20世纪80年代起,随着计算机科学技术的发展,开发了涵盖多个研究领域的建筑行为模拟软件。如人员疏散模拟,1985年美国标准局国家实验室建筑技术中心环境设计研究部的FRED Istahl,利用BFIRES模型对建筑火灾中人的疏散行为进行了一系列研究,对多层建筑物火灾应急疏散及救助进行了模拟。21世纪以来,各国研究机构相继开发出EVACNET、Simulex、EVACSIM、EXITT等软件,模拟人群安全疏散。
在交通运输领域,机场、车站等仿真分析在20世纪70年代就已有一定研究成果。如美国联邦航空管理局FAA研发的机场模型以及仿真模型(airfield capacity model),用来在给定连续需求情况下,计算机场跑道系统的极限容量或称饱和容量分析。在给定跑道构形和运行策略等数据后,利用该模型可以计算出包括单跑道至四跑道等15种常见跑道构形的小时极限容量。
在建筑节能领域,20世纪70年代第一次能源危机后,与建筑节能有关的人行为研究引起学术界包括社会学、经济学、心理学、生理学和工程学等多个领域的兴趣与重视,并从各自学科角度探寻建筑节能的有效途径。已有不少针对人员移动和动作的模型,除了最常用的固定作息方法外,还有针对其不足而提出的随机过程模型、阈值模型、统计回归模型的等一系列改进模型。
除上述领域,建筑行为模拟还应用于建筑施工、智能家居、商业文化场馆设计等多个领域。随着计算机应用的发展,以及建筑、城市的设计、施工、运维需求的提高,建筑行为模拟会在更多细分领域得以应用。
不同人的行为特征体现了其不同的心理变化,从对周围环境的感知,对信息的接收、融合及处理,到做出决策并执行,都体现了人心理的变化,所以在人行为仿真建模过程中要充分考虑心理变化的影响,并结合调查数据对模型进行印证。
行为模拟需要考虑人个体属性、人分布情况和环境,对人的行为进行分析,并以此为基础建立人行为表征模型。分别从模型的构建特征、与个体行为特征结合难易程度、编程实现的难易程度和运算效率方面对元胞自动机模型、流体力学模型、磁场力模型、社会力模型、格子气模型、Agent模型等人仿真模型进行对比分析,选取合适的人行为仿真模型。将人行为表征模型嵌入到所选的人仿真模型中,借助于合适的软件仿真平台,实现人行为仿真,并对仿真结果进行分析,与真实实验情况进行拟合对比,不断完善仿真模型,从而为建筑、城市的人性化设计、组织和管理策略的制定提供理论依据。
建筑行为模拟以视角划分,可分为宏观、中观与微观3个角度。①宏观模拟,将群体行为视为密度流,采用类似流体力学的方法进行研究,个体被理解为粒子。模拟只关注集体行为特征,不考虑个体差异性选择。该模型常被用于模拟人群疏散、各类交通站点人流分析等。研究重点集中于双向或多向人流的交叉问题,以及大规模模拟与计算机负荷的平衡问题。②中观模拟,通过空间形态指引人的行为,采用视觉生态理论与空间句法理论进行研究,关注集群性运动而非个体性,且不考虑个体间的互动。该模型常用于模拟展览馆与博物馆的自发性参观行为等。③微观模拟,以个人角度构建,个体被视作理性经济人,采用行为经济学的最大效用理论进行空间决策,如个体对多目的地的先后次序及路径选择。仿真过程中关注个体差异性选择。部分微观模型将行为空间视为连续性空间,如社会力模型。其余模型将空间视为离散环境,如元胞自动机模型。微观模拟被集中用于研究休闲购物行为、参观行为和自由活动行为等。
建筑行为模拟目标分为两个层面,精确性和效率性。①模拟的精确性,通过仿真实验结果与实测数据之间的拟合程度进行验证。随着对人行为研究的不断深入,基于人的社会经济统计数据、空间环境物理参数、行为经济学、心理学等的预测模型会为建筑规划设计提供更可靠的数据支撑和分析模型。②模拟的效率性,随着模拟规模和复杂性的增加,庞大的计算要求与计算机自身的计算能力相互平衡。
解决精确性和效率性的关键在于采用更加先进的计算机仿真技术,这些技术主要包括虚拟现实技术、智能仿真技术、系统集成。
虚拟现实技术是在综合计算机图形技术、计算机仿真技术、传感技术、显示技术等多种技术的基础上发展起来的新技术,是高逼真的仿真人在自然环境中的视、听、触、嗅、味等多种感知,制造一个虚拟环境,置身于该环境中的人,可以通过各种传感交互设备与这一虚拟的现实进行交互作用,达到彼此相互作用更迭,融为一体的程度。它以仿真的形式创造一个实时反映实体的三维图形世界、多维用户界面,构造一个建立在人机和谐基础上集成高性能的计算机软硬件及各类先进的传感器,去创造一个使参与者处于一个具有身临其境的沉浸感,具有完善的交互能力,能帮助和启发构思的仿真环境。应用虚拟现实技术可以显著地改善仿真系统的人机界面,提高系统交互能力,特别对于建筑行为模拟(仿真)更具有一种真实的虚拟环境。
智能仿真技术是用智能化的信息处理能力、知识工程、启发式推理、专家系统、神经网络模型等来确定仿真过程的框架,用传统的仿真方式来表现仿真过程的一种技术。由于人工智能等的引入,使得计算机仿真程序在一定程度上也具有人类所具有的智能,可代替人类从事一些智能活动,系统人员只要对被仿真系统的某一层次的特性进行描述,然后依照规则的知识库,让系统自动或半自动地寻找满足试验要求的模型,然后在次模型上进行工作和探索,最后求得结果。仿真系统在和专家系统结合以后,可以把计算机的咨询、仿真、推理、决策、判断等功能结合起来,环境的视觉、听觉、触觉的逼真感受容易实现。
系统集成是把各种功能不同的软件系统,按不同的用途有机地结合起来,用统一的执行控制程序来组织各种信息的传递,保证系统内信息流畅通,并协调各子系统有效地运行。从上述系统集成的几种定义中可以看出,将系统集成思想引入到机场系统计算机仿真研究中,可以使仿真系统易于扩充,提高仿真系统开发效率,缩短开发周期,提高系统开发质量,并使仿真系统成为一个真正的开放系统。