“元宇宙”视域下基于互联网虚拟实验的公共建筑人流模拟研究

孙澄宇，邹明妍，李舒阳

0 引言

人流运动特征的预测与应急疏散、建筑前后评估、步行交通密切相关[1]。2021 年，元宇宙热潮席卷全球，一个结合物理、增强或虚拟现实的“共享在线空间”使主流虚拟发生了巨大变化，虚拟环境走向用户可感知的虚拟宇宙。随着大数据、物联网、5G 移动网络等技术的进步，元宇宙成为集合多种前沿技术的新兴互联网应用程序，通过高速网络传输大量数据，减弱数据延迟带来的弊端，虚拟实验开始在元宇宙中进行，即在元宇宙中创建三维场景并通过Web 接口（网页）显示给最终用户，参与者不受地域时空限制，利用网络、VR 设备体验具有无限潜力的虚拟世界，并以独特的方式与虚拟人偶交互[2-3]。元宇宙的持续发展为人流模拟研究提供了新的契机，为建筑学研究带来了新的机遇。本文以上海浦东国际机场卫星厅S1 航站楼为例，探索元宇宙在人流模拟的应用。

1 研究方法

1.1 元宇宙视域下人流模拟的工作流程

本文所提出的元宇宙视域下人流模拟以互联网虚拟实验为技术手段，包括服务器端、Web浏览器端、展示端3 部分协同工作。服务器端将特定轻量化的虚拟世界（虚拟建筑空间、虚拟人偶），通过互联网传递至Web 浏览器端，参与者可以不受时空限制登录浏览器端并完成虚拟任务，其真人寻路行为数据被实时传回服务器端，存入数据库；当其数量未达到设定的判断阈值时，虚拟人偶被随机路径驱动；相反，则启动“时空挪移算法”驱动虚拟人偶。展示端进行大量路径（被试路径信息、虚拟人偶路径信息），即人流模拟结果的可视化展示（图1）。

1 元宇宙视域下人流模拟的工作流程

1.2 时空挪移算法

元宇宙视域下的人流模拟以虚拟人偶的驱动机制为核心。本文提出“时空挪移算法”，它将实验初期获取的有限数量的真人原始路径，源源不断地转变为符合真人路径特征的“真人变换路径”。整套算法以基于活动的模型（Activity-based Model，ABM）为基础，将行人在常态下的一条连续的长路径理解为一条活动链，包括一系列沿途活动A 及其之间的路径P。根据既有的ABM 研究推断，同一位行人，如果曾经在完成活动Ai 后，高概率选择了活动Aj，那么预测他今后完成活动Ai 后仍会高概率选择活动Aj。如果曾经在活动Ai 与Aj 的位置之间高概率采取路径Pij，那么预测他今后从活动Ai 位置移动到活动Aj 位置，仍会高概率采用路径Pij[4-5]。因此，可以从一整条被试路径中按活动位置截取子活动链，充当最接近该被试的局部寻路反应，即为“空间切片”操作（图2）。此外，既有的ABM 研究表明，不同性质的活动（如购物、就餐）对时间的敏感程度不同，如果所有活动都属于对时间因素不敏感的，那么即使在其他时间发生，活动前后的组合关系、相关路径，都保持不变[6-7]。因此，按“空间切片”操作获得的一条某位被试的真实子活动链，在一定条件下也可以“平移”其发生的时间，并保持其中各项活动与路径的耗时，即为“时间平移”（图2）操作。上述两种操作构成了“时空挪移算法”，它利用一条完整的“真人原始路径”，变换出最为接近该路径被试寻路反应的多条“真人变换路径”，驱动虚拟人偶的移动。

2 时空挪移算法示意

2 元宇宙人流模拟的应用案例

2.1 元宇宙平台搭建

本研究利用Rhino 3D 软件搭建了低细节水平三维模型，并按建筑空间等特征，分成若干渲染单元。每个渲染单元包含一个三维局部模型和一个位于其中心位置的高清全景图，经过配准后，每张全景图的画面细节被当作贴图动态附着于任意模型上，构建S1 航站楼国际出发层的虚拟建筑空间，并利用Unity3D 软件开发12 种虚拟人偶个体模板，搭建了元宇宙虚拟实验平台（图3）。元宇宙内的在线虚拟寻路任务以虚拟登机牌的形式提供给被试，从S1 航站楼国际出发层的垂直到达位置出发（A-D），经过一个途经点后，及时到达目标登机口（图4）。

3 元宇宙虚拟实验平台

4 在线虚拟寻路任务的起点与目标登机口

2.2 互联网虚拟寻路实验开展

团队通过互联网发布实验邀约与说明，被试可自行登录元宇宙虚拟实验平台（http://pvg.plans.run）领取寻路实验任务（图5）。2021 年10 月，共招募435 名在线被试，其中男性211名，女性224 名，在72 小时的在线实验开放期内采集了13,712 人次的寻路路径数据（有效数据13,010 条）。

5 元宇宙虚拟实验平台的入口

2.3 人流模拟结果可视化

服务器记录的元宇宙平台内被试的有效寻路路径数据构成了人流模拟的原始数据，每个数据样本都详细描述了虚拟世界中被试寻路的时空信息。人流模拟结果为寻路数据的可视化，包括三维场景中被试与人偶寻路过程的动态可视化（图6）、二维平面中寻路路径叠加的静态可视化（图7）。

6 0.17人/m2密度下人流动态的三维可视化

7 寻路轨迹叠加的静态可视化

3 结语

文章探索了元宇宙在人流模拟方面的应用潜力和潜在价值，虽然距离“元宇宙”在建筑领域的成熟应用还有较大的探索空间，但随着技术的深层演进，元宇宙将为虚拟世界提供更高水平的沉浸和互动感知体验，以更加先进的技术形态赋能建筑研究。□