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物理學(xué)解開交通堵塞、股市和其他復(fù)雜系統(tǒng)的謎團(tuán)嗎？

2019-06-28 11:46 作者:博科園 0人讀過 | 我要投稿

1998年前技術(shù)顧問漢克?埃斯金發(fā)起了一項(xiàng)追蹤美元鈔票的項(xiàng)目。通過“喬治在哪里?”的倡議，美元被貼上了關(guān)于貨幣跟蹤項(xiàng)目的信息，并指示人們在上交貨幣之前，將他們的郵政編碼和在郵資賬單上找到的序列號輸入數(shù)據(jù)庫。

追蹤這些美鈔是對人類旅行模式和“復(fù)雜系統(tǒng)”的早期研究。復(fù)雜系統(tǒng)通常是一個(gè)模糊的概念，整個(gè)研討會(huì)都致力于定義這個(gè)術(shù)語。但是，簡單地說，一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)是由許多部分組成的任何東西，這些部分以這樣一種方式相互作用，以致于系統(tǒng)的整體行為完全依賴于相互作用，并且不同于部分的總和。

復(fù)雜的系統(tǒng)包括金融市場，街道網(wǎng)絡(luò)，甚至人類的大腦，由一個(gè)神經(jīng)元系統(tǒng)組成，共同工作，讓一個(gè)人思考，作出決定，并執(zhí)行日常任務(wù)。羅切斯特大學(xué)(University of Rochester)研究復(fù)雜系統(tǒng)的物理學(xué)助理教授古拉布?戈沙爾(Gourab Ghoshal)表示：當(dāng)你想到人腦或股市之類的東西時(shí)，舉例來說，市場的存在僅僅是因?yàn)橘I賣的互動(dòng)。如果只有一個(gè)交易員，就沒有市場。如果你只有一個(gè)神經(jīng)元，那就沒有大腦。如今，越來越多的數(shù)字痕跡為戈沙爾和他的實(shí)驗(yàn)室成員等研究人員提供了難以置信的大量數(shù)據(jù)，用于復(fù)雜系統(tǒng)的研究。

通過GPS定位跟蹤、Foursquare等應(yīng)用程序的簽到、Twitter帖子的地理搜索，以及在某些情況下，通過手機(jī)的通話數(shù)據(jù)記錄，他們能夠比以往任何時(shí)候都更準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)人類移動(dòng)、交通和疾病發(fā)展的模式。但可用數(shù)據(jù)的數(shù)量也意味著，新興復(fù)雜系統(tǒng)領(lǐng)域可以在沒有一些約束的情況下被淹沒。Ghoshal說：將從數(shù)以千萬計(jì)的數(shù)據(jù)點(diǎn)訂單變成數(shù)以百萬計(jì)的訂單，當(dāng)你改變了比例，簡單的畫圖方法就不管用了，需要法律來規(guī)定數(shù)據(jù)如何交互，這就是物理學(xué)的切入點(diǎn)

復(fù)雜系統(tǒng)的物理學(xué)

在《物理報(bào)告》和《自然通訊》上發(fā)表的一系列論文中，戈沙爾和實(shí)驗(yàn)室的成員們用科學(xué)來解開復(fù)雜系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)。研究工作擴(kuò)展到三個(gè)主要的分支：人類動(dòng)力學(xué)和行為；城市系統(tǒng)與城市科學(xué)和社交網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用物理和數(shù)學(xué)的普遍規(guī)律，他們能夠建立基礎(chǔ)模型，其他研究人員，如經(jīng)濟(jì)學(xué)家或城市規(guī)劃者，可以在此基礎(chǔ)上引入更復(fù)雜的變量。戈沙爾實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員雨果·巴伯薩(Hugo Barbosa)說：物理學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家看待問題的方式是不同的。物理學(xué)家更感興趣的是基本規(guī)則，是普遍存在的東西，而不是總體。

他們希望了解這些模型的基本組成部分，并使這些組成部分盡可能地通用和通用。想象一下，例如，你想弄清楚人們在校園里是怎么走路的。解決這個(gè)問題的一種方法是收集關(guān)于校園里每個(gè)人的所有可能數(shù)據(jù)：他們早上吃了什么，他們在什么時(shí)候上什么課，他們的朋友是誰，校園里的建筑在哪里等等。首先，收集所有這些數(shù)據(jù)幾乎是不可能的，此外，你也無法將同樣的結(jié)論應(yīng)用到人們在其他校園走路的方式上，建筑不同，地理位置也不同。解決這個(gè)問題的第二種方法包括使用Ghoshal和實(shí)驗(yàn)室成員所使用的方法:將一個(gè)系統(tǒng)提煉為it基礎(chǔ)，并應(yīng)用物理、數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)。

有幾個(gè)基本因素適用于幾乎所有的情況下，人們移動(dòng)。人們想要向某個(gè)方向運(yùn)動(dòng)(物理學(xué)家稱之為漂移速度)。他們不想撞到其他人、建筑物或其他物體——這顯示了所謂的排斥力。它們可能看起來很簡單，但只要有這些基本元素，就能或多或少地重現(xiàn)地球上任何地方的行人行為。有很多因素在起作用，比如文化因素，但現(xiàn)在你有了一個(gè)基礎(chǔ)，包含在這些基本因素中。例如，從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)的人數(shù)，也與距離的平方成反比，這類似于重力。流量與距離有關(guān)(你旅行的時(shí)間越長，你就越不可能去旅行)，但也與人口有關(guān)，這與質(zhì)量類似。有時(shí)候，物理學(xué)家對灰塵粒子在室內(nèi)運(yùn)動(dòng)的思考方式也同樣適用于人類。

將物理學(xué)應(yīng)用于ICT數(shù)據(jù)

戈沙爾目前的研究利用信息和通信技術(shù)(ICT)數(shù)據(jù)將物理規(guī)則應(yīng)用于城市系統(tǒng)和城市。這些數(shù)據(jù)使他的團(tuán)隊(duì)能夠揭示城市組織結(jié)構(gòu)的模式，以及人類活動(dòng)的動(dòng)態(tài)及其對土地利用、交通設(shè)計(jì)、流行病傳播、社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和可持續(xù)性的影響。研究人員必須簽署保密協(xié)議才能使用這些數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)有隱私和加密層，所以不可能追蹤數(shù)據(jù)指向任何一個(gè)特定的人。數(shù)據(jù)可能包括推特上的地理標(biāo)簽戳，顯示推特用戶地理位置的人口普查數(shù)據(jù)，顯示人們遷移到哪里的人口普查數(shù)據(jù)，以及顯示汽車到達(dá)預(yù)定目的地的速度和司機(jī)選擇路線的GPS數(shù)據(jù)

包括最短的距離、更少的交通、更漂亮的風(fēng)景等等。物理學(xué)博士生蘇倫德拉·哈扎里(Surendra Hazarie)進(jìn)行的一個(gè)項(xiàng)目利用這些數(shù)據(jù)來研究城市的種族隔離模式，包括收入、種族或其他特征。通過觀察不同地區(qū)城市人口流動(dòng)的方式，可以研究這些人口在重要方面的分布方式，也許較富裕的社區(qū)傾向于把自己封閉起來，諸如此類。Ghoshal和團(tuán)隊(duì)的其他成員使用ICT數(shù)據(jù)來開發(fā)特定的指標(biāo)，定義城市居民如何在城市中導(dǎo)航。例如，他們的“內(nèi)在度指標(biāo)”顯示，當(dāng)人們在城市中穿行時(shí)，他們傾向于被社會(huì)經(jīng)濟(jì)中心所吸引。

研究人員發(fā)現(xiàn)，貧困因素與城市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平、死亡率和死亡率密切相關(guān)。高水平的貧困往往伴隨著低水平的發(fā)展，因?yàn)槌鞘性诎l(fā)展的過程中只有一個(gè)城市中心。相反，發(fā)達(dá)城市有多個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)中心，城市貧困程度往往較低或統(tǒng)計(jì)意義不顯著。這種‘吸引力’的存在與否，可以作為一個(gè)城市發(fā)展的歷史指標(biāo)。僅僅通過觀察一個(gè)城市的居民樣本，一個(gè)城市就能告訴你很多關(guān)于這個(gè)城市的組織以及它是如何發(fā)展，至少從基礎(chǔ)設(shè)施的角度來看是這樣。另一個(gè)度量標(biāo)準(zhǔn)是“中間性中心性”，成為中心就是在很多事情之間。

舉個(gè)例子，如果在一個(gè)位于許多路線之間的區(qū)域，比如羅切斯特附近的布萊頓的“十二角區(qū)”，或者華盛頓特區(qū)的一個(gè)交通圈-中間會(huì)有更高的中心性。與直覺相反，隨著聯(lián)系的增加——無論是通過更多的道路、自行車道，還是大腦中的神經(jīng)元——人與信息的流動(dòng)形成了一種空間依賴性，交通擁堵朝著城市中心發(fā)展。這就意味著，比起僅僅修建更多的道路，建設(shè)多種交通方式的多式聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)更有利于大都市地區(qū)發(fā)展。

跨學(xué)科合作

像“內(nèi)”和“間”這樣的因素可以通過給城市規(guī)劃者提供世界上任何地方都可以使用積木來幫助他們了解情況。然而，巴伯薩表示，最終目標(biāo)并不是徹底改造現(xiàn)有的城市或建筑。更重要的是如何利用這些知識(shí)，例如，提高交通信號燈的同步，如果發(fā)生事故，將人流分流到城市的不同區(qū)域？如何促進(jìn)和促進(jìn)減少種族隔離？如何才能幫助預(yù)防疾病在現(xiàn)有機(jī)場或醫(yī)院的傳播？為此，戈沙爾和實(shí)驗(yàn)室成員與大學(xué)各個(gè)學(xué)科的研究人員合作。克里斯汀·布什·馬歇爾(Kristen Bush Marshall)是醫(yī)學(xué)中心醫(yī)學(xué)教授馬丁·贊德(Martin Zand)實(shí)驗(yàn)室的博士后助理，曾與戈沙爾合作進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)研究。

馬歇爾利用電子健康記錄中的匿名合并數(shù)據(jù)來構(gòu)建醫(yī)院移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。利用這些網(wǎng)絡(luò)，她希望為艱難梭菌在醫(yī)院病房的傳播制定一個(gè)“風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)”。理解人和地點(diǎn)之間的聯(lián)系，并通過網(wǎng)絡(luò)中心分析這些關(guān)系，有助于預(yù)測模型以傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法無法實(shí)現(xiàn)的方式進(jìn)行預(yù)測。網(wǎng)絡(luò)科學(xué)改變了我們看待病人在醫(yī)院活動(dòng)的方式，并幫助我們開發(fā)工具來改善病人的預(yù)后，減少感染的傳播。Ghoshal和團(tuán)隊(duì)還與Asaro-Biggar(1992年)計(jì)算機(jī)科學(xué)家庭助理教授Ehsan Hoque以及他的人類計(jì)算交互小組合作，利用Hoque的公共演講工具RocSpeak，分析執(zhí)行特定任務(wù)團(tuán)隊(duì)的效率和組成。

未來其他項(xiàng)目包括繪制疾病的后續(xù)影響圖，比如埃博拉危機(jī)后非洲人口的流動(dòng)，或者敘利亞沖突對跨境流動(dòng)的影響。應(yīng)用物理原理和涉及不同領(lǐng)域研究可以提供重要的見解，Ghoshal說我們達(dá)到了一個(gè)重要的里程碑：現(xiàn)在全球超過一半的人口居住在城市中心，預(yù)計(jì)這一趨勢將以指數(shù)形式繼續(xù)下去。了解是什么讓城市系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，以及如何讓它們可持續(xù)發(fā)展，或許是21世紀(jì)最重要的問題之一。解決這一復(fù)雜問題的唯一方法是將工具、交易和來自不同研究背景的見解結(jié)合起來。