“元宇宙”視域下基于互聯(lián)網(wǎng)虛擬實驗的公共建筑人流模擬研究

孫澄宇，鄒明妍，李舒陽

0 引言

人流運動特征的預(yù)測與應(yīng)急疏散、建筑前后評估、步行交通密切相關(guān)[1]。2021 年，元宇宙熱潮席卷全球，一個結(jié)合物理、增強(qiáng)或虛擬現(xiàn)實的“共享在線空間”使主流虛擬發(fā)生了巨大變化，虛擬環(huán)境走向用戶可感知的虛擬宇宙。隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、5G 移動網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的進(jìn)步，元宇宙成為集合多種前沿技術(shù)的新興互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序，通過高速網(wǎng)絡(luò)傳輸大量數(shù)據(jù)，減弱數(shù)據(jù)延遲帶來的弊端，虛擬實驗開始在元宇宙中進(jìn)行，即在元宇宙中創(chuàng)建三維場景并通過Web 接口（網(wǎng)頁）顯示給最終用戶，參與者不受地域時空限制，利用網(wǎng)絡(luò)、VR 設(shè)備體驗具有無限潛力的虛擬世界，并以獨特的方式與虛擬人偶交互[2-3]。元宇宙的持續(xù)發(fā)展為人流模擬研究提供了新的契機(jī)，為建筑學(xué)研究帶來了新的機(jī)遇。本文以上海浦東國際機(jī)場衛(wèi)星廳S1 航站樓為例，探索元宇宙在人流模擬的應(yīng)用。

1 研究方法

1.1 元宇宙視域下人流模擬的工作流程

本文所提出的元宇宙視域下人流模擬以互聯(lián)網(wǎng)虛擬實驗為技術(shù)手段，包括服務(wù)器端、Web瀏覽器端、展示端3 部分協(xié)同工作。服務(wù)器端將特定輕量化的虛擬世界（虛擬建筑空間、虛擬人偶），通過互聯(lián)網(wǎng)傳遞至Web 瀏覽器端，參與者可以不受時空限制登錄瀏覽器端并完成虛擬任務(wù)，其真人尋路行為數(shù)據(jù)被實時傳回服務(wù)器端，存入數(shù)據(jù)庫；當(dāng)其數(shù)量未達(dá)到設(shè)定的判斷閾值時，虛擬人偶被隨機(jī)路徑驅(qū)動；相反，則啟動“時空挪移算法”驅(qū)動虛擬人偶。展示端進(jìn)行大量路徑（被試路徑信息、虛擬人偶路徑信息），即人流模擬結(jié)果的可視化展示（圖1）。

1 元宇宙視域下人流模擬的工作流程

1.2 時空挪移算法

元宇宙視域下的人流模擬以虛擬人偶的驅(qū)動機(jī)制為核心。本文提出“時空挪移算法”，它將實驗初期獲取的有限數(shù)量的真人原始路徑，源源不斷地轉(zhuǎn)變?yōu)榉险嫒寺窂教卣鞯摹罢嫒俗儞Q路徑”。整套算法以基于活動的模型（Activity-based Model，ABM）為基礎(chǔ)，將行人在常態(tài)下的一條連續(xù)的長路徑理解為一條活動鏈，包括一系列沿途活動A 及其之間的路徑P。根據(jù)既有的ABM 研究推斷，同一位行人，如果曾經(jīng)在完成活動Ai 后，高概率選擇了活動Aj，那么預(yù)測他今后完成活動Ai 后仍會高概率選擇活動Aj。如果曾經(jīng)在活動Ai 與Aj 的位置之間高概率采取路徑Pij，那么預(yù)測他今后從活動Ai 位置移動到活動Aj 位置，仍會高概率采用路徑Pij[4-5]。因此，可以從一整條被試路徑中按活動位置截取子活動鏈，充當(dāng)最接近該被試的局部尋路反應(yīng)，即為“空間切片”操作（圖2）。此外，既有的ABM 研究表明，不同性質(zhì)的活動（如購物、就餐）對時間的敏感程度不同，如果所有活動都屬于對時間因素不敏感的，那么即使在其他時間發(fā)生，活動前后的組合關(guān)系、相關(guān)路徑，都保持不變[6-7]。因此，按“空間切片”操作獲得的一條某位被試的真實子活動鏈，在一定條件下也可以“平移”其發(fā)生的時間，并保持其中各項活動與路徑的耗時，即為“時間平移”（圖2）操作。上述兩種操作構(gòu)成了“時空挪移算法”，它利用一條完整的“真人原始路徑”，變換出最為接近該路徑被試尋路反應(yīng)的多條“真人變換路徑”，驅(qū)動虛擬人偶的移動。

2 時空挪移算法示意

2 元宇宙人流模擬的應(yīng)用案例

2.1 元宇宙平臺搭建

本研究利用Rhino 3D 軟件搭建了低細(xì)節(jié)水平三維模型，并按建筑空間等特征，分成若干渲染單元。每個渲染單元包含一個三維局部模型和一個位于其中心位置的高清全景圖，經(jīng)過配準(zhǔn)后，每張全景圖的畫面細(xì)節(jié)被當(dāng)作貼圖動態(tài)附著于任意模型上，構(gòu)建S1 航站樓國際出發(fā)層的虛擬建筑空間，并利用Unity3D 軟件開發(fā)12 種虛擬人偶個體模板，搭建了元宇宙虛擬實驗平臺（圖3）。元宇宙內(nèi)的在線虛擬尋路任務(wù)以虛擬登機(jī)牌的形式提供給被試，從S1 航站樓國際出發(fā)層的垂直到達(dá)位置出發(fā)（A-D），經(jīng)過一個途經(jīng)點后，及時到達(dá)目標(biāo)登機(jī)口（圖4）。

3 元宇宙虛擬實驗平臺

4 在線虛擬尋路任務(wù)的起點與目標(biāo)登機(jī)口

2.2 互聯(lián)網(wǎng)虛擬尋路實驗開展

團(tuán)隊通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布實驗邀約與說明，被試可自行登錄元宇宙虛擬實驗平臺（http://pvg.plans.run）領(lǐng)取尋路實驗任務(wù)（圖5）。2021 年10 月，共招募435 名在線被試，其中男性211名，女性224 名，在72 小時的在線實驗開放期內(nèi)采集了13,712 人次的尋路路徑數(shù)據(jù)（有效數(shù)據(jù)13,010 條）。

5 元宇宙虛擬實驗平臺的入口

2.3 人流模擬結(jié)果可視化

服務(wù)器記錄的元宇宙平臺內(nèi)被試的有效尋路路徑數(shù)據(jù)構(gòu)成了人流模擬的原始數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)樣本都詳細(xì)描述了虛擬世界中被試尋路的時空信息。人流模擬結(jié)果為尋路數(shù)據(jù)的可視化，包括三維場景中被試與人偶尋路過程的動態(tài)可視化（圖6）、二維平面中尋路路徑疊加的靜態(tài)可視化（圖7）。

6 0.17人/m2密度下人流動態(tài)的三維可視化

7 尋路軌跡疊加的靜態(tài)可視化

3 結(jié)語

文章探索了元宇宙在人流模擬方面的應(yīng)用潛力和潛在價值，雖然距離“元宇宙”在建筑領(lǐng)域的成熟應(yīng)用還有較大的探索空間，但隨著技術(shù)的深層演進(jìn)，元宇宙將為虛擬世界提供更高水平的沉浸和互動感知體驗，以更加先進(jìn)的技術(shù)形態(tài)賦能建筑研究。□