基于多智能體行人模擬的建筑規(guī)劃領(lǐng)域研究前沿

連海濤， 孔宇航， 胡一可， 霍玉佼

(1. 天津大學(xué)建筑學(xué)院， 天津 300072； 2. 河北工程大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院， 邯鄲 056038)

行人行為模擬在建筑規(guī)劃領(lǐng)域的研究通常與計(jì)算機(jī)科學(xué)相結(jié)合。其可用于描述行人軌跡，分析時(shí)間序列中的行人密度分布、平均速度、路徑選擇與運(yùn)動(dòng)機(jī)制等，進(jìn)而通過(guò)人流的動(dòng)態(tài)分析輔助建筑精細(xì)化設(shè)計(jì)。

行人行為模擬研究可追溯至20世紀(jì)80年代[1]，其涵蓋多個(gè)研究領(lǐng)域，包括建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)、公共人群管理、交通工程等。其研究成果在優(yōu)化商業(yè)布局、保障公共安全、促進(jìn)公共設(shè)施更新等決策中，為政府與建筑師提供了量化的分析方案。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能的快速發(fā)展，行人行為模擬的研究也在不斷深入。常規(guī)行為模擬軟件采用宏觀模型中的吸引子理論，該理論對(duì)各項(xiàng)吸引力水平進(jìn)行量化行人賦值，基于引力級(jí)別進(jìn)行行為運(yùn)動(dòng)的再現(xiàn)模擬。區(qū)別于上述研究，本文涉及的行為模擬均采用行人社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、空間環(huán)境物理參數(shù)、行為經(jīng)濟(jì)學(xué)與視覺(jué)心理學(xué)理論的預(yù)測(cè)模型。

一、行為模擬主要研究方向

基于不同側(cè)重點(diǎn)對(duì)行為模擬的研究成果進(jìn)行歸類(lèi)分析，見(jiàn)圖1；以視角劃分，可分為宏觀、中觀與微觀三個(gè)角度；以目標(biāo)劃分，可分為精確性驗(yàn)證與效率性提高兩個(gè)方面；以內(nèi)容劃分，可分為行動(dòng)計(jì)劃、路徑選擇與運(yùn)動(dòng)機(jī)制三個(gè)層面(見(jiàn)圖2)。

圖1 行人行為模擬與多智能體行為模擬關(guān)系

圖2 行人行為模擬研究?jī)?nèi)容的不同視角

1. 宏觀、中觀與微觀對(duì)比分析

行為模擬從不同視角進(jìn)行分析時(shí)，側(cè)重點(diǎn)有所偏差，如表1所示。宏觀模擬將群體行為視作密度流，采用類(lèi)似流體力學(xué)的方法進(jìn)行研究，個(gè)體被理解為粒子。模擬只關(guān)注集體行為特征，不考慮個(gè)體差異性選擇。該模型常被用于模擬體育場(chǎng)疏散行為[2-3]以及地鐵站人流狀態(tài)[4-5]。研究重點(diǎn)集中于雙向或者多向人流的交叉問(wèn)題，以及大規(guī)模模擬與計(jì)算機(jī)負(fù)荷的平衡問(wèn)題[6]。

表1 宏觀、中觀與微觀模擬對(duì)比分析

中觀模擬通過(guò)空間形構(gòu)指引行人運(yùn)動(dòng)，采用視覺(jué)生態(tài)理論與空間句法理論進(jìn)行研究，關(guān)注集群性運(yùn)動(dòng)而非個(gè)體性，且不考慮個(gè)體間互動(dòng)。該模型常用于模擬展覽館與博物館的自發(fā)性參觀行為。

微觀模擬以個(gè)人角度構(gòu)建，個(gè)體被視作理性經(jīng)濟(jì)人，采用行為經(jīng)濟(jì)學(xué)的最大效用理論進(jìn)行空間決策，例如個(gè)體對(duì)多目的地的先后次序及路徑選擇。仿真過(guò)程中關(guān)注個(gè)體差異性選擇。部分微觀模型將行為空間視為連續(xù)性空間，例如社會(huì)力模型[7-8]。其余模型將空間視為離散環(huán)境，例如元胞自動(dòng)機(jī)模型[9]。微觀模擬被集中用于研究休閑購(gòu)物行為、參觀行為和自由活動(dòng)行為。

2. 不同層面交互作用

建筑規(guī)劃師關(guān)注空間中的影響因素以及其如何作用于個(gè)體運(yùn)動(dòng)?？臻g中的行為主體分為兩種，一為強(qiáng)目的性，例如前往某個(gè)特定空間；二為弱目的性或無(wú)目的性。

行人行為模擬的三個(gè)層面分為行動(dòng)計(jì)劃、路徑選擇和運(yùn)動(dòng)機(jī)制。行動(dòng)計(jì)劃是指行人出行前既定的活動(dòng)目標(biāo)，該目標(biāo)是運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的決定性影響因素。路徑選擇代表行人為完成活動(dòng)目標(biāo)所確定的行動(dòng)路徑。運(yùn)動(dòng)機(jī)制指行人行動(dòng)機(jī)理，比如運(yùn)動(dòng)方向、步長(zhǎng)、障礙回避方法等。

三個(gè)層面的研究并非獨(dú)立完成。部分學(xué)者針對(duì)某一層面進(jìn)行研究，在非相關(guān)層面上參考他人研究成果。部分學(xué)者針對(duì)其中兩個(gè)層面進(jìn)行合并研究，例如，Hoogendoorn等[10]在2004年提出了購(gòu)物行為模型，其整合了行動(dòng)計(jì)劃和路徑選擇。Borgers等[11]也將兩者結(jié)合進(jìn)行研究，通過(guò)智能體的經(jīng)濟(jì)社會(huì)參量生成行動(dòng)計(jì)劃與行為路徑，包括目標(biāo)點(diǎn)、多目標(biāo)點(diǎn)的排序以及路線。部分學(xué)者將三個(gè)層面進(jìn)行整體研究，通過(guò)社會(huì)經(jīng)濟(jì)屬性生成行動(dòng)計(jì)劃，再由計(jì)劃產(chǎn)生行為路徑。在此過(guò)程中，同時(shí)考慮智能體局部運(yùn)動(dòng)機(jī)制及所受到的視覺(jué)引力。

3. 精確性驗(yàn)證及效率性提高

行人行為模擬目標(biāo)分為兩個(gè)方面：其一是模擬的精確性，即通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的擬合程度驗(yàn)證；其二是模擬的效率性，隨著城市的發(fā)展，龐大的計(jì)算要求與計(jì)算機(jī)自身瓶頸之間的矛盾也頗受關(guān)注。例如意大利米蘭設(shè)計(jì)周需對(duì)容納20萬(wàn)人的區(qū)域進(jìn)行場(chǎng)景模擬，受限于計(jì)算機(jī)負(fù)荷，模擬算法被迫進(jìn)行改進(jìn)提高[12]。

二、多智能體行為模擬主要研究方向

多智能體行為模擬在建筑規(guī)劃領(lǐng)域中屬于微觀視角和精確性驗(yàn)證的研究范疇，在此對(duì)行動(dòng)計(jì)劃、路徑選擇與運(yùn)動(dòng)機(jī)制三個(gè)層面的研究方向分別進(jìn)行評(píng)述。

1. 行動(dòng)計(jì)劃和路徑選擇

出動(dòng)計(jì)劃影響因素涉及行為主體、空間和時(shí)間。該領(lǐng)域的學(xué)術(shù)成果既有對(duì)單個(gè)因素的深入研究，又有對(duì)多因素的耦合作用研究。

在基于行人自身的經(jīng)濟(jì)社會(huì)屬性的行動(dòng)計(jì)劃研究中，2001年英國(guó)UCL大學(xué)和德國(guó)奧斯納布呂克大學(xué)的學(xué)者[13]借助經(jīng)濟(jì)社會(huì)特征——收入和性別，生成了智能體的行動(dòng)計(jì)劃，因其考慮要素較少，故模型簡(jiǎn)潔，但適用范圍有限。部分學(xué)者將空間物理屬性與社會(huì)經(jīng)濟(jì)特征進(jìn)行綜合考慮，評(píng)估其對(duì)行動(dòng)計(jì)劃的影響，例如，Arentze等[14]在2001年提出作為外部因素——購(gòu)物場(chǎng)所體量、目標(biāo)距離及服務(wù)設(shè)施方位，也是行動(dòng)計(jì)劃的決定因素。也有學(xué)者將時(shí)間要素、空間物理屬性與社會(huì)經(jīng)濟(jì)特征進(jìn)行整合研究。例如，Zhu等[15]在2006年提出了基于時(shí)間變化的行為模擬數(shù)學(xué)模型，定量分析了絕對(duì)時(shí)間與相對(duì)時(shí)間對(duì)于行動(dòng)計(jì)劃的影響。該類(lèi)研究涉及因素較全，故模擬精確性高，但模型相對(duì)復(fù)雜。行動(dòng)計(jì)劃是路徑選擇的前提和基礎(chǔ)，其理論體系雖未完善，但原理方法已得到普遍推廣，見(jiàn)圖3。

圖3 路徑選擇原理示意

強(qiáng)目的性人群的運(yùn)動(dòng)軌跡取決于個(gè)體行動(dòng)計(jì)劃，其基于行為經(jīng)濟(jì)學(xué)理論，是空間行為決策方向的研究。在此范疇內(nèi)，離散選擇模型和經(jīng)驗(yàn)行為模型為主流模型。20世紀(jì)80年代，離散選擇模型應(yīng)用較多，其理論基礎(chǔ)是亞當(dāng)·斯密提出的最大效用理論，例如，Borgers等[11]單目的單程最短路徑優(yōu)化模型和Hoogendoorn等[10]多目的多程離散模型。但是，隨著研究的深入，最大效用理論中理性人假設(shè)開(kāi)始受到質(zhì)疑，特別是面對(duì)復(fù)雜環(huán)境。2010年，Zhu等[16]基于有限理性原則提出了經(jīng)驗(yàn)行為模型，該模型提出更傾向于非最優(yōu)化滿意選擇。其評(píng)估了行人做決策時(shí)的計(jì)算量限值，當(dāng)計(jì)算量超過(guò)限值時(shí)，采用直覺(jué)和經(jīng)驗(yàn)替代計(jì)算，它更加真實(shí)有效地反映出行為人在復(fù)雜環(huán)境中的決策機(jī)制。

弱目的性或無(wú)目的性的行人易受周?chē)臻g環(huán)境中視覺(jué)要素的影響，甚至改變預(yù)先設(shè)定的路徑，其空間選擇屬于視覺(jué)心理學(xué)理論的研究范疇。Penn和Turner[17-18]2002年提出自發(fā)性行人運(yùn)動(dòng)模型——體外視覺(jué)框架模型，其理論基礎(chǔ)是吉普森視覺(jué)生態(tài)理論和比爾的空間句法理論。該模型的研究目的在于通過(guò)靜態(tài)視覺(jué)觀察進(jìn)行空間認(rèn)知，關(guān)注空間形構(gòu)對(duì)行為的影響，其重視中觀尺度的集群性行為，且不考慮起點(diǎn)、終點(diǎn)、吸引點(diǎn)以及個(gè)體間的相互作用。該模型多適用于展覽類(lèi)空間，因其忽略了行為人的行動(dòng)計(jì)劃，故在商業(yè)空間中的模擬效果較差。

與視覺(jué)生態(tài)理論并行的視覺(jué)刺激理論是視覺(jué)理論中的另一分支。Merrill等[19]1996年提出人類(lèi)對(duì)外部環(huán)境的感知80%以上通過(guò)視覺(jué)實(shí)現(xiàn)。Krieg-Brucknerd等[20]于1998年認(rèn)為感官表現(xiàn)、行為表現(xiàn)和空間知識(shí)表達(dá)呈三角級(jí)關(guān)系進(jìn)行相互作用，三者共同作用下的信息集合度將引導(dǎo)行人的運(yùn)動(dòng)。Chen[21]于2011年首次提出視覺(jué)注意力模擬平臺(tái)，并通過(guò)實(shí)際案例進(jìn)行了驗(yàn)證。但由于其采用定性描述方式對(duì)吸引力進(jìn)行級(jí)別劃分，故精確性有待考證?；贑hen的研究成果，Wang等[22]于2014年首次提出了視覺(jué)吸引力的定量算法，雖完成了精確性驗(yàn)證，但是最終模型的參數(shù)賦值較為主觀。

Jalalian等[23]首次將行人行動(dòng)過(guò)程中頭部的擺動(dòng)及方向?qū)用娴奈⒉畹纫丶尤肫湟曈X(jué)模型，且基于視覺(jué)模型數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，探索視覺(jué)刺激與行人的位置、移動(dòng)速度及頭部朝向之間的作用關(guān)系，提出行人空間選擇的內(nèi)部作用機(jī)制。因模型缺少模擬驗(yàn)證，故其精確性有待考證。

2. 運(yùn)動(dòng)機(jī)制

運(yùn)動(dòng)機(jī)制的原理可以分為三種，分別是力學(xué)方程、行為規(guī)則和目標(biāo)優(yōu)化，例如社會(huì)力模型是基于社會(huì)力方程，通過(guò)合力引導(dǎo)行人行為，同時(shí)考慮環(huán)境障礙物的影響。

近年來(lái)的研究多為針對(duì)特殊環(huán)境提出的優(yōu)化模型。Kaneda等[24]建立了基于智能體的人流模擬平臺(tái)，通過(guò)適當(dāng)添加輔助目標(biāo)點(diǎn)及提出避讓障礙物的新算法，使智能體能夠在復(fù)雜環(huán)境中準(zhǔn)確選擇通行路徑，見(jiàn)圖4。Gaoqi等[25]建立了障影模型，提高了行人轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)模擬的精確性。Musse等[26]建立了群組行為模型，提出在博物館參觀行為中，群組運(yùn)動(dòng)方式更為突出。Loscos等[6]提出了群組運(yùn)動(dòng)模擬方法,指出在擁擠街道中行走，群體中個(gè)體間存在明顯的跟隨效應(yīng)。

除此之外，個(gè)體感受也是研究的重點(diǎn)。例如，Melnikov等[27]提出了基于人體熱感的數(shù)學(xué)模型,研究指明了熱帶室外公共空間中行人的運(yùn)動(dòng)特征，包括不同體感溫度位置點(diǎn)的行人運(yùn)動(dòng)速度差別較大，以及行人通常首先抵達(dá)遮蔭場(chǎng)所再繼續(xù)前行等。

圖4 輔助目標(biāo)點(diǎn)

三、結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)行為模擬和多智能體行為模擬進(jìn)行了文獻(xiàn)的梳理與分析。在行為模擬中，首先對(duì)宏觀、中觀與微觀視角進(jìn)行了對(duì)比總結(jié)；其次，對(duì)行動(dòng)計(jì)劃、路徑選擇和運(yùn)動(dòng)機(jī)制的交互作用進(jìn)行了分析說(shuō)明；再次，提出了精確性驗(yàn)證與效率性提高兩個(gè)主要目標(biāo)。

在智能體行為模擬中，起初界定了多智能體行為模擬方法在理論框架中的定位。隨后，分別對(duì)出行計(jì)劃、路徑選擇與運(yùn)動(dòng)機(jī)制三個(gè)層面的研究成果進(jìn)行了評(píng)述。

隨著行人行為模擬研究的不斷深入，基于行人社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、空間環(huán)境物理參數(shù)、行為經(jīng)濟(jì)學(xué)與視覺(jué)心理學(xué)理論的預(yù)測(cè)模型可為建筑精細(xì)化設(shè)計(jì)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。