李爽，孔黎明*

0 引言

高校中非正式學(xué)習(xí)空間，是除正式教學(xué)空間之外用以激發(fā)自主學(xué)習(xí)、自組織學(xué)習(xí)行為的空間環(huán)境[1]。當(dāng)前，隨著高校學(xué)習(xí)模式轉(zhuǎn)變與多樣化，非正式學(xué)習(xí)的重要性逐漸突顯，多數(shù)高校通過快速擴(kuò)建或改建增加非正式學(xué)習(xí)空間。但調(diào)研發(fā)現(xiàn)大量非正式學(xué)習(xí)空間由于學(xué)生對采光和噪聲等物理環(huán)境的差異化需求，易產(chǎn)生不同學(xué)習(xí)行為的相互干擾，以及物理環(huán)境、空間布局或環(huán)境氛圍與學(xué)習(xí)行為不匹配等問題。因此，對學(xué)生行為數(shù)據(jù)和物理環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與分析，有助于厘清主觀選擇、客觀行為與室內(nèi)物理環(huán)境之間的沖突和聯(lián)系，為創(chuàng)建開放、復(fù)合、舒適的非正式學(xué)習(xí)空間提供理論支持。

早期，空間行為數(shù)據(jù)更多采用統(tǒng)計(jì)截面人流和問卷調(diào)查等方法進(jìn)行調(diào)研。如今，隨著定位技術(shù)的發(fā)展，實(shí)時(shí)采集被研究對象的坐標(biāo)信息相對容易。徐友扣等[2]采用了室內(nèi)無線定位監(jiān)測系統(tǒng)以及物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)動(dòng)態(tài)采集室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)。李力等[3-4]對東南大學(xué)圖書館閱覽室定位數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的調(diào)研數(shù)據(jù)綜合分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前空間的用戶行為模式。黃蔚欣[5]綜合論述了大數(shù)據(jù)在環(huán)境行為研究的維度，可見當(dāng)前多源數(shù)據(jù)相結(jié)合的環(huán)境行為分析研究已逐步增加[6-7]。但如何建立不同類型數(shù)據(jù)相互之間的關(guān)聯(lián)，以及多維度信息疊合、比對、分析方法的研究還較為薄弱。本文結(jié)合案例研究非正式學(xué)習(xí)空間的數(shù)據(jù)采集需求、可視化方法、信息關(guān)聯(lián)與對比分析方法，一方面發(fā)掘非正式學(xué)習(xí)空間的具體使用問題，在設(shè)計(jì)層面上提出更新建議；另一方面探究環(huán)境行為視角下的多源數(shù)據(jù)采集、可視化、分析流程與方法。

1 數(shù)據(jù)分類與需求分析

在非正式學(xué)習(xí)空間案例研究基礎(chǔ)上對擬采集數(shù)據(jù)進(jìn)行類型化分析，從采集內(nèi)容的角度分為物理環(huán)境數(shù)據(jù)、人員定位數(shù)據(jù)和主觀信息數(shù)據(jù)三大類。具體包括房間分隔尺寸及家具尺寸，以及所處環(huán)境的溫濕度、光照強(qiáng)度、噪聲等數(shù)據(jù)；使用者具體行為發(fā)生的次數(shù)、時(shí)間、位置；使用者本身的群體屬性構(gòu)成、年齡、性別、偏好等等。從數(shù)據(jù)類型分為數(shù)值型、類別型和序數(shù)型三類；從數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的角度可分為靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

在數(shù)據(jù)分類研究的基礎(chǔ)上，前期通過現(xiàn)場調(diào)研提出一些思考和推斷，即人員行為軌跡是否如實(shí)反映了主觀選擇信息，物理環(huán)境是否對人員行為軌跡有影響，以及室內(nèi)的物理環(huán)境實(shí)測與主觀感受是否有所差別。分析并選取對空間使用影響較強(qiáng)的因素，將其具體化并歸類。例如被動(dòng)式節(jié)能措施對物理環(huán)境的實(shí)際效用，需要通過問卷中的主觀判斷結(jié)合客觀的實(shí)際測量，并觀察人們的行為輔助判斷。從空間映射到圖示再映射到生成圖示的數(shù)據(jù)上（圖1），整個(gè)思考過程是可逆的。通過厘清空間中的數(shù)據(jù)的來源和獲取方法，區(qū)分出更有價(jià)值、意義或幫助推進(jìn)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)類型，是研究前期的主要工作。

圖1 空間因素?cái)?shù)據(jù)化流程圖

2 數(shù)據(jù)采集與可視化

2.1 研究對象的選取與采集設(shè)備的布置

此次實(shí)驗(yàn)選取調(diào)研對象為西安建筑科技大學(xué)教學(xué)東樓四樓建筑廣場。建筑廣場設(shè)計(jì)之初的理念遵循建筑教育的“場效應(yīng)”，即希望通過良好的學(xué)習(xí)氛圍和廣泛的交流環(huán)境開啟使用者之間的思想碰撞。其本身容納了自主學(xué)習(xí)、小組討論、集體協(xié)作等多種學(xué)習(xí)方式，并且在不同時(shí)期還會(huì)承擔(dān)會(huì)議、報(bào)告、展覽等功能，功能兼顧與轉(zhuǎn)換都是該空間需要解決的問題，是復(fù)合性和綜合性較強(qiáng)的空間，突顯非正式學(xué)習(xí)空間的矛盾與特點(diǎn)。

為便于分析，可根據(jù)已有的行為模式將測量區(qū)域分為ABCD4個(gè)部分。通過對各種定位技術(shù)的優(yōu)劣勢分析（表1），選擇UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)采集定位數(shù)據(jù)。通過可實(shí)時(shí)反饋的傳感器測量物理環(huán)境數(shù)據(jù)，根據(jù)學(xué)習(xí)空間受各物理環(huán)境因素的影響程度，選取溫度、相對濕度、光照強(qiáng)度和噪聲4項(xiàng)測量內(nèi)容。根據(jù)物理因素的特性和空間尺度，在測量區(qū)域分散布置11個(gè)檢測點(diǎn)，并結(jié)合測量區(qū)域和位置為傳感器編號(hào)。通過調(diào)查問卷了解使用者的主觀意識(shí)和判斷，其中個(gè)人信息用于了解使用者的基本背景與情況。主觀物理環(huán)境感受用于和客觀物理環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。該空間內(nèi)各區(qū)域的具體使用習(xí)慣與實(shí)際定位數(shù)據(jù)對比。使用者的建議輔助該空間的更新設(shè)計(jì)（圖2-4）。

表1 室內(nèi)定位技術(shù)優(yōu)劣勢分析

圖2 定位系統(tǒng)設(shè)備布置

圖3 實(shí)驗(yàn)分區(qū)

圖4 溫濕度傳感器布置

2.2 數(shù)據(jù)收集、預(yù)處理與可視化

測試時(shí)間選取了6月27日– 7月3日期間的6天時(shí)間，從每天早上9時(shí)到晚上21時(shí)。期間包括了1天休息日和5天工作日（其中2天舉辦畢業(yè)設(shè)計(jì)展覽），容納了該空間典型的復(fù)合使用模式。且外部天氣有晴雨天變化，是西安夏季氣候特征較為明顯的時(shí)期。最終共收集到30萬條定位數(shù)據(jù)，包含時(shí)間維度、位置維度以及接收傳出信號(hào)的基站編號(hào)及其與標(biāo)簽的距離值。收集到溫度、相對濕度、光照強(qiáng)度、噪聲值數(shù)據(jù)各1600條左右，回收到120份有效問卷。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化之前，要對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗與預(yù)處理，使其形成規(guī)整統(tǒng)一、格式有效的數(shù)值。清洗的過程是發(fā)現(xiàn)偏離大部分?jǐn)?shù)據(jù)的異常值，并找尋原因并判斷其是否要去除。過程中由于一些干擾和設(shè)備故障，導(dǎo)致定位數(shù)據(jù)間歇性的缺失。但由于定位數(shù)據(jù)的傳回時(shí)間間隔較短，數(shù)值密度較大，對定位標(biāo)簽的移動(dòng)路徑和停留位置的異?？梢酝ㄟ^Python編寫程序自動(dòng)識(shí)別和剔除。物理環(huán)境數(shù)據(jù)也會(huì)由于干擾和信號(hào)強(qiáng)度弱導(dǎo)致數(shù)據(jù)的延遲傳遞或缺失與誤差，所以在獲取數(shù)據(jù)時(shí)，我們獲得比后期分析更密集的數(shù)據(jù)，以便于排查一些特殊值。對于調(diào)查問卷數(shù)據(jù)的整理，則會(huì)根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)剔除信息不全和有特殊偏差的內(nèi)容與對象。

由于多源數(shù)據(jù)帶有不同屬性，若將其整合在一起，如同圖層疊加，需要各個(gè)“圖層”數(shù)據(jù)至少具有一個(gè)共同屬性。通過預(yù)處理將采集到的類別型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)值型數(shù)據(jù)，這樣可以將定位數(shù)據(jù)與物理環(huán)境數(shù)據(jù)疊加研究，用來探究用戶行為與室內(nèi)環(huán)境的關(guān)聯(lián)性。將定位數(shù)據(jù)與用戶個(gè)人心理數(shù)據(jù)疊加，用來探究使用者的實(shí)際選擇與心理預(yù)期是否相符。

本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可視化可以分為：基于時(shí)間維度的可視化，基于空間維度的可視化以及基于數(shù)據(jù)關(guān)系的可視化。例如定位數(shù)據(jù)通過由Python編寫的可視化小程序，鏈接到底圖文件，設(shè)置一系列出圖變量，可以導(dǎo)出不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的人員分布圖，通過調(diào)節(jié)時(shí)間間隔分析人員短時(shí)分布狀態(tài)或整體趨勢。例如物理環(huán)境數(shù)據(jù)只有11個(gè)測點(diǎn)，如何通過11個(gè)測點(diǎn)反映整個(gè)空間的物理場分布？解決思路是通過Rhino插件Grasshopper將同一時(shí)間點(diǎn)各測點(diǎn)的環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂汕婵刂泣c(diǎn)的Z坐標(biāo)，擬合為一個(gè)自由曲面；再利用等高線將曲面進(jìn)行分割，細(xì)分后的等高面高度賦值給漸變色參數(shù)，從而近似擬合得到整體環(huán)境數(shù)據(jù)可視化圖像（圖5）。在數(shù)據(jù)可視化過程中，找尋不同數(shù)據(jù)類型的共同點(diǎn)，綜合考慮每條數(shù)據(jù)帶有的時(shí)間屬性或空間屬性，便于將多源數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，進(jìn)行疊加可視化與分析。

圖5 數(shù)據(jù)可視化過程

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 人流量的時(shí)間變化與區(qū)域分布特征

數(shù)據(jù)與空間的聯(lián)系可以展現(xiàn)人員的區(qū)域分布特征，下面是6天中人員分布的整體變化狀態(tài)（圖6），可以看到3種不同的使用模式。6天以來人員分布變化逐漸從密集變得稀疏，從均勻變得集中。整體使用人數(shù)在前兩日最多，第三日與第四日固定人數(shù)與前兩日較一致，過道上的軌跡變少；最后兩日整體使用人數(shù)明顯變少。局部特征表現(xiàn)為A區(qū)和B區(qū)的整體使用人數(shù)較多，A區(qū)偶爾出現(xiàn)兩端稀疏中部集中的情形，而B區(qū)可容納人數(shù)要多于A區(qū)，人流聚集性也更強(qiáng)，東部靠近內(nèi)側(cè)的座位更受歡迎，而D區(qū)每日的使用人數(shù)差別較大。

圖6 人員分布熱力圖

結(jié)合獲取到的人員熱力分布圖和現(xiàn)場的情況（圖7），分析其原因，可以發(fā)現(xiàn)這6日囊括了主要功能轉(zhuǎn)換的節(jié)點(diǎn)。前兩日是展覽期間，中間兩日又包含了周一，所以減緩了人流量衰減的速度。A區(qū)為座椅沿桌面兩側(cè)排布的傳統(tǒng)閱覽模式，有清晰可見的規(guī)律與秩序。B區(qū)為座椅呈四面圍合、內(nèi)向性較強(qiáng)的討論模式，有半開放的環(huán)境氣氛。D區(qū)每日的使用人流量差別較大，伴隨著補(bǔ)充A區(qū)和B區(qū)座位的作用，呈現(xiàn)間歇性使用的狀態(tài)，兼顧日常的課堂、會(huì)議、自習(xí)、休息等候等功能。

圖7 各區(qū)域使用模式a-A區(qū)使用模式b-B區(qū)使用模式c-D區(qū)使用模式

3.2 人員行為與用戶屬性關(guān)聯(lián)探究

為探究人員行為和各自的選擇偏好是否有對應(yīng)關(guān)系，將問卷中人們對各個(gè)區(qū)域的選擇情況以灰度等級的形式按區(qū)域展現(xiàn)在平面上，疊加當(dāng)日人員定位信息（圖8）。從顏色深淺可以判斷出各個(gè)區(qū)域的使用頻率。A區(qū)和B區(qū)是最受歡迎的兩個(gè)區(qū)域，D區(qū)與C區(qū)的熱度相當(dāng)。疊加人流軌跡的密度，可以發(fā)現(xiàn)實(shí)際使用情況與使用者的期望相吻合。從整體過渡到個(gè)別使用者的實(shí)際行為與意愿關(guān)系，比較他們自身習(xí)慣與選擇，結(jié)果也十分相似。所以當(dāng)前空間使用者的個(gè)人偏好與實(shí)際使用情況較為一致，人員分布密度正好和選擇熱度相契合，說明空間使用狀況正面反映了使用者的期望。

圖8 6月27日人員使用偏好（問卷）與實(shí)際定位之間的關(guān)系

3.3 物理環(huán)境對人員行為影響探究

為探索各種物理環(huán)境因素對人員位置是否產(chǎn)生影響，選取7月3日比較有代表性且數(shù)值差別變化顯著的早中晚3個(gè)時(shí)間點(diǎn)，將采集到的物理環(huán)境數(shù)據(jù)根據(jù)公式代入溫度與相對濕度估算出的舒適度值，以及光照強(qiáng)度與噪聲值，分別轉(zhuǎn)化成黑白明度鋪設(shè)到建筑平面上，并且疊加人員的軌跡數(shù)據(jù)（圖9）。

圖9 7月3日3個(gè)時(shí)間點(diǎn)物理環(huán)境因素與定位數(shù)據(jù)疊加情況

縱向觀察，隨著時(shí)間推移，舒適度變化不明顯，西北角和東北角兩個(gè)位置較為適宜，但人員分布是白天相對分散，晚上更加集中。第二縱列比較，人員同樣由分散變?yōu)榧?，光線則是從白天集中于南部到晚上更加均勻的分布于室內(nèi)?？梢酝茢喑?，晚上在B區(qū)進(jìn)行了更多的小組活動(dòng)，B區(qū)的照度在晚上與A區(qū)的差值更小。而第三列的噪聲值，可以看到空間內(nèi)整體的噪聲值偏大，但一天中變化規(guī)律不顯著。整體看來，下午相對安靜。可以推斷出光環(huán)境和舒適度對人員分布起到一定導(dǎo)向作用，而聲環(huán)境更多是人員分布后的反饋呈現(xiàn)。

3.4 主客觀物理環(huán)境評價(jià)差異探究

對比主客觀物理環(huán)境評價(jià)的差距，通過使用人員的問卷數(shù)據(jù)物理環(huán)境感受的統(tǒng)計(jì)與柱狀圖表達(dá)，以及環(huán)境傳感器實(shí)測內(nèi)容的數(shù)值（圖10）。首先是溫度感受與溫度數(shù)值的比較，其中人群的70%感覺適宜，1/4的人感覺有些冷。根據(jù)當(dāng)日的氣候情況，室外溫度從34℃降至21℃，推測原因是室內(nèi)空調(diào)設(shè)備在部分區(qū)域的冷氣過大。實(shí)測溫度數(shù)據(jù)可以看到各點(diǎn)溫度先上升再降低，溫度均衡，有兩個(gè)位置的溫度數(shù)值明顯低于其他位置。

圖10 物理環(huán)境主觀感受與客觀測量比較

再觀察光線的主客觀感受，其中有一半的人感覺光線適宜，將近30%的人認(rèn)為光線較亮。而在實(shí)際測量中，A區(qū)的測量點(diǎn)光線均值處于200lx～300lx之間，B區(qū)和D區(qū)的數(shù)值都低于100lx，沒有達(dá)到一般學(xué)習(xí)閱覽空間的要求。這和主觀感受產(chǎn)生了一些沖突。另外，使用者對周圍噪聲的感受是94%的人感覺適宜和安靜。下圖中噪聲數(shù)值波動(dòng)的范圍在50dB～60dB之間，這個(gè)數(shù)值在圖書館的噪聲級分區(qū)中屬于鬧區(qū)，例如休息廳或公共活動(dòng)區(qū)等。所以了解到照度和噪聲的實(shí)測與使用者的直觀感受有很大的出入。光照強(qiáng)度與噪聲值對于學(xué)習(xí)空間是重要程度較強(qiáng)的兩個(gè)因素，分析其中原因是學(xué)生進(jìn)行的實(shí)際行為不同，對光線和噪聲的要求有所不同，例如通過電子設(shè)備學(xué)習(xí)，光線稍微暗些也不會(huì)造成不適的影響。例如進(jìn)行小組討論、會(huì)議，或者佩戴耳機(jī)，都會(huì)對周圍的聲環(huán)境要求更低一些?？梢园l(fā)現(xiàn)，由于不同的行為模式，室內(nèi)物理環(huán)境實(shí)測與使用者的主觀感受有一定差別。

4 討論與結(jié)論

經(jīng)過多源數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間維度中的變化狀態(tài)分析，以及數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間關(guān)系的結(jié)合判斷，得到較為明確的認(rèn)識(shí)是：人員行為軌跡相對完整和準(zhǔn)確地反映了用戶的屬性與選擇；物理環(huán)境對人員行為影響并不十分顯著，相比噪聲環(huán)境，光照強(qiáng)度和舒適度對人員行為影響更大。人員的主客觀物理環(huán)境評價(jià)差異比較大（溫度相對一致），推測是心理因素、行為內(nèi)容以及環(huán)境氣氛削弱了物理環(huán)境中的不適之處。另外，通過以上分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前空間在使用中存在的一些問題，通過對各項(xiàng)問題的歸類、總結(jié)與分析，獲取這些問題的原因和相關(guān)因素：

（1） 通過人員定位軌跡觀察到，人們看展的路徑有時(shí)呈無序狀態(tài)，在不同區(qū)域之間相互穿插。

（2） 通過人員定位分布和調(diào)查問卷的主觀選擇得知，A區(qū)和B區(qū)兩個(gè)區(qū)域的使用頻率最高，需求量大，其位置數(shù)量不足。

（3） 通過調(diào)查問卷和其他案例得知，該空間缺少特定的封閉小組討論區(qū)域。

（4） 通過物理環(huán)境數(shù)據(jù)得知，室內(nèi)沒有自然通風(fēng)，夏季室內(nèi)溫度不均勻，空調(diào)出風(fēng)口直對某些區(qū)域。

（5） 通過物理環(huán)境數(shù)據(jù)得知，室內(nèi)動(dòng)靜分區(qū)不清晰，光照強(qiáng)度不均勻，大部分區(qū)域光線較暗。

（6） 通過定位數(shù)據(jù)與物理環(huán)境數(shù)據(jù)分析得知，D區(qū)的物理環(huán)境中的聲環(huán)境和光環(huán)境都較差，使用率偏低。

（7） 根據(jù)調(diào)查問卷數(shù)據(jù)及現(xiàn)場觀察得知，該空間缺少一些硬件設(shè)施以及具有吸引力的裝飾。

對于以上發(fā)現(xiàn)總結(jié)的問題，可以再次歸納為與時(shí)間序列、空間分布及數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)三大方面。時(shí)間序列通過找尋單一類型數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化趨勢，或者一系列時(shí)間片段數(shù)據(jù)的空間呈現(xiàn)狀態(tài)。數(shù)據(jù)與空間之間的關(guān)系則是基于建筑師對空間圖示的敏感性，其數(shù)據(jù)可視化對設(shè)計(jì)分析與決策具有特定價(jià)值。探究同一空間載體或時(shí)間載體提取的不同源頭的數(shù)據(jù)之間存在的關(guān)系，則是基于多源數(shù)據(jù)進(jìn)行環(huán)境行為研究的關(guān)鍵路徑。

5 結(jié)語

研究在基于非正式學(xué)習(xí)空間用戶行為的需求上，通過相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、預(yù)處理、可視化等步驟，建立數(shù)據(jù)與時(shí)間、數(shù)據(jù)與空間以及多源數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性。一方面，發(fā)掘出非正式學(xué)習(xí)空間具體的使用問題以及問題的嚴(yán)重程度；另一方面，建立基于主客觀數(shù)據(jù)相結(jié)合的復(fù)合功能空間調(diào)研流程與數(shù)據(jù)分析方法，探究此方法在如何相對量化的厘清多樣化行為與空間布局和物理環(huán)境之間影響要素及關(guān)聯(lián)度。

本研究主要通過時(shí)間和空間維度建立數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，在后續(xù)的研究中可以嘗試數(shù)據(jù)挖掘相關(guān)算法，從統(tǒng)計(jì)角度找尋數(shù)據(jù)變化和聯(lián)系的內(nèi)在規(guī)律，有針對性地將其他領(lǐng)域的數(shù)據(jù)分析方法引入環(huán)境行為數(shù)據(jù)的分析中。受到設(shè)備數(shù)量和人力的限制，此次觀測時(shí)間較短，僅提取到夏季的數(shù)據(jù)。下一步可以通過開發(fā)自動(dòng)采集記錄物理環(huán)境及人員定位數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，結(jié)合不定期問卷調(diào)研，通過長周期數(shù)據(jù)以增強(qiáng)研究的客觀性和準(zhǔn)確性。同時(shí)，可以開展環(huán)境數(shù)據(jù)和行為數(shù)據(jù)之間的敏感性或相關(guān)性量化研究，探求合理的量化評價(jià)指標(biāo)及方法，從而推動(dòng)多源數(shù)據(jù)分析在環(huán)境行為研究的進(jìn)一步發(fā)展?！?/p>