基于行为模拟的户外公共空间研究综述及滨水关键问题探索*

杨春侠 詹 鸣 耿慧志 刘梦萱 吕承哲

0 引言

随着城市高密度发展，滨水区因其连续、开敞、亲水的空间特质而成为城市重要的休憩场所。但是，一些城市的粗放式开发却使滨水公共空间活力低下。在传统的小样本调研和经验式设计下，有些滨水空间的组织不能契合使用者的行为需求，例如：基面衔接不当，近水处以楼梯和陡坎而非台阶或缓坡连接不同标高基面，方便通行却不易吸引人久留；岸线形式单一，多为平直的高堤坝，降低了活动的亲水性和趣味性；建筑设置受限，公共建筑被限制在滨水绿带之外，无法支持长时间的逗留活动；设施配套错位，如座椅并未按需布局，与实际坐憩行为不匹配，等等。因此，如何建立真正符合行为活动需求的滨水公共空间是亟需探讨的议题。

近年来，行为模拟研究得到了国内外学者的广泛关注。其“智能化特点、分布式特征、自下而上的模拟方式”[1]，可以更好地呈现公共空间中自组织行为活动的情境。模拟结果不仅可以作为行为特征和行为需求的识别依据，也可以作为公共空间使用效率的评价依据。因此，以行为模拟辅助滨水公共空间的研究，有助于将滨水空间塑造与行为活动需求相对应，具有良好的应用前景。

研究通过对国内外文献数据库的统计与梳理，分析户外公共空间调研分析和行为模拟的相关热点，对主要文献和滨水相关文献进行解读，找寻现有研究的缺失。在此基础上，提出滨水公共空间休憩行为模拟研究的关键问题和突破方向，为相关理论研究与设计实践提供参考。

1 研究方法及数据来源

1.1 研究方法

CiteSpace是一款主流的文献可视化分析工具[2]，可对文献数据进行计量分析，清晰、直观地以图谱形式展示某一领域的研究热点与研究前沿[3-4]。研究以Web of Science和中国知网（CNKI）为数据来源，尽可能地涵盖国内外重要文献，筛选建筑、规划和景观等学科的文献。借助CiteSpace统计文献数量的时间分布来呈现研究发展脉络，做关键词共词分析以展现研究热点、做文献聚类分析以总结研究前沿。

1.2 研究对象

目前，行为模拟的理论与实践研究主要集中于交通疏散行为，关于日常休憩行为的研究涉及较少；主要面向室内空间，对于户外公共空间的研究才刚起步；针对滨水公共空间的专门研究极少，并且尚停留于滨水安全疏散研究，缺乏针对滨水休憩行为的系统探究。考虑到户外公共空间包括广场、公园、街道、滨水区等，滨水区是重要的户外公共空间类型，而滨水公共空间内部也包含广场、公园等其他户外公共空间形式，而且这些户外公共空间研究也多以休憩行为为主，因此可以扩大研究对象，以户外公共空间为范畴，从“调研分析”和“行为模拟”两个方面开展相关研究，为基于行为模拟的滨水公共空间研究探寻方向。

2 户外公共空间的调研分析

以“滨水（waterfront）”与“步行行为（walking/pedestrian behavior）”为检索词进行检索，结果为外文11篇，中文8篇。以“建成环境（built environment）”①“公共空间（public space）”“步行行为（walking/pedestrian behavior）”为检索词进行检索，人工筛选后获得外文文献1 272篇，中文文献156篇。

从文献的时间分布来看，外文文献2003年之前年文献量在5篇以内，之后逐年增长，至2018年达到125篇，近两年研究热度提升，2019和2020年分别达到189篇和174篇；中文文献2009年以前数量很少，之后逐年增长，2019年达到27篇（图1）。

图1 中英文文献发表年份分布图Fig.1 Publication year distribution of Chinese and English literature

从关键词共词分析来看，除去检索词，国外研究热点为体育活动、健康、土地使用、可步行性等；国内热点分散，有步行空间、城市设计、可步行性、步行环境等（表1）。

表1 “户外公共空间的使用状况”中英文关键词词频和出现年份Tab.1 “the use of outdoor public space” frequency and year o of Chinese and English keywords

从文献聚类分析来看，研究对象从步行行为细化到行为改变（#3）、决策制定（#9）等，并探索与城市干预（#6）和城市健康（#7）等的关系；进一步地，探讨户外公共空间的诊断和评价，关注可持续性（#2）、可步行性（#5）和测度（#4），出现了子聚类户外热舒适、可步行性指数、步行适宜性指数等；2009年引入了模拟（#0），子聚类出现了人机对话、建模和模拟、决策地图等，通过行为模拟技术推动户外公共空间的使用状况分析向精细化发展（图2）。

图2 “户外公共空间的使用状况”文献聚类分析Fig.2 Literature cluster analysis of “The use of outdoor public space”

2.1 数据收集：人工调研到多源数据

使用状况分析的深度有赖于数据收集的方法与质量。国外20世纪60年代起就有问卷、行为地图、跟踪、录像等多种人工调研方法，数据采集直观有效。之后，一些新工具被逐步引入，如手持式GPS、红外线传感器、Wi-Fi探针、可穿戴设备等[5-6]，可以实时记录，数据更加精细。2000年以来，多源数据兴起，范围广、时段全，为时间维度的记录、模拟、重演提供了支撑，如交通数据和定位数据反映了市民出行行为与空间、时间的关系[7-8]。针对滨水公共空间的研究，王伟强和马晓娇、周广坤和林轶南、王鲁帅等[9-11]分别依托多源数据对上海市黄浦江滨水公共空间进行了活力评价，基于滨水公共空间中的人群密度等指标，从空间维度和时间维度，整体层面和重点区段层面，环境、经济和社会效益等多个方面进行研究。上述方法中，长期主导的小样本现场调研费时费力、样本量小、连续性弱，难以准确把握空间与行为的关系。虽然在新工具引入之后，提高了连续性，但有时因受试者配合度低而数据缺失，影响分析结果。多源数据可以获得海量信息，有力地支持了动态分析，但是只能获取现在与过去已发生的数据，且精度有限，缺乏对个体数据的精细收集和行为多样性的考量，因此主要支持宏观或中观层面的现状场地研究（表2）。滨水公共空间中的休闲行为多样而随机，探讨符合滨水行为需求的公共空间，微观行为数据的搜集不可或缺。

表2 行为数据主要收集方法Tab.2 the main collection methods of behavioral data

2.2 分析方法：统计分析到偏好与行为分析

更丰富的调研方法和数据来源带来了分析方法的拓展。传统的数理统计通过相关性或多元回归分析，获知空间要素对行为的影响力，如金永国（Kim Y G）和金英亨（Kim Y H），邵彬[12-13]分别以首尔汉江和上海黄浦江滨水公共空间为例，通过相关性分析获知关键影响要素。后来发展了显示性偏好法（reveal preference, RP）和叙述性偏好法（state preference, SP）[14-15]，以个人陈述和判断为依据，分析人群对空间环境的偏好程度。如杨春侠等[16]用叙述性偏好法让受试者对黄浦江理想要素组合进行选择，获得了驻留偏好的影响要素和权重。随着行为模拟技术的引入，拓展了时间维度的动态分析，可对空间与行为的交互关系更加精准地模拟和解析[17-18]。相较而言，数理统计和偏好法属于静态分析，无法反映随时间变化的空间和行为的交互关系。数理统计研究往往数据量小、分析因素不够全面，在空间要素的影响程度剖析上难以深入，成果多以描述性分析居多，缺乏系统的空间对行为影响内在规律的深层剖析。偏好法从人本角度分析环境的友好程度，结果与个人陈述的准确性和样本量有关，且显示性偏好法要求项目已投入使用，叙述性偏好法则多为假想情境。行为模拟技术的引入为环境与行为交互关系的动态分析带来了可能，但目前多用于交通便利性分析，需要探讨适用于休闲空间中随机行为的模拟分析方法。

2.3 状况诊断：空间视角到行为视角

在分析的基础上，可以对公共空间的使用状况进行诊断。从空间视角出发的研究更多关注物质环境要素，诊断维度主要参考瑟夫洛·罗伯特（Cervero R）和卡拉·科克曼（Kockelman K）提出的密度、多样性、设计的3D维度[19]，以及在此基础上里德·尤因（Ewing R）和瑟夫洛·罗伯特（Cervero R）引入目的地可达性、交通距离而形成的5D维度[20]，诊断指标以空间要素的面积、尺度、数量等静态指标为主。随着对人本的关注，从行为视角出发的研究逐渐受到重视，并开始引入动态行为的诊断[21]，出现了波动指数、重访率等诊断指标。总体来看，公共空间的诊断维度和指标多样而分散，针对休闲空间，大致可以梳理出通行、驻留、活力等维度，以及若干空间与行为、静态或动态的指标（表3）。滨水研究绝大多数沿用一般公共空间的诊断分析方法，指标主要指向空间连续性和活力[26-28,33,37,46]，缺乏针对滨水特质的诊断维度和指标，如对远水、近水和临水等不同空间分区的细致诊断不足，对亲水便利性的专门解读也不充分等。

表3 休闲空间使用状况诊断的相关文献梳理Tab.3 related literature of leisure space use diagnosis

3 户外公共空间的行为模拟

以“滨水（waterfront）”与“行人（行为）模拟（仿真）（behavior simulation）”为检索词进行检索，结果为外文文献2篇。以“行人（行为）模拟（仿真）”为检索词进行检索，人工筛选后获得外文文献1 306篇，中文文献857篇。

从文献的时间分布来看，外文文献2001年前年文献量在5篇以内，之后逐步上升，2014年以来年文献量均超过100篇，2019年达到峰值160篇；中文文献2005年之前年文献量在5篇以内，之后稳步增长，2016年以来基本都在80篇以上（图3）。

图3 中英文文献发表年份分布图Fig.3 Publication year distribution of Chinese and English literature

从关键词共词分析来看，除去检索词，国外研究热点为动力学、模型、疏散、流量等；国内热点为社会力模型、元胞自动机、疏散、轨道交通等（表4）。可见，交通疏散是主要研究方向。

表4 “户外公共空间的使用状况”中英文关键词词频和出现年份Tab.4 “the use of outdoor public space” frequency and year o of Chinese and English keywords

从文献聚类分析来看，机动车的行为模拟是主导（#5, #8, #10）；虽然步行行为模拟有所涉及，但关注交通疏散行为（#2）和群体行为（#6）；随着多代理系统（#4）与智能体模型（#3）的出现，不同群体的多样行为模拟成为可能，子聚类又将模拟人群细分为儿童、青年、老人等，模型建构关注自组织模型、自主代理、路径选择等；2016年开始，更加关注人本为中心的模拟研究（#11，图4）。

图4 “户外公共空间的行为模拟”文献聚类分析Fig.4 Literature cluster analysis of “Behavioral simulation of outdoor public space”

3.1 应用范畴：室内疏散到户外休憩

从行为模拟的应用范畴来看，国外研究更早地从小尺度的建筑空间和交通节点向大尺度的户外公共空间转变，涉及历史街区、商业街、广场等，从关注疏散行为向休憩行为拓展。如凯文·莫雷尔（Kevin M）等[50]对户外休憩区域进行模拟，证明休憩行为常使用最短路径和加权路径；瓦伦丁·梅尔尼科夫（Valentin M）等[51]模拟了户外空间的热适性行为，包括速度和方向改变、热吸引或排斥等。国内对户外公共空间的研究多以行为流线相对简单的线性商业街、封闭园区等为主，以购物或游览流线的模拟，为空间布局和功能配置提供依据，提升游客体验和安全保障，如王德等[52]对青岛世园会方案的游览轨迹预演和王硕[53]对北京南锣鼓巷景区的集聚模拟预警等。仅有2篇外文文献涉及滨水区，都聚焦疏散行为，刘元雨（Liu Y）和金田敏之（Kaneda T）[54]针对2014年上海外滩踩踏事件，通过模拟比对提出优化措施，西迪·乔纳森（Sidi J）等[55]通过模拟马来西亚古晋滨海景区的交通拥堵情况，提供了最佳游线。由此可见，多代理行为模拟是研究前沿，但是多关注交通疏散行为，户外公共空间的休憩行为虽有一定研究，但涉及滨水区时仍以交通疏散行为为主，而国内文献相对集中于行为流线相对简单的线性商业街、封闭园区等。

3.2 运行原则：概率原则和机制原则

行为模拟的核心是运行原则，是对仿真空间和行为关系的架构，主要包括概率原则和机制原则。概率原则根据行为数据推算到达、路线选择、离开等行为的概率分布，模拟时需要假设概率分布不变，适用于行为活动规则且稳定的场地。机制原则通过分析空间对行为的影响规律，代理粒子依据规律做出行为决策，如在商业消费机制研究中，或是将流线分段，建立入口消费机制、回游消费机制等[49,56]，或是依据不同类型店铺对消费者的吸引力设定三级、四级等权重级别[53,57]，吸引粒子改变行程。相比于概率原则，机制原则灵活性较高，更适合随机行为模拟。但现有研究多应用于商业消费行为，针对商业街中相对单一的消费行为，关注商店这一空间要素类型对消费者的吸引，忽略其他设施的影响，这对于以购物为主的商业街研究是可行的，但是并不能直接运用于滨水公共空间研究。对于复杂程度更高、要素更丰富的滨水公共空间和由此产生的多样随机行为的交互机制尚需进一步分析，这也是滨水公共空间休憩行为模拟的核心研究内容。

3.3 模型建构：单个模型到组合模型

有了运行原则就可以开展模型建构。多数研究借助单个既有模型，如元胞自动机、社会力、智能体、磁力、移动效益、格子气模型等，要求实际行为规律与模型运行原则相匹配（表5）。为了提高模拟的精细度，少数研究改进单个既有模型，以更加贴合实际行为状态。如陈炯晖（Chiung-Hui C）[58]借助视觉注意力理论，改进智能体模型（Agent-based Model, ABM），在模拟橱窗消费行为时更为准确；宋筱（Song X）[59]等利用非线性出口分配策略，改进社会力模型（Social Force Model, SFM），避免了出口处疏散容量失真的问题。进一步地，当空间对行为的影响规律更为复杂时，少数研究尝试组合模型，用于复杂疏散行为模拟。如宇野惠介（Uno K）和喀左柏山（Kashiyama K）[60]在洪涝灾害疏散模拟中，用GIS数据、智能体模型、虚拟现实分别进行环境建模，疏散模拟和灾民感受测试；唐方勤等[61]在多层协作疏散模拟中，采用智能体模型、地理信息系统和元胞自动机组合构建人员描述层、建筑环境层与驱动转换层，都取得了更逼真的模拟效果。总体来看，模型建构上主要借助既有模型及改进，极少数研究采用组合模型。而在组合模型建构时，为了提高粒子的自主性，组合中常包含智能体模型。针对滨水区的行为模拟文献很少，尚停留于对滨水疏散行为的研究。上述两篇滨水区文献主要采用既有模型的改进，在模拟疏散行为时较为有效，但还未涉及对滨水休憩行为的模拟。

表5 常用的微观行为模拟模型Tab.5 frequently used microscopic behavior simulation model

3.4 拟合分析：定性拟合与量化拟合

模型运行之后，拟合非常关键，判断模拟情境是否贴近实测场景，以验证模型是否可靠，拟合后的模型也可以更加精准地呈现空间对行为的影响规律。多数研究采用定性拟合，对实测与模拟的分布图、轨迹图、折线图等进行直观对比，拟合度依赖研究者的经验推断。近年来，为了提高拟合度，量化拟合逐渐受到重视，但多关注整体空间的拟合。如郭昊栩等[62]和朱玮等[63]在消费行为模拟中，应用数理统计量化拟合后，总体空间拟合度都较好，但前者对各层空间的拟合欠佳，后者对非步行街道段和单个商店的拟合不理想。综上所述，定性拟合仍是主导方法，结果与研究者的主观判断相关，因此需要更加重视量化拟合的介入，以提高拟合度。而在已有的量化拟合研究中，重总体轻局部，缺乏针对公共空间局部的量化拟合方法，使得拟合效果往往总体较好，局部欠佳。

4 滨水公共空间休憩行为模拟研究的关键问题和突破方向

国内外已有研究成果从关注空间到关注行为、从宏观到微观、从静态到动态，有精细化发展的趋向。当研究进一步拓展到滨水公共空间这一特定对象时，随着空间复杂性和行为随机性的增加，迫切需要对空间与行为关系的不同研究方法进行整合和优化，并在已有研究基础上关注以下关键问题和突破方向：

4.1 如何更加精准地探寻滨水使用者的行为偏好

滨水行为随机性强，使用者在离水不同距离的区域行为偏好会有差异，而不同社会经济属性带来的人群异质性使这种差异更加复杂，因此，更好地掌握使用者的行为偏好是滨水公共空间中行为模拟能够顺利开展的先决条件。

从户外公共空间的分析方法来看，偏好法是专门针对行为偏好的研究方法，但以个人陈述和经验判断为依据；行为模拟可以直观地呈现空间对人的影响，但需要有准确的空间与行为交互关系作为运行原则。相比于显示性偏好法，叙述性偏好法可以人为设定比实测场景更多样的选择可能，获得使用者对假想要素配置和组合情境的偏好，使行为偏好研究结果在应用于滨水公共空间城市设计方案优化时更具可行性。因此，滨水研究中可以将偏好分析与行为模拟相结合，通过显示性与叙述性偏好法分析获取使用者对实际和假想场景偏好的个人判断，用行为模型开展行为偏好模拟与拟合，更加精准地掌握滨水公共空间要素影响行为偏好的规律。

4.2 如何对滨水复杂空间中休憩行为进行仿真模拟

滨水公共空间拥有独特的基面、岸线等要素，管控更严格，要素更丰富，同种要素又因离水远近不同而对人群的影响有差异；滨水休憩行为随机性强，与交通疏散行为相比，不同人群行为差异性大，舒适距离更大，与商业购物行为相比，行为类型更丰富，吸引点反应更多样，行为轨迹更不确定等。

在行为模拟方法中，多代理行为模拟遵循人群的异质性，按照不同使用者行为特征来设置代理粒子群，“通过能自动执行任务的代理粒子群的合作，解决复杂问题”[1]，适合模拟滨水区这类非线性、信息模糊、个体互动和随时空变化的情景。从前述模型建构研究来看，单个既有模型很难再现滨水更加复杂的空间和随机的行为，需要提出针对性较好的模拟模型。对既有模型改进或建构组合模型是滨水研究较为可行的选择。前者需要考虑更加丰富的行为类型模拟，适合休憩行为的舒适距离设置，更精细的吸引点反应设置等。后者需要选取两种或多种既有模型，并选择适合的软件平台进行模型组合。由于智能体模型可以将代理粒子群按照人群属性分类，赋予不同代理粒子群环境感知、交互感知、心理压力度感知等主观意志[64]，有助于建立更加精准的行为决策机制，因而可以成为滨水组合模型的重要构成。同时，智能体模型对同一空间内不同代理粒子群运行规则的建立，也可以改变已有研究在多样行为交织的机制原则建立方面的缺失。

4.3 如何改进拟合方法使模拟情境更加贴近实测场景

滨水行为在空间中的分布比较随机，而且随时间更替变化较大，如果仅采用依赖研究者个人经验判断的定性拟合方法，无法很好地判断行为模拟结果是否能呈现实际行为状况。因此，模型拟合时要强调以下几个方面。首先，要对分项情境进行模拟和拟合，如不同时段（通勤高峰/闲暇时段），不同分区（远水/近水/临水），不同人群（老人/中年人/儿童）等，使模型拟合更加全面和细致。其次，已有研究多采用定性拟合，滨水研究要将定性与定量拟合相结合，发挥定性拟合快速、高效掌握两者差异的优势，并通过量化分析提高拟合的精确度。最后，已有研究多关注整体拟合，滨水研究要强化局部空间的精细拟合，这是提高模型拟合度的关键。考虑到滨水公共空间要素的吸引是人群改变行为状态，促成行为随机性的主因，因此对滨水关键要素吸引范围内人流量的实测和模拟数据进行数理统计分析，有助于提高重要节点部位的拟合度，从而使模拟情境更加贴近实测场景，以建立较为理想的滨水公共空间行为模拟模型。

4.4 如何建立适合滨水公共空间的综合测度指标体系

从户外公共空间的状况诊断研究可以看出，随着城市高密度发展，人与空间的关系变得日趋紧张和微妙，以行为视角评价空间与时间的效率愈发受到重视[65]，这也应成为滨水研究的出发点。状况诊断研究梳理出了通行、驻留、活力等维度及若干指标，滨水公共空间可以有针对性地采纳，进行完善，建立适用于滨水场地和行为特征的综合测度指标体系。亲水行为状况反映了基面、岸线等滨水特有要素的配置与组织是否合理，亲水便利是滨水公共空间有别于其他城市空间的特有诊断维度。而驻留率（驻留人流在整体人流中的占比）的高低表明空间对使用者的吸引力大小，更能反映滨水公共空间的品质[13]。由此，滨水研究可以从通行顺畅、驻留舒适和亲水便利等三个维度，开展全方位的诊断。然后，分析模型输出的常规指标与滨水空间、行为特征的关系，有所界定地转换与纳入指标体系，使可以充分反映滨水公共空间的外部可达和内部通畅、群体驻留和个体驻留、总体亲水和沿岸亲水的状况，建立一套系统的综合测度指标体系。在此基础上，结合行为模拟输出的精确数据，可以更加量化的对滨水公共空间使用状况做出全方位的评价。

5 结语

“十四五”期间，城市数字化转型将被大力推动，强调城市开发的前瞻规划和动态推演，实现可视化、可验证、可诊断、可预测、可学习、可决策和可交互的“七可能力”[66]。在这种背景下，需要探寻更加科学、精细、智能的滨水公共空间设计与开发方法。基于行为模拟的滨水公共空间研究可以从自组织行为活动出发，探究滨水公共空间与使用者的复杂互动现象，通过自下而上地呈现使用者行为活动过程，为建立真正符合行为活动需求的滨水公共空间提供另一种视角的参考。

注释

① 文献检索发现，许多外文文献在户外空间研究中常采用“建成环境（built environment）”为主题词，因此加入了这一检索词，避免许多有效的文献不被屏蔽。