CN103473114B - 一种通过人流模拟测算建筑空间活跃度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过人流模拟测算建筑空间活跃度的方法，在待测空间中进行大量人流模拟，并在空间障碍物上设置测量体，测量体探测并累计周边指定范围内出现过的人数，根据累计的人数即时更新测量体的颜色，测量体探测并累计周边指定范围内出现过的人数越多，测量体的颜色越白，所在空间的空间活跃度越高。本发明相对于传统的方法更加准确且简单易行，突破性的创造了一种检测空间活跃度的机制，可视化地显示出空间中任意一点的活跃度值，为建筑空间布局的规划提供了明确而有力的指导。

Description

一种通过人流模拟测算建筑空间活跃度的方法

技术领域

本发明涉及一种测算建筑空间的活跃度的方法，尤其涉及一种通过人流模拟测算建筑空间活跃度的方法。

背景技术

近年来，通过空间布局规划来优化人流模式、提升空间活跃度成为了建筑设计与规划领域的一项重要需求。从大的尺度上来说，城市空间中道路与建筑的布局很大程度上影响了城市路段的人气；从中小尺度上来说，商业综合体中商铺的位置决定了各商铺的商业价值。大量研究证实，忽略建筑空间中温湿度、光照、人的主观因素等其他环境因素的影响，仅空间的分隔与连接方式本身，就可以对人流模式造成决定性的影响。然而，目前的建筑规划实践中并没有一种较为精确科学的方法来测算空间的活跃度。

美国专利US7188056B2中公开了一种通过模拟单个自由主体的行为模式而得到人群群体的整体运动效果的方法，其优点是能够从原理出发科学精确地模拟群体特征，而非如同传统模拟方式，涉及过多程序设计者对于过程运行机制的主观推测。

然而其具体模拟方式有以下几点缺陷：

1.该方式通过制定主体的目标点来计算主体的运行路径，而在城市空间及商业空间中，目标点是动态而不确定的，从原理上不能满足测算空间活跃度的需求。

2.该方式对每个主体使用预先规划好的路径，而路径规划需占用大量的计算资源，尤其是当目标点多变时，所规划的路径不仅不准确而且需要不断重新构建，降低模拟运行效率，甚至使得大批量人流的模拟成为不可能。

现有的技术方案中，基于动态目标点的、以主体在当即情境下的方向选择为运动机制的模拟方法，能够较好地解决以上缺陷，其基本特点是：

1)设定动态目标点。目标点的选择标准是：当空间中任意一个点位于主体的视线范围内，则将其作为候选的目标点；目标点在所有候选目标点中随机确定；当主体向某目标点行走3步以后，则在主题当前的位置所能看到的点中任选一处作为新的目标点。如此实现目标点的动态化。

2)以方向来确定主体的行走行为选择。确定方向的机制是：当主体具有一个目标点，则设定当前方向为面对目标点的方向。事实上，当主体向某一目标点行走3步之后，由于目标点变化，其方向很有可能会发生变化，由方向的变化驱动主体行为选择的变化。

然而，实际运行中，发现该机制仍具有一些问题：

1)出现了较多的不符合正常运动规律的回溯现象，即主体反复在某一段路上行走。这种缺陷导致了这种模拟方法不能满足空间活跃度的测量需求：既然要求测量活跃度，空间中一定具有一些具有吸引力的界面(如商铺的店面，广告牌，放置展示品的墙面等等)，这些界面，当主体已经到达过其中一些时，他们就不再具有吸引力(一般情况下，一个商场中的人们不会反复进入同一个店面，或反复观看同一件展品)。所谓回溯现象，很大程度上是由于没有考虑过吸引物的存在与消失而产生的。

2)这种方法仅是一种人流模拟的方法，并未考虑人流模拟在测算空间活跃度方面的应用机制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，提供一种通过无需事先规划路径的消除回溯现象的人流模拟测算建筑空间活跃度的方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种通过人流模拟测算建筑空间活跃度的方法，其特征在于，包含步骤如下：

步骤1)，将待测建筑空间的平面图像素化，并设定预期人流量、预期停留时间和预期截止人数；

步骤2)，在待测建筑空间的空间障碍物表面设置测量体；

步骤3)，对预期人流量进行泊松分布计算，得出当前进入待测建筑空间的人数；

步骤4)，根据计算出的当前进入待测建筑空间的人数模拟人流进入待测建筑空间；

步骤5)，对在待测建筑空间中的每个模拟人进行人体行为模拟；

步骤6)，测量体探测并累计周边指定范围出现过的人数，其中在待测建筑空间中停留超过预期停留时间的模拟人不被测量体探测并累计，且一旦在其视线内发现待测建筑空间的出口，径直走向出口；

步骤7)，重复步骤3)至步骤6)，直至走出出口的模拟人的人数达到预期截止人数。

作为本发明进一步的优化方案，步骤5)中所述的人体行为模拟的步骤如下：

步骤5.1)，设定一个新目标点，并使得模拟人的方向正对新目标点；

步骤5.2)，对模拟人的方向作随机的小范围调整；

步骤5.3)，如果模拟人正前方是空间障碍物，避开空间障碍物；

步骤5.4)，向前前进一步；

步骤5.5)，重复步骤5.2)至步骤5.4)两次。

作为本发明进一步的优化方案，步骤5.1)中所述设定一个新目标点的步骤如下：

步骤5.1.1)，在模拟人正前方170°的视角内，如果存在可见的且未曾到达过的测量体，则任意选择其中一个设定为新目标点，否则执行步骤5.1.2)；

步骤5.1.2)，在模拟人正前方170°的视角内，如果存在代表无障碍物空间的像素点，则任意选择其中一个像素点设定为新目标点，否则执行步骤5.1.3)；

步骤5.1.3)，在模拟人周围360°的视角内，任意选择一个代表无障碍物空间的像素点设定为新目标点。

作为本发明进一步的优化方案，步骤5.2)中所述的对模拟人的方向作随机的小范围调整的步骤如下：

随机选择向左或向右转，转的角度大小为：其中，random 175表示0到174之间的一个随机整数。

作为本发明进一步的优化方案，步骤5.1.1)中所述的可见的测量体的判断方法如下：

步骤5.1.1.1)，将待测建筑空间中所有空间障碍物的轮廓用直线段的函数表达式表示；

步骤5.1.1.2)，选择一个测量体，将测量体所在地与模拟人所在地的直线段以函数表达式表示；

步骤5.1.1.3)，判断测量体所在地与模拟人所在地的直线段是否与空间障碍物的轮廓的直线段有焦点，若果有，该测量体是不可见的测量体，如果没有，则该测量体是可见的测量体。

作为本发明进一步的优化方案，步骤6)中所述的测量体探测并累计周边指定范围出现过的人数的具体步骤如下：

对于待测建筑空间中的每个模拟人，若其周围1m范围内存在测量体，则视为距其最近的测量体探测到该模拟人，其累计的周边指定范围出现过的人数值加1。

作为本发明进一步的优化方案，步骤6)中所述的测量体探测并累计周边指定范围出现过的人数的具体步骤如下：

对于待测建筑空间中的每个模拟人，若其前方170°视角内存在距离小于10m的测量体，则视为这些测量体探测到该模拟人，这些测量体累计的周边指定范围出现过的人数值加1。

作为本发明进一步的优化方案，所述的测量体的颜色的深浅随其累计的周边指定范围出现过的人数值的变化而变化，测量体的亮度公式如下：

$B=\frac{n-\min \left(n\right)}{max\left(n\right)-\min \left(n\right)}\×100\%$

其中，B为测量体的亮度，n为本测量体所记录的人数，max(n)为所有测量体所记录的人数的最大值，min(n)为所有测量体所记录的人数的最小值。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.无需对每个主题预先规划路径，节省了大量的计算资源；

2.该方法通过模拟人群在公共空间中的行走方式，经过数学统计与可视化，测量出这一空间中任意一点的活跃度值。

3.相对于传统的方法更加准确且简单易行，并突破性的创造了一种检测空间活跃度的机制，为建筑空间布局的规划提供了明确而有力的指导。

具体实施方式

下面对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本实施例公开了一种通过人流模拟测算建筑空间活跃度的方法，即在待测空间中进行大量人流模拟，根据空间障碍物探测并累计周边指定范围内出现过的人数n，让空间障碍物即时更新自身的颜色，来反映造访过自身的行人量，其具体的流程如下：

第一步：使用者输入待测空间的像素化的平面图，并设定预期人流量Q，以及人群预期在该空间中停留的时间t0。平面图中，“像素点”通过不同颜色表示其性质不同：灰色代表空间，褐色代表空间中的障碍物，黑色代表所要研究的区域以外的空间。像素点的大小与其物理尺度成比例，根据人的尺度，这里将每个像素点设定为1m*1m的大小。预期人流量Q可根据建筑所在场地的实测人流量而定，预期停留时间t0可根据展示空间的大小及设计者的预期而定。

第二步：在空间障碍物的表面放置测量体。测量体形状为黑色长方形，放置在褐色像素得按的边缘，用来探测并累计周边指定范围内出现过的人数n，并根据n使自身的颜色的深浅发生变化。

其中，“探测并累计周边指定范围内出现过的人数n”可采用以下两种方法实现：

1.对于待测空间中的每个“人”，若其周围1m范围内存在测量体，则距其最近的测量体的n值增加1，即该测量体将此“人”作为自身的访客之一。这种模式适合于探测造访人数的多少，可应用于测量某商铺的人气等等。

2.对于待测空间中的每个“人”，若其前方170°视角内，且距离小于10m范围内存在测量体，则所有符合上述条件的测量体的n值增加1，即该测量体将此“人”作为自身的观看者之一。这种模式适合于探测观看者人数的多少，可应用于测量某广告牌的醒目程度等等。

“根据n使自身的颜色的深浅发生变化”的具体方法是：

其颜色若用HSB色彩模式表示，则色相H和饱和度S不变，亮度B的确定公式为：

$B=\frac{n-\min \left(n\right)}{max\left(n\right)-\min \left(n\right)}\×100\%,$

其中，n为本测量体所记录的人数，max(n)为所有测量体所记录的人数的最大值，min(n)为所有测量体所记录的人数的最小值。B为0％时呈黑色，为100％时呈白色。

第三步：虚拟人流从入口进入空间，实现人流模拟，其伪代码如下：

开始

Loop[

对预先设定的人流量Q进行泊松分布计算，得出当前进入待测空间的人数，并按照所得人数模拟人流进入待测空间。

针对待测空间中的每一个人，进行人体行为模拟。

针对待测空间中的每一个测量体，不断更新其探测并累计周边指定范围内出现过的人数n，并根据n使自身的颜色的深浅发生变化。

针对待测空间中的每一个人，在待测空间中所处的时间超过预期停留时间t0后，一旦在其视线范围内发现出口，则径直走向出口，并且不再被测量体所测量。

系统计时器向前推进一个tick(对应现实情境中的1s)。

]

结束

在待测空间中，根据人的状态的不同用不同的颜色进行表示：

所有刚进入展示空间的人都标为绿色，程序运行过程中，所有人记录自己在待测空间中行走了多长时间t(以tick为单位)，当某人的t达到预期停留时间t0后，变为黄色，黄色的人的运动规则与绿色的相同，但黄色的人一旦在视线范围内发现出口，则变为蓝色，并以每个tick走1m的速度径直走向出口。蓝色的人不能造成测量体的n值的增加。

这种机制可以理解为：当人在待测空间中停留时间达到耐心极限，则开始寻找出口，当找到出口，则径直走出，并不再关注待测空间中的其他吸引物。

所述人体行为模拟的伪代码如下：

开始

Loop[

设定一个新目标点

使得自己的方向正对新目标点

Repeat 3[

对自己的方向作随机的小范围调整

If正前方一步远的位置的像素点为褐色[

避开褐色像素点

]

前进一步(对应现实情境中的1m)

]

]

结束

其中设定新目标点的方法如下：

在正前方170°的视角内，若存在可见的、且行人A未曾到达过的测量体，则任选一个这样的测量体，作为行人A的目标点。

若不存在上述测量体：

在正前方170°的视角内，若存在可见的灰色像素点，则任选一个这样的像素点作为A的目标点。

若仍不存在这样的像素点：

则在周围360°视角内，任选一个灰色的像素点，作为A的目标点。

在正确输入的建筑空间中，最后这种情形所描述的点总是存在的。

使用170°视角的原因是，研究表明，人在自由行走的过程中具有保持原方向的天性。而170°是大多数人平视前方时的水平视角范围。因此，这一设定模拟了行人正视前方时，在视线范围内搜索目标点的行为。而当这样的点不存在，行人只能转身，在360°范围内搜索目标点。

而“未到达过的”准目标点能够优先于一般的像素点被选择，意图在于模拟行人探索整个空间的行为。这样一种行为是展示、商业及城市空间中常见的。

对自己的方向作随机的小范围调整的方法如下：

每次调整时，系统掷一次骰子，使得行人有一半机会向左或向右转，转的角度大小为：其中，random 175表示0到174之间的一个随机整数。

这一公式的目的是，1，使得随机改变的角度不低于1°，不超过30°；2，大多数情况下，改变的角度会较小，改变的角度越大的情况发生的可能性越小。

避开褐色像素点的方法如下：

当行人A正前方1m处有障碍物(褐色像素)时，A尝试向左转一个小角度α，若此时正前方1m处仍是障碍物(因为障碍物具有长度、体积)，则转回原方向，并向右转一个小角度α。若此时正前方1m处仍是障碍物，则再转回原方向，再尝试向左转2α，向右转2α，向左转3α，等等，直到正前方1m处不是障碍物，停止。

这样做的目的是，使得行人A能够尽量保持原方向，转一个最小的角度绕过障碍。

实验中，当α≤5°时，模拟效果大体相同，所以为了节约计算资源，选择令α＝5°。

测量体是否可见的判别方法如下：

由于空间中所有像素点都有坐标，在输入空间后，很容易将空间中所有障碍物的轮廓用多条直线段的函数表达式表示。由行人所在处A点与测量体B点的坐标可得到AB线段的函数表达式。这样，就易于计算出线段AB是否与空间中已有的线段有焦点。如果没有任何焦点，则A与B可见。

行人是否到达过某个测量体的判断方法如下：

若行人A距离任何测量体C小于则认为A到达过C。A与C各自将对方的身份存储下来。

最终，当走出出口的总人数达到300人时停止模拟，此时得出测量结果，测量体所具有的颜色越偏白色，代表其所在位置的空间活跃度越高。

Claims (7)

1.一种通过人流模拟测算建筑空间活跃度的方法，其特征在于，包含步骤如下：

步骤1)，将待测建筑空间的平面图像素化，并设定预期人流量、预期停留时间和预期截止人数；

步骤2)，在待测建筑空间的空间障碍物表面设置测量体；

步骤3)，对预期人流量进行泊松分布计算，得出当前进入待测建筑空间的人数；

步骤4)，根据计算出的当前进入待测建筑空间的人数模拟人流进入待测建筑空间；

步骤5)，对在待测建筑空间中的每个模拟人进行人体行为模拟，所述的人体行为模拟的步骤如下：

步骤5.1)，设定一个新目标点，并使得模拟人的方向正对新目标点；

步骤5.2)，对模拟人的方向作随机的小范围调整；

步骤5.3)，如果模拟人正前方是空间障碍物，避开空间障碍物；

步骤5.4)，向前前进一步；

步骤5.5)，重复步骤5.2)至步骤5.4)两次；

步骤6)，测量体探测并累计周边指定范围出现过的人数，其中在待测建筑空间中停留超过预期停留时间的模拟人不被测量体探测并累计，且一旦在其视线内发现待测建筑空间的出口，径直走向出口；

步骤7)，重复步骤3)至步骤6)，直至走出出口的模拟人的人数达到预期截止人数。

2.根据权利要求1所述的一种通过人流模拟测算建筑空间活跃度的方法，其特征在于，步骤5.1)中所述设定一个新目标点的步骤如下：

步骤5.1.1)，在模拟人正前方170°的视角内，如果存在可见的且未曾到达过的测量体，则任意选择其中一个设定为新目标点，否则执行步骤5.1.2)；

步骤5.1.2)，在模拟人正前方170°的视角内，如果存在代表无障碍物空间的像素点，则任意选择其中一个像素点设定为新目标点，否则执行步骤5.1.3)；

步骤5.1.3)，在模拟人周围360°的视角内，任意选择一个代表无障碍物空间的像素点设定为新目标点。

3.根据权利要求1所述的一种通过人流模拟测算建筑空间活跃度的方法，其特征在于，步骤5.2)中所述的对模拟人的方向作随机的小范围调整的步骤如下：

随机选择向左或向右转，转的角度大小为：其中，random 175表示0到174之间的一个随机整数。

4.根据权利要求2所述的一种通过人流模拟测算建筑空间活跃度的方法，其特征在于，步骤5.1.1)中所述的可见的测量体的判断方法如下：

步骤5.1.1.1)，将待测建筑空间中所有空间障碍物的轮廓用直线段的函数表达式表示；

步骤5.1.1.2)，选择一个测量体，将测量体所在地与模拟人所在地的直线段以函数表达式表示；

步骤5.1.1.3)，判断测量体所在地与模拟人所在地的直线段是否与空间障碍物的轮廓的直线段有焦点，若果有，该测量体是不可见的测量体，如果没有，则该测量体是可见的测量体。

5.根据权利要求1所述的一种通过人流模拟测算建筑空间活跃度的方法，其特征在于，步骤6)中所述的测量体探测并累计周边指定范围出现过的人数的具体步骤如下：

对于待测建筑空间中的每个模拟人，若其周围1m范围内存在测量体，则视为距其最近的测量体探测到该模拟人，其累计的周边指定范围出现过的人数值加1。

6.根据权利要求1所述的一种通过人流模拟测算建筑空间活跃度的方法，其特征在于，步骤6)中所述的测量体探测并累计周边指定范围出现过的人数的具体步骤如下：

对于待测建筑空间中的每个模拟人，若其前方170°视角内存在距离小于10m的测量体，则视为这些测量体探测到该模拟人，这些测量体累计的周边指定范围出现过的人数值加1。

7.根据权利要求1所述的一种通过人流模拟测算建筑空间活跃度的方法，其特征在于，所述的测量体的颜色的深浅随其累计的周边指定范围出现过的人数值的变化而变化，测量体的亮度公式如下：

$B=\frac{n-\min \left(n\right)}{max\left(n\right)-\min \left(n\right)}\×100\%$

其中，B为测量体的亮度，n为本测量体所记录的人数，max(n)为所有测量体所记录的人数的最大值，min(n)为所有测量体所记录的人数的最小值。