学术分享 | 遗产保护建筑中的人流引导系统
学术分享
Title:《A Digital Twin for Directing People Flow in Preserved Heritage Buildings》
论文标题：Digital Twin(数字孪生）:用于指导传统建筑中的人流
DOI:10.5151/proceedings-ecaadesigradi2019_479
作者: Armando Trento，Gabriel Wurzer，Ugo Maria Coraglia
关键词:Digital Twin,人流，建筑信息模型，传统建筑
问题背景
目前，很多文化机构和博物馆等传统建筑被列为遗产保护范围，而这些建筑内部经常会因为人群参观而形成大量人流，因此必须针对最佳入口，安全性，安全原因以及变换使用场景为其进行人流的引导。我们常见的障碍带一类的人流引导装置确实提供了一个高度可重构的方案，但是它们在入口区域看上去更像是安全检查，无法与传统建筑很好地融合在一起。
如何用一种“非常规”的方式引导人流，使其与建筑融合，是一个亟待解决的问题，由此本文作者提出了Digital Twin(数字孪生)的概念，使其充当物理世界与虚拟世界之间的桥梁，优化工作流程并远程监控流程。
什么是Digital Twin?
Digital Twin通过使用传感器收集有关物理项目的实时数据，这些数据将用于创建项目的副本，使其能够被理解，操纵或优化。它是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。比如，城市中的实体道路与导航软件中的虚拟道路就是一对"Digital Twin";电脑中的word文档与打印出来的纸质文档就是一对"Digital Twin"......简而言之，Digital Twin是流程，产品或服务的虚拟模型。
而在传统建筑的背景下，基于BIM的工具/方法的实施是最近才出现的，只有少数研究结果能有效地支持设计师处理建筑中用户的行为。对旧建筑甚至更多受保护的建筑，有一个双重的，相反的目标:一方面从物理成分的证明证据出发，保存现有价值;另一方面根据全新的活动，对功能进行革新。
Digital Twin引导人流 作者提出的研究框架中，目标是赋予建筑自身责任，以方便实时管理用户流量，也包括因计划用途而产生的局部变化。因此他们提出了一种可伸缩的人流控制解决方案，旨在适应建筑物的风格，通过在建筑信息模型（BIM）之上使用基于主体的模拟（ABS），委托建筑物本身控制人员流动（图a），形成Digital Twin，并展示了Digital Twin在实际中的应用。
a.Digital Twin的概念，用于在关闭时间将人流引向三个出口
本例是通过使用BIM中的建筑模型(图b)来实现的，在该模型的顶部使用了用于算法决策的ABS(图c)。我们的ABS最初加载建筑物的架构，也就是一个简化的建筑平面图，然后连接到输入传感器上，准备接收当前的流量。
b.建筑物的BIM表示
c.在BIM上方作用的ABS的屏幕截图，根据出口流量启动可伸缩的屏幕
在获得当前的出口流量之后，ABS通过以下方式实时计算舒适地穿过可伸缩障碍物的人数：（1）预测当前打开的障碍物的速度和可达性，这些障碍物会被随机分配给每个模拟行人，反过来（2）给出每个障碍物的密度，如果此密度超过阈值，则计划尽可能打开下一个屏障（3）仍然可以通过预定义时间表之类的规则来推翻该决议，该时间表定义了一天中障碍物的可用性（例如：傍晚最多一个障碍物，夜晚不开放障碍物）。在观测到的流量有较大波动的情况下，也可以使用该特定日期和时间的历史数据来进行估算;这通常发生在博物馆（付款时间充当流入量的估算器）。
在做出决定后，ABS将其转化为信息发送给执行器(可伸缩障碍物)。为避免恒定波动，通常采用磁滞现象。相反的情况，即物理覆盖(例如，设置障碍状态的按钮)指示数字孪生的状态也是可能的。为了做到这一点，这样的手动开关也必须与ABS接口。
具体方法如下:
识别和实现与特定使用场景相关的已定义物理框架的过程只依赖于:•设计师的内隐(函数-动作)知识;•健康和安全人员，根据设计师预先设定的配置行事。这项工作旨在定义能够在传统BIM基础上工作的方法和工具以便:•根据收集的数据(此处:建筑用户行为)，明确建筑物使用知识;•实现传感器-执行器系统，以使自动化系统满足用户的需求。
The process of identifying and implementing a defined physical framework related to a specific usage scenario is relying only on:
• designer’s implicit (function-action) knowledge;
• health and safety personnel, acting on the basis of the designers’ predefined configuration.
This work aims at the definition of methodologies and tools for being able able to work on top of heritage BIMs in order to:
• make building usage knowledge explicit,based on data collection (here: of building user behaviour);
• implement a sensor-actuator system in order to make the automation system supportusers’needs.
在这个意义上，本文从一个纯手工的场景过渡到通过建筑自动化系统过渡到一个增强/辅助的场景，从而使建筑空间/组件能够感知、推理和执行所需的使用变化。
技术实现的一般方法依赖于一个系统的开发，该系统使用传感器作为输入，算法作为中间黑匣子，并向执行器发送信息作为输出:•传感器用于记录人流。该上下文中的选项是显式的来源，如接近传感器，访问控制十字架或隐式来源，如分析来自可视或热成像摄像机、现金柜台等的镜头。•该算法通常是一个控制系统，它必须对感官输入进行推理，以生成信息给执行器。在这种情况下，我们使用ABS作为BIM之上的推理层。•执行器是用来从根本上影响人流。调制可以使用诸如屏障之类的物理障碍，但也可以用无障碍元素，如光瓷砖，信号/标志，动态投影内容，等等。
案例研究为了充分展示他们的方法，作者引用了意大利文明宫的具体实例，将结果与方法联系起来，再次考察遗产保护与实施人流管理解决方案之间的明显差异。
意大利文明宫
意大利文明宫六层用作开放式办公室，一层用作内部咖啡馆，预留一楼顶层的楼梯平台，供公众使用，主要用于免费展览。由于它的混合用途，大楼每天最多可容纳一千人，因此，控制人员流动成为需要解决的问题。
作者选择在 Silico 中模拟这些部件，作为 ABS 的一部分。考虑到行人的肩长大致在该范围内，因此该方法可用于人流模拟中。建筑平面图(再次参见图c)大致分为：(1)入口区域，这里有三个可伸缩的障碍物(2)建筑的三个入口(3)建筑本身的内部区域。
模拟的主要操作是在建筑物入口中以特定的速率生成想要到达开发障碍的主体（图d)。该速率可以从外部源动态读取(即实时输入或记录输入)，也可以在模拟过程中手动读取。为了指导代理商，我们沿最短路径使用静态路由，而无需计算由于行人与周围环境之间以及彼此之间的物理接触而导致的拥堵和阻塞。这种方法对于不涉及紧急情况的条件下是合理的，但是，对于这种高密度的情况，需要适当的行人动力学算法。(例如Helbing et al. 2000)。
d.模拟
在作者的模拟中，“传感器”和“执行器”被建模为自己的代理类型：
•传感器在可配置的时间窗口（此处为模拟的10个“滴答声”）中，沿着跨越所有三个入口的虚拟线作为“开始”，测量平均速率；
•执行器是模仿可伸缩障碍物的主体。它们可以处于“打开”或“关闭”状态，并且可以接收设置其状态的请求。
然后，模拟的核心在于通过检查所有主体的计算路径并估计其到达时间，在可配置的时间窗口中预测密度。如果超过了时间窗口内的可配置密度，则会发出打开另一个障碍的请求。该请求由第二阶段处理，该阶段假定它是白天（由于建筑物主要是开放的，因此让请求通过），关闭或夜间（拒绝请求）。物理覆盖由模拟中的三个三态开关（真/假或未设置）建模，从而给出始终获胜的最终处理阶段。一旦做出决定，便将其发送给所有需要更改的执行器，该请求将立即执行（无滞后）。因此，我们可以看到大约三个“时期”的行人流量（再次参见图c）：一个时期只有一个障碍开放，一个时期有两个，最后时期一个有三个。
本文把Digital Twin视为一个在传感器输入和执行器输出之间的黑盒子，其主要目的是复制真实系统和表示(即模型)，有时两者之间具有(单向或双向)接口。从技术上讲，这是通过两个共享文件完成的(一个用于流程，一个是障碍文件，见图e)，BIM和simulation都可以为其编写文件。BIM端由Revit的Dynamo处理(图f)，模拟端由NetLogo负责(图c和图d)。这些文件还可以从外部源(“传感器”)更新，从而允许实时接口，这是NetLogo为了测试目的而模拟的。
e.系统图
f.从BIM导出状态是通过Dynamo中的自定义算法进行的
实际上，在传统环境中，传感器和执行器的选择受到限制：文化遗产保护问题，干预的可逆性，隐私保护等原因。另一方面，出于安全和保障，不同的空间利用场景和适当的夜间关闭程序，Digital Twin为其提供了一种可能性。目前，在传统建筑中实施的少数基于主体的模拟并未考虑与建筑物的物理接口。第二个方面尚未涵盖的是采用非计划的用途，例如通过物理覆盖或插入新的规则以在运行时计算状态驱动;对于后者，仍有进一步研究的空间。
总结 本文的主要贡献有：
1.回顾了在传统建筑中引导人流的技术发展状况，以便为有感知能力的建筑物确立一套引导行人流动的方法2.描述了一个在BIM之上运行的ABS,它使用当前的和已记录的人流量以及预设规则来计算执行器的下一个状态3.以罗马的意大利文明宫的具体事例来展示该方法，将结果与方法联系起来，再次考察了遗产保护与实施人流管理解决方案之间的明显差异
Our contribution lies in the following areas: • We initially review the State of the Art in directing flows in heritage buildings in order to establish a methodology for sentient buildings that are able to direct pedestrian flow . • We describe an ABS acting on top of a BIM,which computes the next state of actuators using current and recorded pedestrian flow as well as preset rules . • We showcase the approach using the concrete example of the Palazzo della Civiltà Italiana in Rome , relating the results back to our Methodology and once again looking at the apparent discrepancy between heritage protection and implementation of solutions for management of people flow .
进一步贡献，展示了Digital Twin如何在实际中应用。
参考文献：
【1】Brandi, C and Basile, G 2005, Theory of Restoration, Istituto centrale per il restauro (ISBN 9788840440897),Rome (Italy)
【2】Helbing, D, Farkas, I and Vicsek, T 2000, ’Simulating dynamical features of escape panic’, Nature, 407, p.487–490
【3】Hu, H, Luo, Z,Chen, Y, Bian, Q and Tong,Z 2017 ’Integration of Space Syntax into Agent-Based Pedestrian Simulation in Urban Open Space’, Proceedings of CAADRIA 2017, Suzhou (China), pp. 325-334
【4】Al Qattan, E, Galanter, P and Yan, W 2016 ’Developing a Tangible User Interface for Parametric and BIM Applications Using Physical Computing Systems’, Proceedings of eCAADe 2016, Oulu (Finland), pp. 621-630
【5】Sharma, SB and Tabak, V 2008 ’Rapid Agent Based Simulation of People Flow for Design of Spaces Analysis’, Proceedings of DDSS 2008, Eindhoven (Netherlands)
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