基于多代理行为模拟的上海市北外滩滨水公共空间诊断和优化

杨春侠 徐思璐 耿慧志 詹鸣

近年来，一些城市率先启动了滨水公共空间的更新提质，希望更高程度实现滨水资源的公共价值，如“十三五”期间，上海、杭州、深圳分别对黄浦江、钱塘江、碧道提出了新的规划[1-3]。城市滨水公共空间的现状问题集中表现为基面衔接不当、岸线形式单一、公共建筑受限和设施配套错位等，主要是因为传统小样本调研、经验式设计和预判造成了设计人员对滨水现状问题缺乏精细诊断，实施方案不能遵循使用者的行为偏好，以及难以对优化方案进行科学预判等，因此亟须从微观行为视角出发，探寻更加科学、智慧的研究方法。

多代理行为模拟技术是微观行为模拟的前沿手段，考虑个体之间、个体与环境之间的相互作用，适合模拟个体行为[4]，具有智能化特点、分布式特征、自下而上的模拟方式[5]，可实现全时动态仿真、多方案比较和虚拟情境预演。全时动态仿真能拟真呈现空间使用的演变过程，输出结果可作为行人特征识别依据和空间使用效率评价依据[6]；
多方案比较和虚拟情境预演是借助计算机强大的运算能力，开展多视角方案的预演和比选，可以为设计、决策和管理带来不同于传统的研究视角。

本研究以多代理行为模拟技术为支撑，对上海市北外滩置阳段滨水公共空间改造前后进行对比和验证（图1）。通过对改造前的滨水公共空间进行模型建构、问题诊断和优化预判，获得不同取向的最优推荐，再将改造后空间的使用状况与相近优化组合模拟进行比对，验证方法可行，希望为滨水公共空间提供多代理行为模拟辅助问题诊断与优化预判的系统研究方法（图2）。

1 上海市北外滩置阳段滨水公共空间区位和现状Location and current situation of waterfront public space in Zhiyang Segment, North Bund, Shanghai

2 研究框架Research framework

行为模拟通常用于交通疏散行为研究。随着中国大量基础设施的投入建设，行为模拟研究多指向局部建成环境、公共建筑及交通场站的交通人流模拟[7-8]。国外的研究对象近年来已从建筑节点拓展至大尺度户外空间，如Morelle等[9]对户外休憩区域进行模拟，证明休憩行为常用最短路径和加权路径；
Melnikov等[10]模拟了户外空间热适性行为，包括行动速度和方向改变、热吸引或排斥等。但是，户外空间行为模拟研究中涉及滨水区的文献很少①，仍聚焦于交通疏散行为，如Liu等[11]针对上海外滩踩踏事件，基于行人步行规则建立模型，模拟比对提出避免突发事件的优化措施；
Sidi等[12]通过模拟马来西亚古晋滨海景区交通拥堵情况，为游客提供最佳游线。为了有针对性地模拟滨水公共空间和行为活动，需要明确以下3个方面的问题。

2.1 如何选择适合滨水行为活动的模拟模型

微观行为模拟模型有30多种[13-19]，其中社会力模型是最佳动力学模型[20]，模型中的代理粒子（简称粒子）可以模拟心理和物理双重作用，更接近社会的人；
行为受驱动力、粒子间排斥力、粒子与障碍物间排斥力的共同作用，更接近实际行为过程，当然也存在参数设置较为固定、粒子运行固化为最短路径原则以及粒子重叠等局限。本研究选取社会力模型，采用AnyLogic软件平台进行多代理模型建构。

2.2 如何改进模型以呈现滨水复杂空间和随机行为

滨水空间与行为活动具有独特性：一方面，与城市腹地公共空间相比，滨水公共空间更复杂，有基面、岸线等特殊要素，且在防洪要求下基面常有多层标高，岸线与对岸景色会引发驻留行为；
另一方面，与交通疏散行为相比，滨水行为的随机性较强，表现为类型丰富、舒适距离大、行程轨迹不确定等。滨水随机行为背后隐含了空间要素与使用者行为之间长期稳定的规律性关系，可以作为模型建构的运行机制；
同时模型需要按照人群属性建立“个性化”粒子群，参考10.7 m的休憩行为舒适距离[21]，调整粒子间距参数，提供可供粒子选择的多种候选路径。

2.3 如何量化拟合使模拟情境贴近实测场景

模型能否真实反映滨水行为活动状况，模拟情境与实测场景的拟合是关键，也是已有研究的薄弱环节。既往研究多采用定性拟合[7,22]，直观对比实测与模拟图形，并依据经验推断拟合效果。近年来量化拟合逐渐受到重视，但多关注整体空间，缺乏针对局部空间的拟合方法，如在郭昊栩等[23]和朱玮等[24]的消费行为模拟研究中，总体空间拟合度都较好，但前者对各层空间、后者对单个商店的拟合不理想。本研究考虑人群的滨水行为主要受空间要素吸引点影响而改变行为轨迹，故将各吸引点驻留量的实测与模拟数据作为拟合依据，提高模型在重要节点的拟合度。

3.1 数据收集

场地改造前的调研于2019年6月4日（工作日）和6月16日（休息日）的5个时间段（07：00—08：00、09：30—10：30、12：00—13：00、14：30—15：30、18：30—19：30）展开。笔者通过现场测量获取空间要素数据，采用录像、问卷和Wi-Fi探针等复合调查方法获取行为活动数据，以弥补单一方法的局限性。1）通过录像记录游人的性别、组群、运动轨迹、分布状况等信息；
2）通过问卷对老年（＞65岁）、中青年（18～65岁）和儿童/少年（＜18岁）进行问卷调查②，获得目的、路线、吸引点偏好等信息；
3）将Wi-Fi探针布设在吸引点周围，细致记录行为数据，为吸引点附近驻留量的拟合提供精准数据。

3.2 筛选转译

根据不同人群行为特征，如极限时长、极限距离、基础速度等，赋予粒子“个性化”参数。笔者将行为活动归为观赏、坐憩、文化、运动、消费5类，用AnyLogic软件行人库的行为模块进行转译；
将空间要素归为基面组织、岸线形式、公共建筑、配套设施4类，用AnyLogic软件行人库的环境模块进行转译。一些不易表达的情境可以通过模型改进来完善，如运用代码内的条件语言对遮阴设施下的环境模块进行定义，日照越强模块吸引力越大。由此，建立多代理粒子群和仿真环境。

3.3 偏好分析

人群对空间要素的偏好，是促成行为随机性的主要原因。根据问卷的1～5级吸引点偏好选择，取平均值获得各类人群对不同要素的偏好评分，确定11类要素吸引点③。然后，计算单类要素偏好评分与11类要素评分总和的比值，作为要素初始吸引力权重，提供粒子和仿真空间的参数关系（表1），后续将通过模型拟合修正吸引力权重。

表1 空间要素吸引点对不同人群的偏好评分和初始吸引力权重Tab. 1 Preference scores and initial attraction weights of spatial element attraction points to different age groups

3.4 模拟运行

更多的候选路径支持行人不确定性的活动调度和路径选择[25]。为模拟滨水随机行为过程，笔者设置“行为活动链”，其中7个入口和5个出口代表场地尽端，中间串联46个要素吸引点，位置相近的吸引点并联设置。依据初始吸引力权重分配粒子，如咖啡厅对老年人的初始吸引力权重为0.06，则有6%的老年属性粒子在此停留。将与现场出入口人数相应数量的粒子放到各个尽端，粒子进入仿真空间后，遵循“感知—选择—行动”的连续流程，并依据吸引力权重受到各类要素不同程度的吸引，在每一个步进中对并联的下一组吸引点做出选择，在哪个吸引点被吸引、驻留或直接跳过，模拟走向吸引点、驻留、不被吸引继续前进等行为，实现粒子的自主运行（图3）。

3 行为活动链Behavior activity chain

3.5 拟合调校

输出模拟结果，对人群密度、分布、轨迹等实测和模拟示图进行定性比较，同时对46个吸引点驻留量实测和模拟数据在SPSS软件中进行双变量相关性分析。如果相关性分析结果不理想，则调整吸引力权重，如魔法矩阵最初实测和模拟数据相差较大，故对中青年和老年的吸引力权重进行调整，直到调整至0.35时结果较好（实验显示以0.10为最小调整单位模拟结果有明显变化）。最终，10个时间段各吸引点相关性分析的Pearson系数最小为0.686，最大为0.938，均大于0.600；
显著性水平均为0.000，远小于0.010，表明模型有效。

4.1 分项情境模拟

依据2类日期、5个时间段、3个年龄段，获得30个分项情境，由于工作日07：00—08：00和12：00—13：00时段儿童/少年人数非常少，故予以舍去，最终共计开展28个分项情境模拟，从不同空间、时间、人群等对场地的各类空间要素的使用状况进行评测。

4.2 使用状况评测

4.2.1 不同空间

对时间与人群分类，从空间维度对模拟状况进行分析。1）临水区域因邮轮码头封闭管理造成人流密度极低，模拟图中基本没有粒子。2）尺度不当造成局部拥挤或空旷：线性空间如滨水漫步道、林荫漫步道等尺度过小，部分时段人群密集，呈红色拥堵状态（图4）；
面状空间如东北侧办公广场，尺度过大，粒子密度一直处于低值。3）设施缺乏导致人群分布不均：彩虹桥南侧和滨水漫步道北侧的座椅缺乏遮阴设施，日照较强时使用率低；
林荫漫步道和北侧入口漫步道缺乏足够的照明设施，夜间人群不愿进入，该时段粒子稀少。4）空间划分失当导致行走路线单一：东北侧办公建筑群的遮挡，以及南侧绿地缺乏垂直岸线的划分，都对腹地向水的视线和行动造成影响，故模拟图中垂直岸线路径上的粒子密度远小于平行岸线路径。

4 尺度不当造成的空间拥堵问题模拟结果Simulation results of spatial congestion caused by improper scale

4.2.2 不同时间

对空间与人群分类，笔者从时间维度对模拟状况进行分析。1）缺少儿童陪伴区域：休息日14：30—15：30时段游乐场儿童较多，成人照看的空间需求相应增大，但此类空间较为缺乏，导致陪伴人群驻足于邻近道路，粒子呈拥挤状态。2）缺少服务建筑和设施：在工作日午间、休息日午间和晚间，人们对运动、餐饮设施需求较大，但场地内仅在东侧入口附近有咖啡厅、在场地中部有小型餐车，而办公广场因服务设施稀少，模拟时粒子呈低密度分布。3）缺少运动与休息结合区域：在两日的09：30—10：30和14：30—15：30时段，老年人偏向具有树荫和休憩设施的线形步行空间，时而散步时而休息，但仅有林荫漫步道满足他们的需求，也造成该区域轻微拥堵。

4.2.3 不同人群

对时间与空间分类，从人群维度对模拟状况进行分析。1）设施种类单一：吸引点位置分布不均，造成部分设施和空间没有人使用。2）周边存在断点：西侧外部滨水区与场地仅有极不明显的曲径联结，人群粒子数量明显低于其他入口。3）设施缺乏管理：主要景点彩虹桥因管理原因关闭，吸引力减弱，周边人群粒子呈低密度分布。4）过渡基面处理方式单一：滨水漫步道和林荫漫步道高差以石阶过渡，老年人步行不便，粒子数量减少。

5.1 要素改进模拟

将问题要素按照基面组织、岸线形式、公共建筑、配套设施进行归类，有针对性地提出改进措施。然后从基面开始，依次对各类别单个要素进行多参数调整，开展改进方案模拟。

5.1.1 基面组织

1）调整基面尺度：针对线性空间尺度不当的问题，根据《上海市街道设计导则》[26]中推荐的步行通行区宽度，将滨水漫步道拓宽至5 m，局部放大成口袋公园，或结合码头平台增宽至15 m，改进后模拟发现，拥堵区域明显改善（图5）；
针对面状空间，芦原义信[27]、Lynch[28]和Gibberd[29]均认为，广场尺度以25 m×25 m最为适宜，因已建建筑较难改变，故通过增加矮墙、花坛等形成隔断与围合，对广场空间进行重新划分。2）调整基面划分：针对绿地空间划分不当的问题，加入垂直岸线的漫步道，增强腹地人流到达水滨的可能性。3）调整竖向基面：针对竖向基面形式不符合老年人需求的问题，局部增设缓坡。

5 调整基面尺度改进后模拟结果Simulation results after improvement of the base scale

5.1.2 岸线形式

针对临水区域人流极少的问题，经细致调查发现，仅局部区域因临时商业活动对外开放，且需凭票进入。宜将水滨整体或局部区域向公众开放，并利用码头平台空间的改造，形成平直、凹岸、凸岸等不同岸线形式，提升水滨的可达性与吸引力。

5.1.3 公共建筑

1）底层功能置换：针对办公广场未充分利用的问题，置换部分建筑底层功能，引入咖啡厅、饭店等，改进后模拟发现，办公区粒子密度提高，新增多条垂直于岸线的人流。2）完善建筑功能：针对缺少服务建筑的问题，在场地西侧和办公建筑南侧等粒子稀少处增加餐饮、文化等设施，为人群活动提供服务。

5.1.4 配套设施

1）完善设施布局：在粒子密度较低的区域，完善照明和遮阳设施配置。2）加强设施管理：针对彩虹桥吸引力低下的问题，采取定时开放、专人管理的措施，增强彩虹桥的吸引力并降低行人跌落的风险。

5.2 未来人流预测

提高场地人流量有2个主要措施。一方面，场地北部白玉兰广场的大量人流有进入水滨的需求，但由于东大名路阻隔，需要绕路才能到达，所以考虑增加从白玉兰广场进入场地的二层入口，立体解决交通干扰。另一方面，通过定时开放西侧步行桥，把外滩众多的游客引入场地。在此基础上，预测场地未来人流量，北侧入口按照白玉兰广场人流量的50%设定，西侧入口按照东侧现状人流预估，获得未来场地基本人流量为120人/h，按照高（300人/h）、中（120人/h）、低（40人/h）不同等级的人流量④，将相应数量的粒子分别放入优化模型。

5.3 要素组合精简

要素间存在干扰可能，因此将模拟结果较好的单个要素选项，与3种粒子数量和5个时间段进行组合，形成180个优化方案。运用SPSS软件的正交设计组合，排除不可能情况，获得精简的优化组合11个。

5.4 组合预演比选

对11个组合进行模拟预演，比选获得最优推荐（图6）。不同等级人流量下的最优推荐：1）低等级人流量，09：30—10：30和12：00—13：00时段选择A1aA2aB1c（5 m宽滨水漫步道+小型广场+凸岸线），粒子均匀分布，且不会像A1bB1a（15 m宽滨水漫步道+平直岸线）那样造成空间浪费；
2）中等级人流量，全时段选择A1bA2aB1a（15 m宽滨水漫步道+小型广场+平直岸线）和A1aA2bB1a（5 m宽 滨 水 漫 步 道+大 型 广场+平直岸线），后者仅在局部路径收窄处轻微拥挤；
3）高等级人流量，全时段选择A1bA2aB1b（15 m宽滨水漫步道+小型广场+凹岸线）更为合适，粒子均匀分布无拥挤。

6 优化预判流程Prediction optimization process

不同场地前置条件下的最优推荐：1）若码头平台部分开放，选择A1aB1c（5 m宽滨水漫步道+凸岸线)；
2）若码头平台完全开放，则中等级人流量下选择顺序为A1aB1c（5 m宽滨水漫步道+凸岸线）＞A1bB1b（15 m宽滨水漫步道+凹岸线）＞A1bB1a（15 m宽滨水漫步道+平直岸线）＞A1aB1a（5 m宽滨水漫步道+平直岸线），高等级人流量下选择顺序为A1bB1b（15 m宽滨水漫步道+凹岸线）＞ A1bB1a（15 m宽滨水漫步道+平直岸线）＞ A1aB1c（5 m宽滨水漫步道+凸岸线）＞ A1aB1a（5 m宽滨水漫步道+平直岸线）；
3）若无法增设白玉兰广场二层入口，将导致北侧入口人流量减少，宜采用A1aB1c（5 m宽滨水漫步道+凸岸线）；
4）若无法开放西侧步行桥，则此处邮轮码头底层架空处宜建设小型广场，增加场地的活动人群吸引力；
5）若东北侧办公建筑区无法增加底层休闲功能，则宜调整为小型广场，增强办公区域的人群凝聚力。

2021年5月30日，上海市北外滩改造工程完工，为上述改造前优化预判提供了验证可能。

6.1 改造内容

改造内容包括5个方面。1）基面组织，临水平台与后侧高差通过9处台阶或坡道连接；
2）岸线形式，邮轮码头向公众开放，宽约18 m，岸线平直；
3）公共建筑，临水平台植入花店和临时展览；
4）配套设施，增加餐车、雕塑、座椅、树池、厕所；
5）出入口设置，东侧新增出入口，北侧新增出入口并于白玉兰广场间设人行道，西侧出入口外增加桥梁。

6.2 改造与预期比较

上述改造接近预演比选中的⑩号组合（A1bA2aB1aE1dF1b），将其优化预演结果与2022年1月2日调研的改造后状况进行比对，发现以下4个方面较为符合。1）整体人群分布相符。场地内人群基本均布，无拥挤点，仅在高等级人流量下个别位置（如魔法矩阵入口区）轻微拥挤；
北侧新增入口与预演时增加的位置略微不同，但同样缓解了局部空间拥堵；
近岸处滨水步道拓宽，拥挤情况不再出现；
彩色塑胶漫步道与混凝土铺装平台自然地将跑步、快走的健身人群与其他人群进行了动静分离。2）关键截面人流量相符。比较3个截面的预演与改造后通过人数⑤，截面1分别为150人/h和144人/h；
截面2为90人/h和84人/h；
截面3为200人/h（峰值为320人/h）和300人/h。3）各出入口人数相符。根据出入口位置关系，对原人流预测与改造后数据进行相关性分析，显著性水平小于0.010，Pearson系数为0.775，匹配良好。4）吸引点访问人数相符。将吸引点分为未改变、周边环境改变、自身改变和新增的吸引点4类，选取20个典型吸引点的改造后实测驻留量与改造前优化预演驻留量进行相关性分析，显著性水平均小于0.010，Pearson系数为0.804，匹配良好（图7）。

7 改造前优化预演（7-1）和改造后实测（7-2）的场地人群分布Age group distribution of optimized and rehearsed before transformation (7-1) and actually measured after transformation (7-2)

然而，改造后状况与模拟预测也有些许出入。1）改造后东西侧出入口的改善和新增，以及西侧入口滨水平台的扩展利用在预测时并未考虑，所以改造后场地与沿岸相邻地块的连接比预演时更加顺畅；
2）模拟预测中仅考虑将滨水平台开放，未在其上加入吸引点，因此模拟人群较为均布，而改造后平台上增设展览、花店和餐车，人群在吸引点周围呈集聚状态。

6.3 下轮优化建议

此次改造主要针对临水部分，因此下轮优化时建议参考本研究“优化预判”部分内容，在以下方面继续完善：1）重点改造办公广场，在其底层引入咖啡厅、饭店等，为人群提供就餐、茶歇服务，改变广场利用率低的问题；
2）提升夜间空间均好性，在几处漫步道上增加照明设施，方便夜间人群使用；
3）进一步完善岸线形式，以凹、凸岸线的变化促进滨水空间多样性和滨水活动趣味性。

本研究建立了一套多代理行为模拟辅助城市滨水公共空间研究的系统方法，以促进不同群体获得优质亲水环境，使得滨水公共空间获得高效利用，更重要的是通过科学预判避免低效的重复更新。研究创新性地拓展了行为模拟技术的应用范畴，实现了未来使用场景的仿真模拟，契合“十四五”期间推动“七可能力”（可视化、可验证、可诊断、可预测、可学习、可决策和可交互）[30]的城市数字化转型目标。同时，这种“模型建构—问题诊断—优化预判”的研究方法也适用于广场、绿地、街道等其他城市公共空间类型的休闲行为模拟，可以作为传统公共空间研究方法的有益补充。

注释(Notes)：

① Web of Science和中国知网相关文献仅约10篇。

② 调研发现，场地内儿童/少年以学龄前儿童居多，少数为11岁以内，多数时段没有12～17岁的少年。笔者在工作日和休息日5个时间段分别对老年、中青年和儿童/少年做6份问卷调查，两日各获取30份问卷。

③ 11类要素的确认是基于笔者前期研究《基于可视化SP法的滨水公共空间驻留偏好影响要素和开发导向研究——以上海市黄浦江滨水区为例》中对于滨水公共空间4类要素（基面、岸线、建筑、设施）的细分及北外滩滨水场地特征提取，并在本研究问卷调查中获得使用者确认。

④ 未来场地人流量是对各个出入口进入人数总和的预测，低人流量（40人/h）根据现状场地低值设定，高人流量（300人/h）以黄浦江沿岸人流较多的徐汇滨江公共空间作为参照，通过面积相似比计算获得。

⑤ 模拟截面流量忽略前10 min发射粒子的数量，取中后段人数平均人数。

图表来源(Sources of Figures and Table)：

文中图表均由作者绘制，其中图1卫星图来源于百度地图（2021年）。

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