作者:张双虎 来源:中国科学报 发布时间:2022/11/28 14:43:30
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北京航空航天大学副校长黄海军:
完善拥堵研究理论的“拼图”

 

今天,人们出行前大多都会先了解一下路况,研究如何走才会更快、更顺利。然而在30多年前,没有人预料到交通拥堵会成为一个令人头痛的“大问题”,黄海军也是。

“当时决定研究这方面的问题,并不是因为自己多么‘有远见’,能够预料到有一天我们会受道路拥堵的困扰。”回忆起30年前申请国家自然科学基金青年科学基金(以下简称青年科学基金)项目时的初衷,北京航空航天大学(以下简称北航)副校长黄海军教授坦言,“只是认为这是个科学问题,是问题就要有人去研究解决”。

1992年2月,黄海军完成在香港理工大学一年半的合作研究后回到北京。当年6月,他完成博士学位论文答辩并着手申请青年科学基金,题目是《城市交通运输网络中运量分布的非线性随机模型与计算》。尽管准备得比较充分,但他心里依然没底,因为在当时的社会经济条件下,国内城市不存在拥堵问题,这是项“没啥用”的研究。

也正是青年科学基金足够“超前”的资助,让他在基于拥堵的出行行为研究领域,形成了自己的研究框架,并一步步完善了拥堵研究理论的“拼图”。

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黄海军在美国考察地面交通     受访者供图

 

搭好研究“框架”

“那时候二十八九岁,刚拿到博士学位,能得到青年科学基金资助,说明评审专家认可我的研究方向。”黄海军说,“这是我主持的第一个国家级项目,被认可是种莫大的鼓励,也让我有了信心。”

在香港理工大学进行合作研究时,黄海军瞄准城市人群的出行行为,包括人们每天什么时候从家里出发、使用什么交通工具、选择什么路径。这种行为很微观,几百万人都各自按照对自己有利的方式作出选择,而看似杂乱无章的选择最后都会体现在道路上,呈现出某些路段、某个时段有规律的拥堵,表现出巨量出行者非合作博弈行为的集聚结果。

此前的研究主要针对确定性行为(假设人们作决定时精确而理性),相关成果是城市交通规划和管理的基础。对城市交通进行规划与运行管理,在哪里修路、修多宽的路、红绿灯怎么调整、要不要禁行或单行等,都需要以行为研究结果为依据。而确定性行为研究存在自身局限,人们无法准确预料路上会遇到什么情况,无法事先算出在路上所用时间,这可能导致规划和管理失效。

“当时国际上开展确定性行为研究的有很多,就是假设人们对自己的出行‘成本’能够准确预测,再针对路径、工具和出发时刻作出理性选择。”黄海军补充说,“但‘确定性’是静态的、理想的状态,这并不符合道路上的实际情况。”

路况是动态变化的,还受到一些突发性因素的影响,因此黄海军在申请青年科学基金时,希望能尽可能地模拟现实生活中人们出行的样子,把研究工作拓展到随机模型(指非线性随机模型)。

“那时候管理科学部每年资助的青年科学基金项目有限,没想到我顺利获得了资助。”黄海军说,“当时5万元不是个小数目,我先买了一台电脑,又购置了一套计算和图形软件,马上就着手开展研究了。”

在青年科学基金执行期间,黄海军把出行行为的随机性,及其对路径选择和路段流量的影响,从“点”到“面”再到“网”,基本上“搞通透了”。此后几年中,他凭借扎实的研究成果,先后获得国家自然科学基金面上项目和国家杰出青年科学基金项目的资助。进入21世纪后,他带领团队又获得创新研究群体项目、国际合作研究项目和重大项目的资助。他的应用基础研究,从确定性模型到随机性模型,从随机模型到动态模型,一直延续到现在的“随机动态模型”。而研究对象,则从一个“瓶颈”到一个城市,从一个城市到两个城市,再到城市群,从单一的道路交通到多种交通方式协同发展的综合交通系统。

“现在回想起来,我在当时似乎已经搭了一个研究‘框架’,一步步把关乎出行行为的研究全‘打通了’。”黄海军说,“这让我后来少走了许多弯路,一点点把相关理论丰富了起来。”

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黄海军(中排左二)参加ISTTT20时与部分学者合影     受访者供图

希望大家每天“少堵半小时”

20世纪90年代初以前,国内城市交通领域的研究基本集中在交通工程(修路架桥)或车辆制造方面,很少有人关注道路拥堵问题。1992年之前,国际上交通领域的顶级刊物《交通运输研究》上,尚无内地学者发表关于交通拥堵研究的论文。之所以如此,他认为,一方面因为我们当时还没达到一定水平,另一方面中国社会经济发展也没到“那个程度”,尚无这方面的需求。

1992年,黄海军在《交通运输研究B》上发表了3篇关于交通网络运量分布与分配组合模型的论文。此外,青年科学基金研究成果也在英国运筹学会的《运筹学会学报》(国际上第一本运筹学刊物)和中国科学院的《系统科学与数学》上发表。当时中国管理学界在国际学术刊物上发表论文的不多,能在《运筹学会学报》发表论文的更是凤毛麟角。

因为工作出色,青年科学基金项目还未结题,黄海军就被北航评为教授。1997年,他就已经取得指导博士生的资格,但直到2000年才开始带博士生。

“一是按照我的要求没找到合适的学生。”黄海军解释说,“二是大家(学生)对拥堵这个研究方向不太了解,没人报考。而且,当时我也不知道怎么带学生,还有点怵。”

2000年之前,黄海军基本上是“孤军作战”。他虽然和香港多所大学的同行合作密切,但一项研究从建立模型、理论推演、编程计算到结果分析,都要独自完成。出行行为研究涉及城市中几百万人的微观决策,人们相互之间又无法合作,这种情况被学术界称之为“有限理性的非合作博弈”,博弈的最终结果体现在道路上。如何解构这个过程,始终是黄海军迷恋的事业。

现在,黄海军带领着一支实力雄厚的团队(包括自己指导的11位博士生和经济管理学院多位优秀青年学者及学生)和北航交通科学与工程学院、可靠性系统工程学院、电子信息学院、计算机学院等开展密切的交流合作,形成了一个多学科交叉研究平台。此外,团队还和北京交通大学、北京交通发展研究院、中国城市规划设计院、清华大学、北京工业大学、北方工业大学等高校、研究院所的相关研究团队有着频繁的合作。

新技术的迅猛发展深刻而广泛地改变着人们的工作和生活,也极大影响着人们的出行,其中大数据、深度学习、人工智能等信息技术改变了人们的出行习惯,也影响着城市交通系统的发展和运行。

“现在是信息大爆炸时代,数据铺天盖地到处都是。我们的研究也从原来的数理解析模型,慢慢变成了数理加统计模型,现在则完全从数据到数据,甚至用大数据训练曲线、找规律,变成了学习模型。”黄海军说,“我们要用各种新技术,通过多种措施引导人们的出行行为,引导交通需求的合理实现,诱导交通流分布朝最优状态发展。”

在引导人们出行决策方面,黄海军团队进行了很多探索,比如公交补贴、错峰上下班、共享出行,又如拥挤道路使用收费、可交易“电子路票”、差别停车收费,再如疫情或特殊时期“预约制出行”等。有的是经济措施,有的是行政措施,目的都是为了避免人们一窝蜂地集中在某个时段使用某条路段,造成资源瞬时局部紧张,甚至产生级联效应,导致整个交通网络崩溃。

“我研究的是拥堵的学问。”黄海军说,“现在大城市中人们上下班,动辄要花两三个小时。如果能通过我们的研究,让人们每天在路上的时间少半小时、20分钟或10分钟,那就是了不起的成就,我就会很满足。”

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黄海军(右)和学生      受访者供图

在人类知识体系中留下一笔

翻开黄海军的论文,会让人产生一种错觉:明明谈的是管理学问题,却发表了数学论文。论文中充满了微积分、极值、方差、正态分布、冈贝尔分布、logit公式、算法和模拟……

“我们的研究使用数学、运筹学和统计学的知识比较多,虽然没有达到数学家那个高度,但我们要通过数理演绎,来解释人们复杂的出行行为,确保在相同的假设条件下,演绎和解释是正确的、唯一的。”黄海军说,“因此,我建议准备进入管理科学研究领域的青年人,要打好数学基础,只有具备扎实的数理基础、数理意识,才能做好管理科学研究。”

黄海军支持数学、经济学和行为心理学是现代管理科学三大知识基础的观点。管理科学是研究人类管理活动规律的科学,兼具自然科学和社会科学属性,是典型的大交叉科学。具有工科大学背景的北航经济管理学院,高考只招收理科生,学生大一要在“理科群”接受培养,为以后纵深发展打好基础。

从青年科学基金、面上项目、国家杰出青年科学基金项目,到创新研究群体项目、重大项目,再到现在作为合作单位承担的基础科学研究中心项目,黄海军认为自己是“在基金支持下成长起来的”。

“我的经验就是打牢数理基础,同时也要持之以恒,在一个方向深挖下去。”黄海军说,“青年人如果准备以科研作为自己的终身职业,就要一步一个脚印,认定一个方向深耕下去,最后一定会得到同行认可,在人类科学知识体系中留下自己的一笔。”

 
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