基于行為模擬的戶外公共空間研究綜述及濱水關鍵問題探索*

楊春俠 詹 鳴 耿慧志 劉夢萱 呂承哲

0 引言

隨著城市高密度發展，濱水區因其連續、開敞、親水的空間特質而成為城市重要的休憩場所。但是，一些城市的粗放式開發卻使濱水公共空間活力低下。在傳統的小樣本調研和經驗式設計下，有些濱水空間的組織不能契合使用者的行為需求，例如：基面銜接不當，近水處以樓梯和陡坎而非臺階或緩坡連接不同標高基面，方便通行卻不易吸引人久留；岸線形式單一，多為平直的高堤壩，降低了活動的親水性和趣味性；建筑設置受限，公共建筑被限制在濱水綠帶之外，無法支持長時間的逗留活動；設施配套錯位，如座椅并未按需布局，與實際坐憩行為不匹配，等等。因此，如何建立真正符合行為活動需求的濱水公共空間是亟需探討的議題。

近年來，行為模擬研究得到了國內外學者的廣泛關注。其“智能化特點、分布式特征、自下而上的模擬方式”[1]，可以更好地呈現公共空間中自組織行為活動的情境。模擬結果不僅可以作為行為特征和行為需求的識別依據，也可以作為公共空間使用效率的評價依據。因此，以行為模擬輔助濱水公共空間的研究，有助于將濱水空間塑造與行為活動需求相對應，具有良好的應用前景。

研究通過對國內外文獻數據庫的統計與梳理，分析戶外公共空間調研分析和行為模擬的相關熱點，對主要文獻和濱水相關文獻進行解讀，找尋現有研究的缺失。在此基礎上，提出濱水公共空間休憩行為模擬研究的關鍵問題和突破方向，為相關理論研究與設計實踐提供參考。

1 研究方法及數據來源

1.1 研究方法

CiteSpace是一款主流的文獻可視化分析工具[2]，可對文獻數據進行計量分析，清晰、直觀地以圖譜形式展示某一領域的研究熱點與研究前沿[3-4]。研究以Web of Science和中國知網（CNKI）為數據來源，盡可能地涵蓋國內外重要文獻，篩選建筑、規劃和景觀等學科的文獻。借助CiteSpace統計文獻數量的時間分布來呈現研究發展脈絡，做關鍵詞共詞分析以展現研究熱點、做文獻聚類分析以總結研究前沿。

1.2 研究對象

目前，行為模擬的理論與實踐研究主要集中于交通疏散行為，關于日常休憩行為的研究涉及較少；主要面向室內空間，對于戶外公共空間的研究才剛起步；針對濱水公共空間的專門研究極少，并且尚停留于濱水安全疏散研究，缺乏針對濱水休憩行為的系統探究。考慮到戶外公共空間包括廣場、公園、街道、濱水區等，濱水區是重要的戶外公共空間類型，而濱水公共空間內部也包含廣場、公園等其他戶外公共空間形式，而且這些戶外公共空間研究也多以休憩行為為主，因此可以擴大研究對象，以戶外公共空間為范疇，從“調研分析”和“行為模擬”兩個方面開展相關研究，為基于行為模擬的濱水公共空間研究探尋方向。

2 戶外公共空間的調研分析

以“濱水（waterfront）”與“步行行為（walking/pedestrian behavior）”為檢索詞進行檢索，結果為外文11篇，中文8篇。以“建成環境（built environment）”①“公共空間（public space）”“步行行為（walking/pedestrian behavior）”為檢索詞進行檢索，人工篩選后獲得外文文獻1 272篇，中文文獻156篇。

從文獻的時間分布來看，外文文獻2003年之前年文獻量在5篇以內，之后逐年增長，至2018年達到125篇，近兩年研究熱度提升，2019和2020年分別達到189篇和174篇；中文文獻2009年以前數量很少，之后逐年增長，2019年達到27篇（圖1）。

圖1 中英文文獻發表年份分布圖Fig.1 Publication year distribution of Chinese and English literature

從關鍵詞共詞分析來看，除去檢索詞，國外研究熱點為體育活動、健康、土地使用、可步行性等；國內熱點分散，有步行空間、城市設計、可步行性、步行環境等（表1）。

表1 “戶外公共空間的使用狀況”中英文關鍵詞詞頻和出現年份Tab.1 “the use of outdoor public space” frequency and year o of Chinese and English keywords

從文獻聚類分析來看，研究對象從步行行為細化到行為改變（#3）、決策制定（#9）等，并探索與城市干預（#6）和城市健康（#7）等的關系；進一步地，探討戶外公共空間的診斷和評價，關注可持續性（#2）、可步行性（#5）和測度（#4），出現了子聚類戶外熱舒適、可步行性指數、步行適宜性指數等；2009年引入了模擬（#0），子聚類出現了人機對話、建模和模擬、決策地圖等，通過行為模擬技術推動戶外公共空間的使用狀況分析向精細化發展（圖2）。

圖2 “戶外公共空間的使用狀況”文獻聚類分析Fig.2 Literature cluster analysis of “The use of outdoor public space”

2.1 數據收集：人工調研到多源數據

使用狀況分析的深度有賴于數據收集的方法與質量。國外20世紀60年代起就有問卷、行為地圖、跟蹤、錄像等多種人工調研方法，數據采集直觀有效。之后，一些新工具被逐步引入，如手持式GPS、紅外線傳感器、Wi-Fi探針、可穿戴設備等[5-6]，可以實時記錄，數據更加精細。2000年以來，多源數據興起，范圍廣、時段全，為時間維度的記錄、模擬、重演提供了支撐，如交通數據和定位數據反映了市民出行行為與空間、時間的關系[7-8]。針對濱水公共空間的研究，王偉強和馬曉嬌、周廣坤和林軼南、王魯帥等[9-11]分別依托多源數據對上海市黃浦江濱水公共空間進行了活力評價，基于濱水公共空間中的人群密度等指標，從空間維度和時間維度，整體層面和重點區段層面，環境、經濟和社會效益等多個方面進行研究。上述方法中，長期主導的小樣本現場調研費時費力、樣本量小、連續性弱，難以準確把握空間與行為的關系。雖然在新工具引入之后，提高了連續性，但有時因受試者配合度低而數據缺失，影響分析結果。多源數據可以獲得海量信息，有力地支持了動態分析，但是只能獲取現在與過去已發生的數據，且精度有限，缺乏對個體數據的精細收集和行為多樣性的考量，因此主要支持宏觀或中觀層面的現狀場地研究（表2）。濱水公共空間中的休閑行為多樣而隨機，探討符合濱水行為需求的公共空間，微觀行為數據的搜集不可或缺。

表2 行為數據主要收集方法Tab.2 the main collection methods of behavioral data

2.2 分析方法：統計分析到偏好與行為分析

更豐富的調研方法和數據來源帶來了分析方法的拓展。傳統的數理統計通過相關性或多元回歸分析，獲知空間要素對行為的影響力，如金永國（Kim Y G）和金英亨（Kim Y H），邵彬[12-13]分別以首爾漢江和上海黃浦江濱水公共空間為例，通過相關性分析獲知關鍵影響要素。后來發展了顯示性偏好法（reveal preference, RP）和敘述性偏好法（state preference, SP）[14-15]，以個人陳述和判斷為依據，分析人群對空間環境的偏好程度。如楊春俠等[16]用敘述性偏好法讓受試者對黃浦江理想要素組合進行選擇，獲得了駐留偏好的影響要素和權重。隨著行為模擬技術的引入，拓展了時間維度的動態分析，可對空間與行為的交互關系更加精準地模擬和解析[17-18]。相較而言，數理統計和偏好法屬于靜態分析，無法反映隨時間變化的空間和行為的交互關系。數理統計研究往往數據量小、分析因素不夠全面，在空間要素的影響程度剖析上難以深入，成果多以描述性分析居多，缺乏系統的空間對行為影響內在規律的深層剖析。偏好法從人本角度分析環境的友好程度，結果與個人陳述的準確性和樣本量有關，且顯示性偏好法要求項目已投入使用，敘述性偏好法則多為假想情境。行為模擬技術的引入為環境與行為交互關系的動態分析帶來了可能，但目前多用于交通便利性分析，需要探討適用于休閑空間中隨機行為的模擬分析方法。

2.3 狀況診斷：空間視角到行為視角

在分析的基礎上，可以對公共空間的使用狀況進行診斷。從空間視角出發的研究更多關注物質環境要素，診斷維度主要參考瑟夫洛·羅伯特（Cervero R）和卡拉·科克曼（Kockelman K）提出的密度、多樣性、設計的3D維度[19]，以及在此基礎上里德·尤因（Ewing R）和瑟夫洛·羅伯特（Cervero R）引入目的地可達性、交通距離而形成的5D維度[20]，診斷指標以空間要素的面積、尺度、數量等靜態指標為主。隨著對人本的關注，從行為視角出發的研究逐漸受到重視，并開始引入動態行為的診斷[21]，出現了波動指數、重訪率等診斷指標。總體來看，公共空間的診斷維度和指標多樣而分散，針對休閑空間，大致可以梳理出通行、駐留、活力等維度，以及若干空間與行為、靜態或動態的指標（表3）。濱水研究絕大多數沿用一般公共空間的診斷分析方法，指標主要指向空間連續性和活力[26-28,33,37,46]，缺乏針對濱水特質的診斷維度和指標，如對遠水、近水和臨水等不同空間分區的細致診斷不足，對親水便利性的專門解讀也不充分等。

表3 休閑空間使用狀況診斷的相關文獻梳理Tab.3 related literature of leisure space use diagnosis

3 戶外公共空間的行為模擬

以“濱水（waterfront）”與“行人（行為）模擬（仿真）（behavior simulation）”為檢索詞進行檢索，結果為外文文獻2篇。以“行人（行為）模擬（仿真）”為檢索詞進行檢索，人工篩選后獲得外文文獻1 306篇，中文文獻857篇。

從文獻的時間分布來看，外文文獻2001年前年文獻量在5篇以內，之后逐步上升，2014年以來年文獻量均超過100篇，2019年達到峰值160篇；中文文獻2005年之前年文獻量在5篇以內，之后穩步增長，2016年以來基本都在80篇以上（圖3）。

圖3 中英文文獻發表年份分布圖Fig.3 Publication year distribution of Chinese and English literature

從關鍵詞共詞分析來看，除去檢索詞，國外研究熱點為動力學、模型、疏散、流量等；國內熱點為社會力模型、元胞自動機、疏散、軌道交通等（表4）。可見，交通疏散是主要研究方向。

表4 “戶外公共空間的使用狀況”中英文關鍵詞詞頻和出現年份Tab.4 “the use of outdoor public space” frequency and year o of Chinese and English keywords

從文獻聚類分析來看，機動車的行為模擬是主導（#5, #8, #10）；雖然步行行為模擬有所涉及，但關注交通疏散行為（#2）和群體行為（#6）；隨著多代理系統（#4）與智能體模型（#3）的出現，不同群體的多樣行為模擬成為可能，子聚類又將模擬人群細分為兒童、青年、老人等，模型建構關注自組織模型、自主代理、路徑選擇等；2016年開始，更加關注人本為中心的模擬研究（#11，圖4）。

圖4 “戶外公共空間的行為模擬”文獻聚類分析Fig.4 Literature cluster analysis of “Behavioral simulation of outdoor public space”

3.1 應用范疇：室內疏散到戶外休憩

從行為模擬的應用范疇來看，國外研究更早地從小尺度的建筑空間和交通節點向大尺度的戶外公共空間轉變，涉及歷史街區、商業街、廣場等，從關注疏散行為向休憩行為拓展。如凱文·莫雷爾（Kevin M）等[50]對戶外休憩區域進行模擬，證明休憩行為常使用最短路徑和加權路徑；瓦倫丁·梅爾尼科夫（Valentin M）等[51]模擬了戶外空間的熱適性行為，包括速度和方向改變、熱吸引或排斥等。國內對戶外公共空間的研究多以行為流線相對簡單的線性商業街、封閉園區等為主，以購物或游覽流線的模擬，為空間布局和功能配置提供依據，提升游客體驗和安全保障，如王德等[52]對青島世園會方案的游覽軌跡預演和王碩[53]對北京南鑼鼓巷景區的集聚模擬預警等。僅有2篇外文文獻涉及濱水區，都聚焦疏散行為，劉元雨（Liu Y）和金田敏之（Kaneda T）[54]針對2014年上海外灘踩踏事件，通過模擬比對提出優化措施，西迪·喬納森（Sidi J）等[55]通過模擬馬來西亞古晉濱海景區的交通擁堵情況，提供了最佳游線。由此可見，多代理行為模擬是研究前沿，但是多關注交通疏散行為，戶外公共空間的休憩行為雖有一定研究，但涉及濱水區時仍以交通疏散行為為主，而國內文獻相對集中于行為流線相對簡單的線性商業街、封閉園區等。

3.2 運行原則：概率原則和機制原則

行為模擬的核心是運行原則，是對仿真空間和行為關系的架構，主要包括概率原則和機制原則。概率原則根據行為數據推算到達、路線選擇、離開等行為的概率分布，模擬時需要假設概率分布不變，適用于行為活動規則且穩定的場地。機制原則通過分析空間對行為的影響規律，代理粒子依據規律做出行為決策，如在商業消費機制研究中，或是將流線分段，建立入口消費機制、回游消費機制等[49,56]，或是依據不同類型店鋪對消費者的吸引力設定三級、四級等權重級別[53,57]，吸引粒子改變行程。相比于概率原則，機制原則靈活性較高，更適合隨機行為模擬。但現有研究多應用于商業消費行為，針對商業街中相對單一的消費行為，關注商店這一空間要素類型對消費者的吸引，忽略其他設施的影響，這對于以購物為主的商業街研究是可行的，但是并不能直接運用于濱水公共空間研究。對于復雜程度更高、要素更豐富的濱水公共空間和由此產生的多樣隨機行為的交互機制尚需進一步分析，這也是濱水公共空間休憩行為模擬的核心研究內容。

3.3 模型建構：單個模型到組合模型

有了運行原則就可以開展模型建構。多數研究借助單個既有模型，如元胞自動機、社會力、智能體、磁力、移動效益、格子氣模型等，要求實際行為規律與模型運行原則相匹配（表5）。為了提高模擬的精細度，少數研究改進單個既有模型，以更加貼合實際行為狀態。如陳炯暉（Chiung-Hui C）[58]借助視覺注意力理論，改進智能體模型（Agent-based Model, ABM），在模擬櫥窗消費行為時更為準確；宋筱（Song X）[59]等利用非線性出口分配策略，改進社會力模型（Social Force Model, SFM），避免了出口處疏散容量失真的問題。進一步地，當空間對行為的影響規律更為復雜時，少數研究嘗試組合模型，用于復雜疏散行為模擬。如宇野惠介（Uno K）和喀左柏山（Kashiyama K）[60]在洪澇災害疏散模擬中，用GIS數據、智能體模型、虛擬現實分別進行環境建模，疏散模擬和災民感受測試；唐方勤等[61]在多層協作疏散模擬中，采用智能體模型、地理信息系統和元胞自動機組合構建人員描述層、建筑環境層與驅動轉換層，都取得了更逼真的模擬效果。總體來看，模型建構上主要借助既有模型及改進，極少數研究采用組合模型。而在組合模型建構時，為了提高粒子的自主性，組合中常包含智能體模型。針對濱水區的行為模擬文獻很少，尚停留于對濱水疏散行為的研究。上述兩篇濱水區文獻主要采用既有模型的改進，在模擬疏散行為時較為有效，但還未涉及對濱水休憩行為的模擬。

表5 常用的微觀行為模擬模型Tab.5 frequently used microscopic behavior simulation model

3.4 擬合分析：定性擬合與量化擬合

模型運行之后，擬合非常關鍵，判斷模擬情境是否貼近實測場景，以驗證模型是否可靠，擬合后的模型也可以更加精準地呈現空間對行為的影響規律。多數研究采用定性擬合，對實測與模擬的分布圖、軌跡圖、折線圖等進行直觀對比，擬合度依賴研究者的經驗推斷。近年來，為了提高擬合度，量化擬合逐漸受到重視，但多關注整體空間的擬合。如郭昊栩等[62]和朱瑋等[63]在消費行為模擬中，應用數理統計量化擬合后，總體空間擬合度都較好，但前者對各層空間的擬合欠佳，后者對非步行街道段和單個商店的擬合不理想。綜上所述，定性擬合仍是主導方法，結果與研究者的主觀判斷相關，因此需要更加重視量化擬合的介入，以提高擬合度。而在已有的量化擬合研究中，重總體輕局部，缺乏針對公共空間局部的量化擬合方法，使得擬合效果往往總體較好，局部欠佳。

4 濱水公共空間休憩行為模擬研究的關鍵問題和突破方向

國內外已有研究成果從關注空間到關注行為、從宏觀到微觀、從靜態到動態，有精細化發展的趨向。當研究進一步拓展到濱水公共空間這一特定對象時，隨著空間復雜性和行為隨機性的增加，迫切需要對空間與行為關系的不同研究方法進行整合和優化，并在已有研究基礎上關注以下關鍵問題和突破方向：

4.1 如何更加精準地探尋濱水使用者的行為偏好

濱水行為隨機性強，使用者在離水不同距離的區域行為偏好會有差異，而不同社會經濟屬性帶來的人群異質性使這種差異更加復雜，因此，更好地掌握使用者的行為偏好是濱水公共空間中行為模擬能夠順利開展的先決條件。

從戶外公共空間的分析方法來看，偏好法是專門針對行為偏好的研究方法，但以個人陳述和經驗判斷為依據；行為模擬可以直觀地呈現空間對人的影響，但需要有準確的空間與行為交互關系作為運行原則。相比于顯示性偏好法，敘述性偏好法可以人為設定比實測場景更多樣的選擇可能，獲得使用者對假想要素配置和組合情境的偏好，使行為偏好研究結果在應用于濱水公共空間城市設計方案優化時更具可行性。因此，濱水研究中可以將偏好分析與行為模擬相結合，通過顯示性與敘述性偏好法分析獲取使用者對實際和假想場景偏好的個人判斷，用行為模型開展行為偏好模擬與擬合，更加精準地掌握濱水公共空間要素影響行為偏好的規律。

4.2 如何對濱水復雜空間中休憩行為進行仿真模擬

濱水公共空間擁有獨特的基面、岸線等要素，管控更嚴格，要素更豐富，同種要素又因離水遠近不同而對人群的影響有差異；濱水休憩行為隨機性強，與交通疏散行為相比，不同人群行為差異性大，舒適距離更大，與商業購物行為相比，行為類型更豐富，吸引點反應更多樣，行為軌跡更不確定等。

在行為模擬方法中，多代理行為模擬遵循人群的異質性，按照不同使用者行為特征來設置代理粒子群，“通過能自動執行任務的代理粒子群的合作，解決復雜問題”[1]，適合模擬濱水區這類非線性、信息模糊、個體互動和隨時空變化的情景。從前述模型建構研究來看，單個既有模型很難再現濱水更加復雜的空間和隨機的行為，需要提出針對性較好的模擬模型。對既有模型改進或建構組合模型是濱水研究較為可行的選擇。前者需要考慮更加豐富的行為類型模擬，適合休憩行為的舒適距離設置，更精細的吸引點反應設置等。后者需要選取兩種或多種既有模型，并選擇適合的軟件平臺進行模型組合。由于智能體模型可以將代理粒子群按照人群屬性分類，賦予不同代理粒子群環境感知、交互感知、心理壓力度感知等主觀意志[64]，有助于建立更加精準的行為決策機制，因而可以成為濱水組合模型的重要構成。同時，智能體模型對同一空間內不同代理粒子群運行規則的建立，也可以改變已有研究在多樣行為交織的機制原則建立方面的缺失。

4.3 如何改進擬合方法使模擬情境更加貼近實測場景

濱水行為在空間中的分布比較隨機，而且隨時間更替變化較大，如果僅采用依賴研究者個人經驗判斷的定性擬合方法，無法很好地判斷行為模擬結果是否能呈現實際行為狀況。因此，模型擬合時要強調以下幾個方面。首先，要對分項情境進行模擬和擬合，如不同時段（通勤高峰/閑暇時段），不同分區（遠水/近水/臨水），不同人群（老人/中年人/兒童）等，使模型擬合更加全面和細致。其次，已有研究多采用定性擬合，濱水研究要將定性與定量擬合相結合，發揮定性擬合快速、高效掌握兩者差異的優勢，并通過量化分析提高擬合的精確度。最后，已有研究多關注整體擬合，濱水研究要強化局部空間的精細擬合，這是提高模型擬合度的關鍵。考慮到濱水公共空間要素的吸引是人群改變行為狀態，促成行為隨機性的主因，因此對濱水關鍵要素吸引范圍內人流量的實測和模擬數據進行數理統計分析，有助于提高重要節點部位的擬合度，從而使模擬情境更加貼近實測場景，以建立較為理想的濱水公共空間行為模擬模型。

4.4 如何建立適合濱水公共空間的綜合測度指標體系

從戶外公共空間的狀況診斷研究可以看出，隨著城市高密度發展，人與空間的關系變得日趨緊張和微妙，以行為視角評價空間與時間的效率愈發受到重視[65]，這也應成為濱水研究的出發點。狀況診斷研究梳理出了通行、駐留、活力等維度及若干指標，濱水公共空間可以有針對性地采納，進行完善，建立適用于濱水場地和行為特征的綜合測度指標體系。親水行為狀況反映了基面、岸線等濱水特有要素的配置與組織是否合理，親水便利是濱水公共空間有別于其他城市空間的特有診斷維度。而駐留率（駐留人流在整體人流中的占比）的高低表明空間對使用者的吸引力大小，更能反映濱水公共空間的品質[13]。由此，濱水研究可以從通行順暢、駐留舒適和親水便利等三個維度，開展全方位的診斷。然后，分析模型輸出的常規指標與濱水空間、行為特征的關系，有所界定地轉換與納入指標體系，使可以充分反映濱水公共空間的外部可達和內部通暢、群體駐留和個體駐留、總體親水和沿岸親水的狀況，建立一套系統的綜合測度指標體系。在此基礎上，結合行為模擬輸出的精確數據，可以更加量化的對濱水公共空間使用狀況做出全方位的評價。

5 結語

“十四五”期間，城市數字化轉型將被大力推動，強調城市開發的前瞻規劃和動態推演，實現可視化、可驗證、可診斷、可預測、可學習、可決策和可交互的“七可能力”[66]。在這種背景下，需要探尋更加科學、精細、智能的濱水公共空間設計與開發方法。基于行為模擬的濱水公共空間研究可以從自組織行為活動出發，探究濱水公共空間與使用者的復雜互動現象，通過自下而上地呈現使用者行為活動過程，為建立真正符合行為活動需求的濱水公共空間提供另一種視角的參考。

注釋

① 文獻檢索發現，許多外文文獻在戶外空間研究中常采用“建成環境（built environment）”為主題詞，因此加入了這一檢索詞，避免許多有效的文獻不被屏蔽。