3.2　度量时空共现强度：一种面向高频城市的空间句法中心性

动态的空间句法——面向高频城市的组构分析框架

Dynamic Space Syntax:Towards the Configurational Analysis of the High Frequency Cities

沈尧

摘　要 当今的数字社会发展促使我们开始关注更加高频的城市现象，并可以寻找这些现象的空间逻辑以提高未来规划设计的动态效应。空间句法是城市设计过程中一种对于城市空间结构的认知方法，在过去 20 年被广泛应用于西方城市设计的研究与实践，并积累了丰富的研究成果。然而，作为一种经典的描述性模型，传统的空间句法模型很难应对规划设计实践中面临的动态性社会问题。本研究提出了一种在新的数据条件下研究城市空间组构动态效应的方法框架。通过将轨迹数据与传统组构分析的方法框架相结合，提出新的组构中心性概念——时空共现强度，并介绍了相关的指标来量化人们时空行为在不同时段的几何属性及其模式，以探索动态的城市组构分析理论与方法。本文所提出的动态的空间句法框架暗示着从一种静态的、只关注物理空间的城市组构研究向一种动态的、更关注人的行为空间的城市组构研究转变的趋势，揭示了充分利用当前数据环境并将城市设计作为一种动态城市空间功能性提升的有效手段在未来城市设计中的积极意义。

关键词 时空动态；空间句法；行动轨迹；共现强度；机动性；高频城市

1　背景

随着信息通信以及数字技术的发展，我们赖以生活的城市以及其承载的内容正在越发高速地运转和传递，社会生活的内容和频率随之丰富和提高，我们观察城市活动的方式也因此而不断地发生变化[1-3]。在新的数据环境下，各种大规模、高精度的时空数据不断涌现，我们分析和解读城市建成环境的视角也在重构：从一种整体性的低频视角转向一种饱含丰富异质性信息的高频视角。事实上，所谓的高频视角不仅是一种新视角，更是一种更真实的视角，一种更接近人日常生活频率的视角，可以从一秒、一分推至一日、一周、一月等较大周期。传统的审视城市的视角则通常是一种低频视角，也许是一年、十年，甚至是若干世纪等长周期[4]。因此在某种程度上，理解高频城市背景下的城市运行机制才是以人为本地理解真实城市的一种基本视角，它作为现实城市的一种“数字孪生”的镜像，将充分补足我们传统的基于低频城市的认识[5]。

城市组构研究（configurational research）的发展构建了一系列认识、度量与分析城市建成空间形态的理论与技术方法，其中最具代表性的便是空间句法研究——它已经成为新城市科学的重要部分[6]。空间句法的一个核心观点是：空间组构即为现实社会的“物质”镜像，其催生同时限制着各种社会经济联系的形成与重塑。支持这一论断的一项重要实证基础是存在于空间中心性与整体人流极差分布之间的稳健关系[7，8]。在现实中人们不断通过感知可见的人流的分布来解读物质空间的中心性，进而在其影响下参与社会经济活动中的各项选择，并最终影响了涌现的整体趋势[9，10]。因此，空间句法通常能够快速地描述在低频城市背景下的物质空间结构与社会经济表现的整体布局之间的关系，进而指导相关空间干预策略的调整。

当前不断涌现的城市社会经济数据和算法已使我们观察高频城市成为可能。理解城市空间结构对于高频的社会经济活动的动态影响，也因此成为面向未来的城市规划与设计实践的一种需求，同时是新城市科学发展的一项重要任务。由于缺乏有效的测度手段和理论支持，传统的空间句法对于社会经济活动的变化之中所暗含的空间逻辑的测度一直受到很大限制。因此，本文将重点研究如何构建一种动态的空间句法模型来度量城市组构的动态结构属性，并解释相关方法的理论基础，以发展一种高频城市视角下的城市空间组构分析的基本框架。对于组构动态结构属性的研究将有助于我们更高效、精准、以人为本地规划与设计我们的城市。下文将首先回顾空间句法理论当前发展的困境与面临的挑战，进而提出一种将传统空间句法理论与新的数据以及技术相结合的方式。本文最后讨论了所提出的动态空间句法框架将如何影响空间句法理论进一步发展成为新的城市科学中的重要部分，并对未来的城市设计有所贡献。

2　高频城市背景下的城市组构研究困境

2.1　出行的经济：空间句法的理论基础与组构效应测度

空间句法模型是一种典型的城市组构研究模型，其关注的核心议题是空间如何相互关联起来构成了可见的形态，并影响人们对其的使用进而彰显城市形态的社会经济内涵。它的一个理论基础便是如何构建社会空间化与空间社会化这两个进程之间的联系。在空间句法理论中，这两者的联系是通过对于人们自然活动的描述得以建立的。这一理论基础被称作“出行的经济”（movement economy）[11]，它定义了城市空间、功能布局以及自然人流三者的关系，指出城市空间中存在的广泛的中心性会非均匀地影响人们活动的聚集形态，并使社会经济效应的布局在空间系统中得以自显[12-14]。在空间句法理论体系中，城市空间组构是各种社会活动的背景，它形成了一种“空间资本”来影响和限制人们在城市空间中的各种交往活动。单一个体在城市空间中活动会不自觉地感知到这种空间效率的差异，并使其最终体现在群体性人流的分布中，即自然人流（natural movement）的布局[15]。空间句法研究因此认为在现实城市的某一时间断面上，人们可以根据空间形态的效率以及可见的人流来做出各种与空间有关的社会经济决策，进而形成各种相关活动的局部模式。而这些功能布局作为城市引力点又将影响人流的分布，形成城市组构形态效用的间接传递。以空间为参照，功能布局与人们的活动之间形成了一种反馈机制来不断地强化空间形态的倍增效应（multiplier effect）。这一理论模型强调了城市形态对于城市功能布局与人流分布的根本影响，并提供了一种将物质形态与其承载的社会经济活动相关联的路径。

出行经济这一理论提供了一种联系空间形态组构效率、功能布局与人们的出行行为的框架，并试图基于此赋予空间干预方式更多的人本思维。它强调了功能布局与人流形态中蕴含的形态逻辑，同时提供了理解城市中物质空间的知识是如何被转译为人们的现实互动决策这一过程的路径。城市组构体现了对于物质空间系统的句法的信息（syntactic information），为功能布局与人们的活动轨迹提供了不易察觉的秩序参照；功能布局则包含了语义的信息（sematic information），为人们的活动提供了可察觉的内容；人流轨迹则包含了出现的信息（present information），反映人们的社交互动状态。这一转译的过程实际上也表征了相对静态的空间形态如何影响相对动态的人流轨迹。换言之，传统的空间句法提供了一种通过低频城市视角来观察高频城市中城市稳态的途径。这是在过去数据与计算能力缺乏的时代一种优化城市设计的非常有效的途径，因为它构建了一种描述性的理论与方法论，用相对少量的、设计师熟识的、可操作的数据对于动态的城市现状进行了简明的总结以及相对精确的拟合（图1）。

2.2　新数据条件下空间句法理论发展的困境

当前不断涌现的多元、海量、快速更新的城市数据为研究精细的时空尺度下的城市形态对人类活动的影响提供了广阔的研究前景。特别是那些高频时变的城市数据，如签到数据、手机信令数据等，提供了一种接近真实城市运行频率的高频视角。然而这一数据条件的变化也带来了对于城市组构理论发展的新需求，并使得传统的空间句法的理论构建、方法论框架以及实证价值受到了一定程度的挑战。

首先，时空大数据中饱含的关于人流的时空动态信息正在挑战传统空间句法对人流分布描述的实证价值。传统空间句法的一大实证基础便是城市拓扑结构的联系的紧密性与总体自然人流的极差结构之间稳定的相关性，并且在实证中这两者之间的关系并不受个体性差异的影响[16，17]。这也成为空间句法理论的重要论据之一，支撑着它对于循证设计的独特贡献。然而，时空大数据使得我们可以描绘人们行为的细致肖像而直观地获得关于城市人流的分布信息，似乎运用传统空间句法这一描述性模型的紧迫性和必要性正在被挑战。在这一趋势下，空间句法理论和方法论的发展就需要重新思考如何去应对高频城市中规划设计的新需求，并确立组构分析在新的数据环境下的实证价值。

其次，精细化的时空数据中所蕴含的行为时空差异在传统空间句法中被过度简化并缺乏必要的与之相关的理论构建。时空数据能够准确揭示人们行为的动态变化，然而在传统空间句法理论中，城市组构一般被认为是影响总体（aggregated）人流形态极差形态的关键，而对于它是如何影响自然人流的瞬时变化的，以及两者之间是否存在稳健的相关性却缺乏有效的研究。这在很大程度上限制了进一步理解受城市形态组构中心性影响的动态性。因此，空间句法在当前面临的第二个困境便是如何在现有理论框架的基础上构建一种新的组构分析方法，从而展现城市形态的变化如何改变人流分布在时间维度的动态性。

图1　空间句法中的出行的经济模型及其内涵
Fig.1　The model of ‘movement economy’ in space syntax theory and its meanings

再次，时空数据中包含的与行为主体相关的异质化信息在以“自然人”为理论前提的空间句法理论与方法论中暂时缺位。自然人流在空间句法理论中指的是被城市组构影响的人流轨迹分布，其暗含的一个理论假设便是不论人们个体出行的具体原因、起点以及目的地，我们观测到的出行轨迹的总体分布是被人们出行的共性特点所影响的，即他们对空间组构的一致解读[7]。这个假设其实表明，传统空间句法模型关注的是人们的群体行为而非个体行为，或者说，它关注的是人们的聚集效应而非个体分异。然而当前的时空数据的一个特点就是对个人行为的精准描述使得其包含城市空间使用者的主体信息。虽然空间句法也曾被用来研究人们的空间分异现象[18，19]，但没能阐释和度量城市组构对于不同类型公共空间使用者的效用，以反映更深层的城市形态的社会价值。

综上所述，新的数据环境虽然带来了从高频角度认识现实城市的契机并明确地表征了未来城市设计的人本需求，然而我们赖以分析城市形态的理论与手段，包括空间句法理论与方法论，似乎还在遵循一种低频的角度。如何借鉴已有的空间句法理论与方法框架，回应这些在新数据条件下传统描述性组构分析所面临的困境，使其具备更加广阔的、面向高频城市的应用前景，成为亟待解决的问题。

3　时空共现强度——面向高频城市的空间句法框架

3.1　城市组构与时空共现

城市空间为人们的社会交往创造空间条件以及内容[20]。因此，自然人流在空间句法理论中也被理解为一种共现（copresence）[21]，即城市空间的组构联系紧密性实际是人们相遇、对视、交流的难易程度的反映[22]。当然，在当今社会，由于通信技术与交通技术的发展，共现的形式非常多样，它可以指人们在现实或者虚拟环境中的共存状态[23]。然而，物质环境中的共现作为虚拟共现的现实锚点仍旧十分重要，并和城市活力以及城市空间的公共性等议题密切相关[24，25]。

建成环境中的面对面的共现现象与人们的出行密切相关，而后者则受到联系距离衰减效应以及空间引力的影响[26]。这不仅与交通地理学的许多研究契合，也与上文所述的空间句法的论点一致。在空间句法理论中，城市组构的拓扑距离衰减效应被组构的近邻性所反映，空间引力则体现在受到城市组构影响的城市的功能布局形态中。此外，时间维度也是现实环境中共现现象的重要前提，它反映了共现的强度与持续时间[27]。因此，可以将物理环境中的时空共现现象的决定因素总结为三方面：空间的组构距离、时间距离与行为主体的社会距离。本文将充分整合这三种距离，并基于涌现的时空轨迹数据与城市形态数据测度城市组构的动态中心性结构。

3.2　度量时空共现强度：一种面向高频城市的空间句法中心性

（1）概念化定义

本文定义了三种距离来表征现实环境中面对面的时空共现潜力，即时间距离dt；空间距离，其中包括物理距离dm与几何拓扑距离dg；以及社会距离ds。从概念的角度，任意两个个体之间的共现潜力可以被定义为f（dt，dm，dg，ds），并且当这些距离越小，时空共现强度越高。我们可以将一些距离概念进行一些转换，如将时间距离变为共现的时长，即，或将社会距离具体化为社会定义为社会混合度，即，那么它们的共现潜力则可被定义为f（Dt，Dm，Dg，Ds）。本文将这个关系具体定义为：

在式（1）中，表明个体i和j之间的时空共现潜力，代表它们之间的共现时间长度，代表它们之间的社会混合度，表示它们之间的几何拓扑距离，而则代表它们之间的地理距离。有三点需要详加说明。首先是与的关系，前者是几何拓扑距离，表示两个地点间受城市形态影响的角度距离最小的路径的累积角度步长距离[28]；后者是路网距离，即两个地点间最短路径的长度。借鉴空间句法模型，本研究用路网距离阈值来限定研究尺度，而将几何拓扑距离作为距离衰减效应的表征，这样的设定可以同时研究两种距离效应的互动，且能突出在地理距离约束下的城市组构效率。这对于时空共现强度的测度有特别意义，因为地理的地点共现（co-location）是面对面现实共现的先决条件，而在此基础上，组构距离则进一步决定了在同一空间中的共现概率。以图2为例，时空棱柱A与B分别代表了用户1与2，用户2与3在时空坐标体系中的共现位置。很显然，虽然他们在地点共现上很接近，但是从城市形态上看则不尽然。用户1与2在街道A的相遇概率很可能会高于用户2与3在街道B的相遇概率，因为用户1与2都出现在街道A上，他们之间的组构距离为1步，而用户2与3则出现在街道B的两条临近街道上，他们之间的组构距离大于1步。这意味着街道A很可能是用户1与2相遇的街道，而街道B则可能是用户2与3相遇的街道。简而言之，物理距离相近的两个个体仍旧需要他们之间的组构拓扑距离尽量小来满足面对面时空共现的可能。

其次，如何定义。很显然这个定义关乎于我们需要关注什么共现现象，以及如何定义社会距离对于理解城市组构的中心性结构更加有意义。在空间句法理论中，城市的组构中心性被认为对应一种“下意识的对他人的察觉”（unstructured awareness of others）[22]，而富有活力的公共空间也被认为应该支持培养不自觉的本地人和陌生人之间的熟悉感[25]。因此，在本研究中被具体化为“本地人”与“非本地人”的混合程度，用来表征城市形态的社会公共性[29]。“本地人”与“非本地人”的区分是根据他们的时空路径行为划定的，并且因地点而定义不同。对于某一地点，在其附近长时间内频繁出现的人被定义为本地人，而在该时间段内短暂访问该地点的则被定义为非本地人。这里的本地与非本地人并非一种绝对的地缘定义，而是一种动态的、可以通过相互共现行为来感知的。一个个体频繁地出现在某地，对于随机到访的第三者来说，他就很可能被人认为是“本地人”。对于本地人与非本地人的共现的支持是城市形态组构效能的重要体现，下文将具体介绍其数学定义。

图2　个体间时空共现场景示意
Fig.2　An sematic example of the co-presence among individuals