基于多代理模擬的公共空間生形研究
——以衡復歷史文化風貌區復興路片區為例

■顧卓行 GU Zhuoxing 楊春俠 YANG Chunxia

20世紀60年代以來，越來越多的學科通過復雜性科學的研究方法拓展科學研究視角，很多學者使用“涌現”一詞來描述由底層個體之間的邏輯多次迭代后形成的宏觀復雜統一表征狀態，約翰·霍蘭德（John Henry Holland）在《涌現·從混沌到有序》一書中，多次用這一概念來解釋自然現象[1]。其對復雜性科學獨特的形態學解釋，啟發了規劃、建筑等學科對于非線性概念的進一步思考。

經典城市設計與管理一般遵循“自上而下”的模式，從宏觀布局、軸線控制向空間形態、空間設施等微觀要素逐步延展。然而，在空間的實際使用中，人群行為遵循“自下而上”的規律發展，人們根據自己的需求、喜好去改造和選擇空間。北京大學陳彥光教授長期研究城市自組織機制，并提出：自下而上發展的有機群體作為一個復雜系統具備巨大的潛力，它能夠根據外界變化而變化，產生更好的適應性。諸多思想啟示我們，利用數字化設計技術與思維，可以嘗試更多精細化、多元化、生態化的空間組織模式。

1 以復雜性切入城市空間生形

早從簡·雅各布斯（Jane Jacobs）開始，城市空間中人群活動的機制與結果便逐漸成為城市研究和評價的重要因素。而由于計算機技術的介入，人群活動的復雜特征能夠更輕易地被捕捉，得到更客觀的記錄與展示?？傮w來說，通過計算機建模模擬是一種有效的觀察復雜系統演變的手段，因此，城市公共空間人群活動也能夠被模擬并加以研究。集群主義倡導者尼爾·里奇（Neil Leach）提出自組織集群系統的自洽關系可分為系統內部的聯系、系統與環境的聯系、系統與系統之間的聯系。這為以復雜性為切入點研究城市系統提供了便捷的依據，通過這三方面的聯系構建，可靠的城市復雜系統動態模型能夠被模擬并應用。

1.1 系統內部的聯系

從個體出發研究動態系統內部關聯的探索中，生物學家林頓梅伊爾（Aristid Linder Mayer）于1968年提出L系統邏輯鏈條。其首先通過觀察植物的生長邏輯和過程，總結其生長步驟與形態特點，再用計算符號指代初始條件，并規劃演變邏輯。最終通過迭代計算，形成的演變結果的符號集合呈現特殊的規律，從形態中反映則是一些分形圖案。圣塔菲研究所創立的生命游戲程序中所謂的元胞自動機（Cellular Automata）也是較早期用于表示單一系統內部聯系的工具，其矩陣中的個體通過固定的規則不斷地迭代，整體上形成一個不可預料的圖案[6]。

L系統在現在看來是一個基本的編程方式，但其很好地展現了由于系統內部單一關聯，最終形成一個整體的、不可預料形態的全過程。相對于L系統的線性運算過程，元胞自動機以元胞單元為個體與周圍單元互動，使得模型增殖結果更加多樣，元胞之間不斷地進行關聯迭代，并且這種關聯可以運用于立體元胞中，那么一個元胞需要與周圍26個元胞進行關聯[2]（圖1）。

1.2 系統與環境的聯系

曼紐爾·德蘭達（Manuel DeLanda）于“新唯物主義”中概述：客觀物質世界的形成決定于主觀意識與認知[7]。在德蘭達的觀點看來，物質空間以及城市空間在本質上擁有無限形式的可能性，但是由于各類系統（使用者群體、街道系統、城市管理系統、城市經濟市場）自我意識的影響與選擇，使得其無限的可能性最終呈現于人們現在所感受到的物質空間形式。

著名的弗雷·奧托（Frei Otto）通過“濕網格”（Wet Grid）實驗形成了形態復雜的羊毛網絡圖樣[6]。相對于簡潔的L系統與元胞自動機原理而言，羊毛網絡想要形成其圖案需要與水環境以及其中的各種雜質相互作用而成型。城市設計的探索中，Kokkugia事務所通過構建多代理系統使得其形成類蟻群狀圖案，但是，為了城市設計最終能夠落地，類蟻群分布的圖案被現實城市空間干涉，并且由于功能多樣分布與景觀環境要素的同時干涉，形成了最終可實施的類蟻群分布公共空間結構。

對于形態的解釋中，德蘭達將城市系統與城市形態之間的關聯描述為一種不可見的“力”，城市空間的形成是這種力驅動的結果[3]。因此，在城市系統的研究中，系統與環境之間的聯系是關鍵的對象，例如人們每天上班經過的街道，人們步行、駐足、消費等行為決定了街道的形態，人們之間的生產關系成為了這個不可見的“力”。

1.3 系統之間的聯系

20世紀90年代，吉爾·德勒茲（Gilles Deleuze）在電子傳媒領域通過“塊莖論”（Rhizome）解釋了在萬物互聯的互聯網時代，以及變化速度極快的數字傳媒中，社會關系網絡的“塊莖化”形態概念[7]。在復雜系統網絡中，信息與物質、能量的傳遞并不是以肉眼可見的形式進行，并不那么容易被明確地感知，系統與系統之間的關系網絡像植物的根（塊莖）一樣深埋地下，而最終的表現形式只是我們看到的地面植物樣貌。

在復雜的城市環境中，系統與系統之間的關系也遵循“塊莖”模式。而德勒茲通過用黃蜂群與蘭花的互利共生關系，說明了系統與系統之間將會依賴龐大的聯系網絡而形成一個可供感知的外部形態[6]。城市拓撲形態在建設者與使用者的影響下不斷發展，其自身網絡聯系形態也客觀存在，但并不容易被察覺。而客觀中被察覺的形態多半是基于系統與系統之間的互利或相互協調的結果。因此，在構建集群研究模型中，集群與集群之間互動邏輯的制定，不可避免地需要考慮到“塊莖論”的原則。

圖1 元胞自動機空間蔓延實驗示意圖

2 復雜系統生形前期準備

數字集群多代理系統是良好的媒介，并用來指代城市空間中的各類系統（人群、車流、人口密度、商業設施等）。本研究選取具有一定文化歷史特色的上海老街區衡復歷史片區，嘗試利用多代理系統構建共識自主性互動規則，并使其與現存公共空間互動，從而形成路徑，將區域中重點建筑聯系起來，形成新的片區公共空間結構設計。基本步驟為：首先，建立粒子群的“個性”行為準則，使得粒子個體能夠在空間中依照研究設立的規則移動，并且粒子之間互不干擾；其次，粒子群體之間的互動以及粒子與場地之間的互動可以被賦予特殊“規則”，調整參數，從而獲得特定的粒子群分布圖樣；最后，提取上述粒子群自組織過程中的信息分布，包括空間坐標、速度向量、作用力系等[5]。

上海市徐匯區衡山路與復興路之間的街區簡稱為衡復片區，從20世紀20年代至新中國建立，這里為市民的公共活動與居住提供了主要場所，因此，區域中云集了大量的歷史文化建筑。在4.3 km2的街區內，其建筑群由上海市政府認定了950棟優秀歷史保護建筑，1 774棟保留歷史建筑，2 259棟一般歷史建筑。研究實驗場地選取基地北臨復興西路，東臨永福路，地塊內部云集巴金故居、趙丹故居、柯靈故居、良友公寓，以及上海市房地產科學研究院、國家財政部上海監管局等優秀歷史建筑與單位。片區中諸多花園洋房和公寓與重要歷史保護建筑一起形成了較有特色的上海歷史街區肌理（圖2）。

因此，在其緊密而曲折復雜的城市空間肌理的基礎上，優化其公共空間結構，使得區域優秀歷史建筑群落能夠互相緊密聯系、聯通、可達，并優化其公共空間網絡的多樣空間尺度以匹配更多的活動形式，形成較為有利的更新策略。所以，在此研究方案中，嘗試通過自主共識性集群粒子算法，使得優秀歷史建筑之間通過粒子共識而形成主要的公共空間結構，以尋找適宜的主要公共空間布局與尺度。與此同時，調節自主共識群體粒子的離散尺度與信息傳遞尺度，使得其組織結構彌散化，以復雜場地中更加豐富的漫游路徑，為豐富的公共空間層次與結構打下基礎。

3 集群多代理模擬與生形

搭建自主共識性多代理系統模擬媒介，能夠將歷史建筑保護群落復雜系統與其空間尺度系統聯系起來，需要將粒子群的位置信息與運動信息作為生形基礎。計算機語言編寫的多代理系統，從代理個體的互動規律入手，建立扁平化組織機構，使得代理整體能夠涌現特殊形態。倫敦大學學院的一年制建筑碩士課程（master of architecture）、澳大利亞皇家理工學院建筑系的諾蘭德斯努克斯等，都利用數字化自由多代理系統開始探索其生形能力并得到了大量作品[7]。本研究中嘗試通過給予粒子之間尋找共識路徑的算法而形成互動規則，從而創造“自主共識性粒子”。在探索中主要分為兩個步驟：①塑造自主共識性粒子與運動規則，使得集群粒子群能夠形成類似螞蟻巢穴、突然龜裂紋等自然連續的非線性空間機理（圖3）；②在環境中設置粒子群起始點與經過點，以使得基于粒子群生成的公共空間系統能夠聯系重要保護建筑，并通過公共空間節點[8]。

3.1 塑造自主共識性粒子與運動規則

自主共識性起源于生物學界，其英文表述來源于生物信息激素一詞（stigmergy）。生物學家們發現，很多生物群體能夠形成一定的社會組織，并且這些組織呈現一定的結構，從而涌現出各類自然形態，例如：螞蟻洞穴、蜜蜂采蜜路徑、動物的遷徙等[8]。這些生物并非擁有人類復雜的語言交流系統，而是通過一些簡單的化學激素來刺激同類，從而使得同伴產生跟隨、排斥等簡單動作，最終形成具有特殊外在結構特征的群體組織[8]。因此，通過計算機語言模擬自主共識性行為，需要將空間劃分為空間網格（simulation cellular matrix），并使得信息能夠被網格所記錄，而其他粒子的運動能夠根據網格儲存的信息而做出改變。這樣類自主共識性邏輯就能夠被建立。

圖2 衡復歷史文化風貌區建筑現狀

圖3 自主共識粒子群形態網絡與參數變量示意圖

以自主共識性規則作為粒子互動原則，這樣的粒子群能夠自己在空間中“繁殖”，并且根據設計者的需要將重要的建筑聯系起來，并通過核心公共空間，其形成的形態就是一個將重要建筑與公共空間節點整合起來的整體結構。同時，我們可以明顯看到，自主共識粒子群的涌現形態與建筑群原有肌理非常不同，這為這一片區的形態更新提供了新的依據與機會（圖 4）。

共識自主性（Stigmergy）的自組織形態能夠根據其關鍵互動關系的條件而演[9]。在數字化共識自主性的構建中，粒子主要通過識別其他粒子運動中的遺留信息而調整自身的運動方式。所以，可以通過調節粒子的識別信息參數、粒子運動參數，影響粒子群的最終肌理與空間結構。識別信息參數有：粒子視角寬度（visual angle）、捕捉范圍（visual range），運動參數包括：影響因子（phe，預留信息對粒子速度或加速度的影響比例）、粒子速度（speed）等參數。在一些適當的參數體系下，可以看到粒子群形成大量的聚集，并通過主要公共空間節點連接周邊重點建筑；相反的，粒子群又可以形成稀疏的網絡形態，均勻地在場地中分布，但其路徑都清晰地連接在一起。這樣，自主共識粒子能夠形成連續的、具有不同尺度的公共空間體系（圖5）。

3.2 粒子群起始點、經過點、軸線的應用

利用自主共識性粒子的自組織網絡形態特點，需要設定代理系統空間的起始點、經過點、目的點，使得公共空間體系串聯成整體。在場地片區形態生成中，將優秀歷史建筑、保留歷史建筑、名人故居等作為主要起點與終點，企圖使用粒子群體尋找它們之間的優化公共空間體系[8]。而與此同時，研究地塊中已經擁有大量的自發城市形態，這些可以保留也可以改建的區域能夠與自主共識空間并存，在更新方案中尋找其保留區域、改造區域，最終形成新的公共空間體系。值得一提的是，在空間體系優化過程中，研究片區中已經有零碎的公共空間場地，并且其利用率也不同，它們能夠成為公共空間的誘導因子，使得集群粒子通過自主“找尋”，最終將這些原有的公共空間體系與自主體系容納到一起，使得公共空間更新方案與原空間體系形成良好的銜接。

而粒子群與環境互動能夠生成各類群體軸線，其中，粒子群自身軸線與目標軸線對于空間改造意義較大。粒子群自身軸線能夠反映粒子群分布特征與分布狀態，例如本案例中，主共識性粒子群的空間軸線則暗含了主要公共空間可能的分布區域，而彌散型粒子群分布狀態也能由其軸線代指。并且粒子群與區域中互動目標之間的連線，能夠反映群體與目標之間的平均距離，從而為合理的規劃分區打下基礎。在本案例中，通過綜合粒子群與所有目標之間的最短距離，從而得到最短服務路徑連線，也就是每個歷史建筑到共識性空間粒子群每個點位的最短路徑，可想而知，對于共識公共空間中的每一個點位而言，距離其最近的歷史建筑是步行與視覺互動最為密切的建筑（圖6）。從而該區域中的建筑設計與規劃，可根據歷史建筑的需要而進行。

圖4 自主共識粒子群主共識空間生成示意圖

圖5 彌散型粒子群共識空間生成示意圖

3.3 粒子群輪廓、密度的應用

在自主共識粒子群形態變異與發展的過程中，通過調節其運動速率、觀察半徑、粒子出生與死亡等變量，能夠將粒子網絡結構誘導向集中型粒子形態與彌散型粒子形態兩個類型[10]（圖7）。集中型粒子群體能夠快速地將各個重要歷史建筑群落聯系在一起，并且繞過或者通過原有建筑，使得原有城市肌理中，需要保留、添加的公共空間，需要保留、減少的其他建筑一目了然。最終形成一個主要公共空間體現溝通區域中的各個重要歷史建筑，形成一個歷史建筑文化體系，為功能的統一開發、文化統一塑造、流線統一協調打下基礎。與此同時，彌散型粒子群能夠形成尺度宜人、曲徑通幽的宜步行公共空間網絡，這些網絡能夠成為主共識空間的補充，提供了空間功能、尺度、私密性的多重選擇。最終，自主共識粒子群能夠在研究區域中自發形成以保護建筑群落為溝通對象的復雜公共空間形態依據。

作為一個集群系統，粒子群的坐標信息與密度信息能夠直接被設計與科研人員加以利用。例如本研究中對粒子群體做出密度分析，將其密度按人類活動尺度劃分，即粒子間隔為1.2 m、5 m、9 m（圖7）等不同狀態，以對應社會性活動、偶然性活動、自發性活動的不同空間尺度。也可以看做是對空間的私密性規劃，粒子密度較大區域適合公共性活動開展，其空間私密性低，宜設置相應的公共基礎設施與景觀空間。相反，粒子密度較低的區域可設置較為個性的設施與休憩空間，為使用者提供多樣選擇，同時提升公共空間私密性。在平面分析圖中可以看到，經過粒子過渡的空間體系并不是明確地分割公共與私密空間，而兩者之間是逐漸過渡的，并且呈現你中有我、我中有你的狀態，這也是粒子群給我們帶來的啟發之一。

圖6 共識粒子平面分布與最短距離應用示意圖

圖7 共識粒子平面分布與密度應用示意圖

在主共識粒子群與彌散性粒子群的分布應用中，可以通過調節其公共空間覆蓋半徑大小從而控制其公共空間連接性。在圖譜中可以看到，調節粒子輻射半徑以及粒子群體的分組，設計師可以從中控制空間劃分以及連接性。并且將這些參數自由組合，在粒子群密度信息的基礎上，根據場地功能等特殊需求控制與重塑空間，從而給予區域空間更新更多的可能性（圖8、9）。

圖8 主共識粒子平面公共空間與其連接性應用示意圖

圖9 彌散型共識粒子平面公共空間與其連接性應用示意圖

4 結語

本研究通過集群數字化多代理系統平臺，將模擬粒子定義了自主共識性粒子群，并將其與歷史保護建筑群落和場地原有公共空間進行互動，溝通區域內歷史建筑群，形成新的公共空間生成依據及系統。此外，其粒子運動信息、坐標信息、群體輪廓、密度、與互動目標的最短距離等，都能夠被量化為公共空間生形條件。總的來說，此公共空間的形態生成依賴了多代理系統底層互動邏輯的自我迭代，而非傳統參數化設計的統一邏輯建構，生形過程符合“涌現”思想，自主共識粒子群體以集中形式或分散形式形成了主要公共空間與私密性較強的空間。粒子群通過自主共識原則，自發地生長出了聯系片區重要建筑與公共空間節點的網絡形態，達到了探討公共空間布局的目的。最終生成的可被識別的有機連續網絡形態，提供了形態信息以能夠在將來的研究或實際生產中構建結構空間以固化模擬結果。其固化結果的網絡結構、空間效果、整體肌理都體現了歷史建筑群落在場地中的共識公共空間體系特征。