。到今天,国外的大学发展已经过去了近千年历史。国外大学校园的发展经历了由完全封闭到布局开放,再到局部聚合的演变过程,同时有许多建筑师及学者对于大学校园空间的发展进行了理论研究和实践,丰富了大学校园空间的规划策略与设计理论。理查德·道贝尔总结了1945后欧美国家的大学建设经验。他的主要观点为:1)重视校园规划的过程而非结果;2)要将校园内以建筑功能分类,不同建筑要编写不同设计准则。他强调注重规划过程,按功能设计建筑,而这一观点在后世也被其他学者所证实。C·亚历山大在《俄勒冈实验》中提出了“以人为本”的校园规划理念[3]。并特别强调大学校园的规划设计,目标应该是建设一个有机的秩序整体,这种有机的秩序并不能依靠一次性的规划实现,它需要校园的使用者们对大学校园的持续发展拥有正确的理解,通过时间的沉淀来实现。这一说法指导我们认识到校园承载的主体是人,他们需要在校园里完成大部分的日常生活,所以人在校园空间中的主观感受在规划设计中应该是首要考虑的一部分。校园规划并不是一次性任务,而是需要时间磨合,发现其中的问题进而解决问题,是一个不断完善的过程。“以人为本”规划校园空间这一思想也将指导本文后续的研究。

1.2 数据采集

本研究的相关数据采集共分为两部分,分别为场地数据和人流数据,首先使用Cad Mapper软件获取所研究校园的选定空间中建筑、场地、植被等信息,再结合现场调研实际测量的数据进行调整,绘制总平面图,最后再利用建模软件建立电脑模型。人流数据方面本文采用实地摄像的方法,在规定时间段内,利用摄像设备在研究场所进行持续拍摄,对场地提前设定的出入口进行人流量统计,最终得到若干组人流数据,并在拍摄结束后进行数据校对,避免误差过大。选择北方工大为实践检测论证点,以其毓秀广场为核心,通过建模软件进行人流轨迹模拟,得到校园空间活力分布情况。本次研究所采集的各种数据将作为人流轨迹模拟实验所得到结果的有利支撑,提高实验的严谨性和真实性。

1.3 软件仿真模拟

随着计算机技术的发展,软件仿真模拟逐渐成为了学者研究人流状态的首选方式[4-6]。人群的流向具有动态性,用传统的数学建模思路无法直观地模拟人流轨迹,同时模拟要考虑公共空间内对人流的吸引力因素以及周边环境对内部人群的影响,因此选择Grasshopper中的PedSim插件进行模拟。在PedSim的模拟中,行人会自主规划路线,并在途中避开障碍物和其他行人。如果行人在途中发现兴趣点,也会向其行走并停留一段时间后重新规划路线,再行至终点。

2 人流模拟与场地预研究

2.1 人流模拟

在目前公共空间活力理论框架中对空间活力评价指标基本可以概括为从空间的静态维度、时间的动态维度及主体基本特征三个方面对空间活力的量化评价[7],例如从空间的整体性以及数据获取的难易度出发,选择单位空间内24 h时均人流密度代表人流强度,此定量指标一方面具有时间维度的时效性,是对空间中一日人群活动频次的总量统计;一方面可表示人群活动在静态维度的空间分布性。这种方法一定程度上描述了该空间内的活力强度以及分布情况。通过数学公式以及表格数据呈现的信息固然清晰,但是人群的流向是具有动态且无序的,仅仅通过数据不容易直观的体会到人流在行进过程中的某些行为,例如对感兴趣的事物逗留,面对障碍则会避其行之等情况。而利用PedSim进行行人模拟,便可以直观的获取到实时变化的动态信息,包括人群行进中的轨迹、流向、分布、兴趣点等数据,实现了实验数据的动态可视化,增加了实验结果的真实性。

2.2 场地调研

本次研究场地选择为北方工业大学的毓秀广场,根据高德地图卫星测距得到该片区域面积约为2 940 m2,是一块矩形场地。作为一个在北方工大校园内比较有代表性的公共空间,从生活功能角度来看,它基本上囊括了校内各种中小型文化娱乐活动,例如社团招新、学院活动、文化表演等。这一特性便决定了在该空间内某个特定时间段,会产生大量的人流量,而且这些人流具有一定的无序性和随机性,但是他们会被空间内的某些兴趣点所吸引而驻足。从空间功能角度来看(见图1),毓秀广场北侧紧邻学生公寓,西侧为毓秀园入口,有两条。

东西走向的道路连接教学区和毓秀广场,同时也是从教学楼进入住宿区和餐饮区的必经之路,南侧则是餐饮休闲区。所以该片区域处于被三个不同的功能区所包围的现状,如果学校内部人员要从一个功能区向另一个功能区的转移,也必定会在此空间内穿行从而产生一定的人流量。基于以上两个方面,故选择北方工大毓秀广场作为本次研究的主要场地,在不同时间段均可以为该空间内提供一定的人流量,为后期模拟实验提供了有效的数据基础。

通过对毓秀广场的前期实地调研发现,在该片区域内存在人流分布不均和通行路线受阻等问题。由于前期已经对毓秀广场进行了视频数据采集,选取中午下课和下午上课两个人流高峰时段对场地内若干记录点进行实时录像并记录人流情况。通过从多个视频中的人流轨迹对比发现人流轨迹具有一个共同的特性,即无论从场地内任何一点进入场地,人流基本会沿着其进入点的对角线行进,如图2所示,只有很少一部分人会沿着场地边缘贴行。由此可知,进入场地的人员,会自觉地选择从进入点到目标点最短距离行进,以便能快速的到达目标点。如果该区域内人流普遍存在这样一种移动特点,那么如果在其行进路线上存在任何一种障碍,这个障碍可以是场地内原本存在的构造物,或者是人为创造的障碍物等因素,都会造成人流通行不畅甚至堵塞等情况,导致人流通行效率降低。通过对研究场地的现状分析,基本可以得到以下两点:1)场地内人员移动存在普遍性规律;2)人流分布不均,存在低活力区域。在以下研究中,要有针对性的进行人流模拟实验和提出空间活力改善策略,并充分考虑到场地的特性和本身存在的问题。

2.3 影响空间活力的因素

毓秀广场作为北方工大校园内师生的重要娱乐活动场所,也是学校比较具有代表性的公共空间,要针对其内部存在的人流分布不均的问题进行研究,就有必要提到公共空间活力这一概念,这也是业内学者和规划工作者一直关注的问题,从可影响公共空间活力的因素角度分析,基本可以概括为以下几点:1)空间的通达。扬·盖尔指出人在空间中活动是城市活力的基础和起点,公共空间活力取决于人的活动[8]。2)空间的使用。简·雅各布斯认为,人类的交往、生活与空间相互融合的过程使生活更多样,空间也更有活力,这是公共空间所具备的基本特征[9]。3)空间的功能。伊恩·本特利认为,一个具有活力的场所要能够满足不同使用功能的多样化空间诉求[10]。4)空间的环境。王江认为空间要有场所感,要具有贴近生活的环境,真实化的环境是无限活力的内涵[11]。也有一些学者认为公共空间活力能在很大程度上反映出使用者对所处空间的满意度和舒适度。

通过从以上学者的不同观点可见,一个具有活力的空间,应该具备便于使用、功能多样、空间通达、环境自然等特点。本文在针对改善毓秀广场空间活力分布情况所提出的改造策略会综合考量以上几点因素,合理提出改善建议。

2.4 空间活力优化方案

综合以上前期调研和相关研究所得信息,并结合空间活力理论对毓秀广场人流分布提出优化方案。通过前期对场地内部进行预研究已经明确其内部行人存在较为固定的行进模式,所以分析可知,如果在行人路线交汇处附近和人流密度稀疏的区域进行兴趣点设置,将会对模拟结果起到不同程度的影响。例如在广场举办活动将展台围绕人群汇集区域放置是否阻碍其他人员通过广场;在广场边缘区域设置一些娱乐设施或者户外家具是否会改善场地内人员活跃程度等,结果可用于进行实验结果的对比和分析。即优化方案有:1)在中心区设置兴趣点;2)在两侧设置兴趣点。本文模拟实验将人员通行时间(所有广场内人员从进入场地到退出广场时间总和)和实时活力情况(广场内人员在不同时刻的场地内部活动情况)两方面来综合评判方案的优化方案。

3 PedSim人流模拟与分析

3.1 模型建立

本文运用Rhino和PedSim场地建模综合进行广场人流模拟实验,PedSim主要基于Agent-Based-Modeling(代理人基模型),ABM是一种设计方法,也是一种将具有自主意识的智能体(个体、群体或团队)的行为活动和相互作用进行模拟的计算模型。在本文中Agent指代为行人,用PedSim在Rhino中拾取已设定好的起点、终点和兴趣点,行人便会自主规划两点间最优路线前进,在途中如遇到提前放置的兴趣点,行人会随机与其进行互动并暂时停留,互动结束后会自行规划路线,直至走到终点结束。因为每个行人的行动具有随机性,得到的模拟结果也会各不相同,为了保证后续研究结论的科学性,本次人流模拟实验每一组分别进行5次模拟,最后取5次结果值的平均值作为模拟的结果。

3.2 初始状态模拟

广场内部现存设施包括东北侧雕像一座,南北两侧均放置灯柱,毓秀园大门两侧设有两排长凳。通过录像得知,在中午下课人流高峰时段,30 min内只有几个人前往雕像台阶与长凳休息交流,其他人只在广场内部穿行,与在设施上停留的人互不干扰,故可以设广场初始状态的内部人流活动情况为参照组。设定初始样本投放量为100,人流模拟序列图见图3,从30 s开始场地内部行人出现较为固定移动模式,一些人选择直接或者绕过障碍物后沿场地对角线移动,有些人则是直接沿场地边缘移动至终点,这也与实际广场内部人员移动情况相似。随着时间推移,场地内行人移动轨迹依然较为稳定,直至模拟结束。人员从起点进入起算,直到最后一人退出广场为止总共用时281 s(共进行了5次模拟实验,5次人员通行总耗时分别为286 s,275 s,273 s,284 s,287 s,取5次结果的平均值)。

3.3 在中心区设兴趣点

在上文中提到,因为场地内部行人移动存在一定规律性,如果在行人行进的路线上或者两个方向的人流交汇处设置兴趣点,那么场地内部人员通行效率和行进路线均会受到影响,这一情况在实际校园生活中也属于普遍现象,所以在场地中心区附近设置兴趣点更具有实际的参考意义。本小节主要从两个方案入手进行分析,分别为在中心矩形区放置6个和8个兴趣点,分别模拟并记录通行时间和人流情况。

1)6个兴趣点:由于该方案将6个兴趣点围绕中心区域放置,人流模拟结果见图4,模拟开始30 s后人流开始向中心区靠拢,行人随机与上方3个兴趣点处随意停留,行人下方兴趣点互动频率暂时低于上方兴趣点。在70 s之后人流逐渐均匀分布,上下两排兴趣点均有人员停留,中心区人流量开始累积,模拟进行到90 s时场地中心区域人流聚集程度较为明显。总体来说,因为在行人行进的路线上出现了若干兴趣点,使得在广场中心区域的人流密度受到了不同程度的影响,空间活力程度较之初始状态有了很大的改善,同时也需要关注到在模拟途中不同时刻均出现了人员聚集程度较高的情况,可能会在人流高峰期间造成通行堵塞隐患。在该方案中所有人员都离开广场共计耗时300 s(共进行5次模拟实验结果分别为298 s,302 s,305 s,296 s,301 s,取5次结果的平均值)。

2)8个兴趣点:在中心区东西两侧各加入一个兴趣点后,整体人流分布相比上一个方案没有出现较大变化,但是行人向场地中心的聚集程度相比得到进一步加强。模拟结果如图5所示,从模拟开始30 s出现人员向各个兴趣点靠近,每个兴趣点均出现过人员停留。50 s后人员移动和于兴趣点停留情况开始稳定,在120 s左右出现大量人员聚集情况,相较之前人数要更多。从整体来看,增加兴趣点后相较上个方案变化不大,但是人流轨迹分布相比之下更加扩散开来,一定程度加强了空间活力程度但同时中心区域人流聚集程度也有所增强,后期要综合考量。在该方案中所有人员都离开广场共计耗时311 s(共进行5次模拟实验结果分别为312 s,309 s,311 s,308 s,314 s,取5次结果的平均值)。

3.4 在两侧设置兴趣点

通过前期对广场内部人流的分析,得知广场东西两侧人流密度较低。在日常活动中,行人在广场中穿行的过程中很少有行人会有意愿前往并停留,在人流量高峰期也只是快速经过,只有在某些特定条件下,才会吸引部分行人前往互动,例如学生自发组织的社团活动、放置给师生拍照的一些平台、学生进行滑板和旱冰运动等情况。由此可见如果在广场东西两侧设置兴趣点,可能会给广场内部整体人流分布产生不同程度影响。本小节主要通过从以下两个方案入手分析,在东西两侧以集中和分散两种方式放置兴趣点,分别模拟并记录通行时间和人流情况。

1)集中放置:该方案选择在广场两侧集中放置兴趣点,广场内部人流动向发生了改变,均从向中心区域汇集改变为向广场两侧区域靠拢,同时对人流移动轨迹产生一定程度的影响。模拟结果见图6,模拟进行到25 s时行人开始向东侧兴趣点逐渐靠拢,后续一段时间内东侧人流聚集程度均高于西侧,65 s时东侧出现了比较明显的人员聚集情况,125 s左右场地内部人流分布开始均匀开来。在该方案中所有人员都离开广场共计耗时298 s(共进行5次模拟实验结果分别为298 s,301 s,296 s,302 s,295 s,取5次结果的平均值)。

2)分散放置:该方案将兴趣点沿广场两侧分散放置,场地内部的人流移动受到较明显的影响,模拟结果见图7,30 s时从入口进入的行人基本会选择靠近进入点一边的兴趣点前往互动,两边人流无明显关系。模拟进行到75 s两侧人流开始交叉移动,从西侧入口进入的人也会前往东侧兴趣点,东侧进入的人员亦同。在75 s后场地内部人流密度逐渐增加,在之后120 s,150 s时也出现相似情况,并且趋向于稳定,全程未出现人员聚集情况。在该方案中所有人员都离开广场共计耗时304 s(共进行5次模拟实验结果分别为310 s,308 s,299 s,302 s,305 s,取5次结果的平均值)。

3.5 模拟结果分析

本次研究主要以广场内部人员通行时间和实时人流分布两方面共同评判优化方案,模拟结果总结如表1所示。综合整体结果来看,由于在场地内放置了兴趣点,增加了场地内局部吸引力使各方案与场地初始状态对比行人退场时间均有不同程度的增长,这一情况在加入更多兴趣点后又进一步扩大,并且出现了较明显的行人在中心聚集,虽然场地整体人流分布有变化但两侧区域无明显改善。在场地两侧放置兴趣点退场耗时方面与在中心区6个兴趣点方案相比来说无较大差异,但是对场地内部人流活动影响比较显著。集中和分散放置兴趣点均改善了场地内的人流分布,在分散放置的方案中场地内低人流密度区域得到了改善,整体人流轨迹遍布整个广场,流动性得到了增强。

表1 模拟结果总结

由此可以看出,随着兴趣点数量增加,行人退场用时也随之增加,而且由于兴趣点摆放方式的不同,也会对退场时间造成一定程度影响,例如在现实中人流高峰期场地中心紧密排放的兴趣点可能会造成通行堵塞的情况。在兴趣点数量相同时,虽然集中或分散放置兴趣点对行人退场时间有影响并不显著,但是对场地内部人流分布影响较大。分散放置兴趣点的场地内部人流分布要更均匀,行走轨迹覆盖面更广,同时又避开了中心人流交汇区域,在人流量较大时段也不会因为行人在兴趣点停留而造成人员堵塞,改善了空间内部活力分布同时也考虑了现实情况。

4 校园空间活力改善建议

本研究利用PedSim人流模拟结合数字建模的方式对校园空间人流动向进行了综合的评析,为改善校园空间活力,通过模拟结果和相关理论做出以下空间优化策略:

可以在场地内部边缘适当增加娱乐设施或者室外家具,但是要兼顾设施便捷性,可更换性;也可以在广场两侧进行地形的改造,比如小面积的下沉地面或者垫高缓坡,为爱好户外运动的学生提供条件,吸引其前往;同时也可以在广场内增加开放式景观,让每一个人都能前往观赏憩息。在空间管理方面,放置设施和开展业余活动尽量靠近广场边缘,为正常通行的人流提供良好路线,保证通行效率的同时也提升了场地内的活力程度。