在智慧城市发展的过程中,技术驱动的智慧城市应用与产品设计,一度局限于非空间层面。而随着智慧城市的持续发展,空间要素逐渐与智能技术发展相互影响,空间的数字化与数字技术的空间化开始成为趋势。空间不仅是人与城市实体存在与发展的表征,也开始成为人工智能为核心的新一代信息技术的重要应用载体。
在新时期,作为城市规划研究的核心,城市空间在技术-空间-社会的多重耦合下正在被重新定义,新技术、新模式与新业态层出不穷,智能化生产与智能产业催生出的新的空间生产模式,城市空间亦为其提供更多的场景和应用市场。智慧城市技术与城市实体空间布局设计的结合,将成为面向未来的城市规划与智慧城市共同的实践热点。
此文为智慧城市与智能空间前沿研究系列第一篇,中国城市规划设计研究院信息中心(创新中心)与中规院(北京)规划设计公司新技术中心将联袂持续推出系列前瞻研究,敬请关注。
街道是城市生活的主要载体,除了交通以外,街道范围在建筑之间还需要满足购物,社交活动,娱乐和其他生活相关的活动需求。未来由城市居民需求的细分指导街道环境实时地反馈将为城市街道带来更便捷化、人性化和多元化的生活体验。
由于快速的城市化进程和互联网带来的经济活动转型,街道空间作为社交被使用过程中面临一系列的功能冲突。而随着智慧城市建设和智能街道的推进,探讨在信息化的城市街道中线下互动社交的价值和必要性将重新赋予街道吸引力。笔者团队和维思平建筑合作,以南水关胡同为测试场地,根据街道的空间和功能需求展开调研,进行智能单体感应、反馈的群集的互动实验,设计以街道智能设施的形式改善街道的功能性、安全性和宜人性的解决方案。在Arduino单片机和机器学习等理论技术支撑下,借助对当下物联网和信息通信技术的发展的理解,课题就街道的需求、环境的感知、系统的群集等以下几个方面展开研究:
南水关胡同位于东城区朝阳门内路口南,胡同因旧时在朝阳门南城墙下有水关(疏导或节制水流穿越城墙的设施)而得名。现在的南水关胡同是作为一条功能复合、使用人群多元、日均多峰值流量的街道。街道两侧以及周边用地类型多样,有办公、居住、学校、市政等功能建筑,有银河SOHO、北京INN等商业以及住宅等新型综合建筑,也有老城区的平房胡同。街道两侧广场、路口、小区入口以及较宽阔的人行道处为主要人群聚集点(如图1)。
由于街道两侧功能多样,在每天的不同时段,学生、上班族、外卖快递小哥、老人等分时段成为了街道的主要使用和占用者,对街道交通系统、公共空间的灵活性和可适应性提出了更高的需求。

图1 南水关胡同主要聚集点和建筑出入口,马小轩,张奕斌,赵明辉,《陪伴宠物》
目前街道主要存在以下问题:
(1)街道被现今城市居民作为社交与游憩场所使用的功能受到冲击;
(2)街道上的行人步行看手机,带来了安全隐患,也减少了面对面社会交往的可能性;
(3)街道上公共聚集、休憩空间被占用;
(4)道路分流使用了大量的围栏,但是没有起到引流的作用;
(5)人行道被外卖电动车占用,交通流线混乱;
(6)街道没有为居民提供良好的城市生态环境,适宜停留空间减少。
2、课题的设计目标
互联网与信息时代的物理世界同样重要。我们在享受着便利的城市生活的同时,也同样对公共空间和面对面社交有着强烈的渴望。从前的街道是作为购物、社会交往、日常服务等的主要空间,人们在街道上实现除了交通以外的多样活动体验。但是现在随着手机应用功能提供的服务越来越多元、细分,信息和网络服务的便捷性使得餐饮、零售类等的功能实现了点对点的对接,街道上的实体商业和服务空间正在被边缘化,也在被城市中的人们所忽略。
街道空间正在被热衷于线上活动的人群作为公共空间所遗忘(如图2)。信息化的发展同样可以为街道空间带来更多元的活动体验和空间场所,我们需要的是有吸引力的街道,而智能设施的出现将利用信息带来更加定制化的空间体验。智能设施的应用可以带来更多元且与时俱进的线下社交,为城市街道恢复吸引力。

图2 街道正在失去社会交往的属性,朱光亚,杜玥珲,《In Between Walls》
课题的设计目标是实现智能设施从产品尺度到建筑尺度的转换,并通过智能单体间可交流、可调整、多功能的特征形成群体互动。技术目标分为两个部分,分别是群体感应和群体驱动,实现智能单体的信息收集、反馈执行、移动和运动等功能。通过探讨智能装置在街道中的可能性反馈机制,为智能街道的空间设计提出可行性概念,与将来智慧城市的衔接做好物理空间准备。
城市空间、景观、建筑……即使是中小型的空间环境也会深刻地影响人们的生活的感受。公共空间以及城市形态塑造着我们的认知、情绪、行动,甚至强大地影响我们的幸福。环境其实是有助于建构我们的自我感和身份感的。居住环境在塑造我们的生活模式的同时,对我们的意识层面的影响也很巨大。然而,我们对于所处居住环境的认知大部分都发生在无意识层面。也因此,在技术发展的支撑下,引入传感器或感应装置在帮我们以数字化和数据形式重新认知城市空间环境、重组并定义空间功能方面非常重要。
1、群体的感应实现
实现群体感应,需要对环境信息进行收集反馈。也就是说,通过感应到的数据对智能单体进行控制。在这个过程中,我们采用Arduino板/Genuino板-单片机的开发平台,接收来自多个传感器的输入信号来感知环境,为本课题进行信息和数据的收集,并通过LED灯、舵机和发动机等其他制动器实现动作反馈。当制作一个小作品时,要分别建立电路和Arduino软件界面(IDE)来进行交互,并告诉单片机如何与其他组件进行连接(如图3)。
这些指令需要用到Arduino程序语言(基于编程)和Arduino软件(基于Processing)。Arduino集成开发环境(或是Arduino IDE)包含了一个用于写代码的文本编辑器、一个消息区、一个文本控制台以及一个带有常用功能按钮和文本菜单的工具栏。软件连接Arduino和Genuino之后,能给所连接的控制板上传程序,还能与控制板相互通信。

图3 Arduino板控制舵机,驱动模型产生形变发生位移,袁浩然、钟晋,王腾,《毛毛虫》
感应反馈控制的元件可实现不同的功能,主要以信息收集以及反馈执行为主。Arduino的硬件原理图、电路图、IDE软件及核心库文件都是开源的,在开源协议范围内里可以任意修改原始设计及相应代码。通过完成Arduino编程语言的三个部分:结构、变量、函数的编写,我们都够实现传感器数据的输入,并通过计算、判断等语句实现信号的输出,传递到反馈动作的原件上,实现结构的可动性和单体的可组合性。
2、环境中可感应因素
从人类器官的角度定义,可以感觉外界事物并传导到大脑里的器官都叫感官。从人类感觉外界事物的方式看,人类感官一般指触觉//视觉/听觉/嗅觉/味觉等。人类学家Clifford Geertz强调:人生活在他自己所编织起来的文化意涵的网络中。这提醒我们:要能够编织生活于文化意涵的体系中,人们恐怕更需要先能够组织辨认感官所感受到的讯息,将某些感官的讯息归入软硬、粗细、轻重、明暗、酸甜、香臭等等分类系统。我们总是经由感官讯息的操作、传递与接受,维系与这个世界的关系,组织生活的意义。感官的真实过程并不是大脑“看”或“听”。大脑一如既往地处于沉默和黑暗中,一切感知都仅存在与电化学信号的数据传递中。大脑会忠实地将接收信号,提取模式,赋予意义----形成了我们认知中的主观世界。但是语义的局限和感官的局限使我们不能真实的描述和表达感知。
我们需要重新考量街道环境与人体感知的信息之间的关系。在这之前,我们需要跳出人体感受器官给与我们认知上的局限性,真正思考感受和感知之间的联系。我们需要重新从人体的接受器官和认知系统出发来理解我们的主观世界。
我们将传感器的类型分为信息收集类和反馈执行两大类。信息收集类分为自然数据、物理数据和人体数据(如图4)。自然数据主要从环境要素中收集。环境信息表达包括常见的光,温,水,气,土等相关的状态变化;物理数据描述为声音,声波,磁场,色彩,距离,力等客观状态变化;人体数据体现人的生理类和行为类状态变化。反馈数据为感应器本身与外界的互动信息传达。

图4 传感器类型可以进行数据的收集和反馈,赵晓静
3、行为的反馈机制
通过数据认知街道的环境。为了实现街道的不同功能叠加和创新,我们将使用不同类型的传感器进行数据的收集,来判断环境状况。人体红外检测人的存在并可以转化为人流量技术、声音收集判断环境中组成是车流为主还是人流为主(如图5、6、7)、光线和温度判断街道的舒适性是否利于人群的停留;超声波用来测量距离反馈控制行为模式(如图8)。通过数据我们重新认识和感应街道空间,从数据层面上,我们对环境的敏感性有的更深层次的理解。

图5 红外感应和超声波定位实现人体照明和跟随的安全“宠物”,马小轩,张奕斌,赵明辉,《陪伴宠物》

图6 声音驱动视错觉装置引导人流,李天巍,罗程安然,武玥,《Kinect Railing》

图7 声纳测距和红外感应构成单体爬台阶,组合形成群集,袁浩然、钟晋,王腾,《毛毛虫》

图8 感光元件与舵机结合控制投影到对街的行人剪影,打破两侧行人的空间隔离,
朱光亚,杜玥珲,《In Between Walls》
感知街道上的数据,可以为居民提供更人性化的服务。数据和信息让我们对环境的场地状况了解地更为实时和精准,我们可以对环境状态进行更加真实的记录,由此提出更有效的解决方案,也能够为居民的活动和社交提供新的可能性,为街道带来数据驱动的创新吸引力。
1、系统的控制与互动
互动的系统控制为后期单体组合达成群集功能奠定了基础。我们需要一个互动的系统指定单元之间的组织规则和运动方式,使单元能够自发运动达到行为和功能实现的复杂性。控制系统一般分为两种:全局控制和局部控制。在全局控制系统中,移动和位移是通过单一的处理机,表现为一系列的构造和移动被统一实现。比如一个物件被指定为X,Y,Z三个轴向运动,那么它是同时平行的实现这个步骤的。比如由轨道系统和齿轮系统控制的多面体形变。在局部控制系统中,通常配备多个处理机和驱动结构,每一个部分负责单独的适应性情况(如图9)。当他们组装到一起时,每一个单体的位置具有独一性,形变驱动具有相邻传导性,影响整个系统。比如张拉结构中通过强连接以点的动态进行全局表面的传导。

图9 街道“两岸”互为接收数据墙与反馈行为墙,开放闭合的透光模块实现对岸行人的“剪影”投射,朱光亚,杜玥珲,《In Between Walls》
2、结构的装配与互动
结构的装配方式是为了实现智能单体的反馈行为的形变,结构装配方式分为两个级别:单体可以交流和材料可以调整。单体结构交流可以通过传统的构造模式(关节、轴承、舵机、齿轮等)、预设的几何线性复制组件和高级别的内部互动实现。材料的可调整主要通过复杂的可行变材料实现,比如绳索、张拉膜、充气乳胶等。

图10 Arduino传感器与每一个齿轮开合透光模块结合,朱光亚,杜玥珲,《In Between Walls》

图11 通过绳索和PVC材料结合舵机实现可收缩的躯干结构,进行位移,袁浩然、钟晋,王腾,《毛毛虫》

图12 通过结构学习探讨可动的景观设施形态,李天巍,罗程安然,武玥,《Kinect Railing》
3、群集的合作与自动化
群集的实现需要依赖合作和自动化的系统。这样的系统需要具备以下几个特点:任务分配、平行驱动和去除冗余数据。群集是为了实现更多元可变化的复杂功能需求,而 Self-organization”(自我组织)是行为复杂性研究的核心。任务分配可以通过中央无线控制器与所有的智能单体构成通信,分配任务,并监控其进度。平行驱动可以理解为每一个智能单体的移动是有传感器反馈环境信息来定制的,基于路径来控制每一个智能单体的移动。去除冗余数据非常重要,信息的数量巨大也形成了可能会影响决策的无效数据,甚至是干扰数据,这些需要我们设置判断和监控机制保证数据的有效传达。

图13 开放闭合的单体透光模块共同实现对岸行人的“剪影”投射,
朱光亚,杜玥珲,《In Between Walls》
1、智能设施更新城市市政网络
智能单体可以被看做是智慧城市的反馈端口。智能单体为实现群集的功能而存在,具有可移动、可行变、可多元反馈的特点。如果被看做是城市基础设施应用于公共空间,能够为城市空间的复杂性、城市化进程出现问题的随机性带来实时解决可能性。有智能单体作为万物互联的端口,以移动的网络为中央控制器,实现城市运营的高效性和人性化。智能单体的形式可以是街道的照明系统,可以是建筑物的节源控制系统,也可以是公共空间的景观休憩系统,他们将以不同的形态和形式为城市的快速变化的需求提供可持续的城市新生态。

图14 两岸“投影”为城市带来新的社交模式,朱光亚,杜玥珲,《In Between Walls》

图15 通过不能的组件移动满足公共空间的多样互动需求,袁浩然、钟晋,王腾,《毛毛虫》

图16 提供照明和跟随护送的安全“宠物”,马小轩,张奕斌,赵明辉,《陪伴宠物》
智能单体的群集需要机器学习,智慧城市的落地需要人工智能。我们正处于对生物,计算机,设计等跨学科领域的好奇探索阶段,机器人单体和集群对我们日常生活的影响是什么。根据亚里士多德提出的四因,我们将这项技术分为四个部分,分别讨论材料,外观,功能和制造与社会空间建立的关系和可能。通过计算机和物理模拟,利用机械使其根据环境影响创建动态并进行自我意识,学习,控制,反馈,塑造等过程。建立实时应对的动态空间,该空间应有极强的适应性,其材料,结构都是它自我学习并迭代反馈中平衡的到达全局最优结果。
这是一个新的基于环境变化生成的城市模型,这是一种机械生态。面对变化的环境及外部,基于简单规则和他们之间的复杂关系 , 经过迭代学习后获得的一个由单元构成,内部关联,自组装,自构造,高适应的,并实时刷新重新配置的最优模型。这个结果对于快速发展的未来智慧城市有着极强的启发作用。
注:本文为作者本人与AS国际建筑与空间研究所李曼婷等、维思平建筑设计陈凌等合作完成