复杂性科学与行人流

马剑

2021年10月11日

    2021年诺贝尔物理学奖颁发给Giorgio Parisi 以表彰他对复杂系统理论的开创性贡献，特别是“发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和波动的相互作用”。国庆期间看到这个消息的时候，心理还是比较震惊的，我抓紧去查这个Parisi是不是我认识的那个Parisi，后来发现我在TGF11时认识的Parisi是Daniel而不是Giorgio，我本来以为我和诺奖获得者之间的度为1的兴奋逐渐消失了。在看文献的过程中我发现G Parisi除了研究原子和宇宙，还专门研究过鸟群的自组织临界性，这让我心里本来逐渐消失的火又突然光亮起来。

    Giorgio这项关于鸟群飞行自组织临界性的研究工作发表在PNAS，他们从实验观测中发现，鸟群中个体间的相互作用是受拓扑距离决定而非物理距离。实际上，自组织临界性并非一个新的问题，早在上个世纪大概七八十年代Reynolds就提出了一种模型去解释鱼群的类似特征，后来有一系列的研究工作去关注生物体系统中的自组织临界性特征，有一些开创性的工作发表在顶级期刊，比如匈牙利科学院院士Vicsek在PRL上的论文。值得关注的是，并非只有生物体系统中会呈现出自组织临界性，在沙堆，地震，米堆，森林火灾中都观测到了类似的现象，Bak和Tang在PRL上发表了研究沙堆自组织临界性模型的论文，把这一领域的研究推向了新的高度。受此启发，我的导师宋卫国教授在范维澄院士的指导下和汪秉宏教授合作开始关注森林火灾自组织临界，在中国做了开创性的研究，现在回想起来，他们应该是自觉地把论文写在了祖国大地上。当年我在看到PNAS上关于鸟群自组织飞行特性的这项工作时已经是跟廖光煊教授和Prof. Siu-Ming Lo攻读联合培养博士的第二年，正在思考博士论文的方向。由于之前宋老师和汪老师的合作，大概一个学期会我们会参加一到两次汪老师组织的组会，那时对复杂性科学和复杂网络有了更多的认识，汪老师组里的王文旭师兄、周涛等人后来都成为了复杂性科学领域内的知名学者。我最早的想法是想把交通系统构建成一个复杂网络，从而分析网络上的交通流特征。后来第一次跟两位导师汇报时，直接就被否定了。他们建议我考虑火灾或者自然灾害条件下的疏散问题。于是我还是回到了疏散的大方向来。

    2000年Helbing在nature上发表了他的成名作社会力模型，掀起了人员疏散动力学研究的热潮。社会力模型是典型的连续性模型，我一直坚持认为社会力模型的提出是受Reynolds和PRL的启发。社会力模型能够重现出行人流中的“faster-is-slower”以及“lane formation”等典型的自组织现象。到我开始攻读博士时，人员疏散的模型，特别是离散模型已经有很多。连续性模型相对较少，可能主要原因是连续性模型实现起来太难了。我的大师兄于彦飞把离散的元胞自动机和社会力结合开发了中国最早的疏散模拟仿真软件之一SafeGo，并在08年奥运场馆等众多重要建筑的设计和安全分析中得以应用。我最早也是从开重现离散模型开始这个领域的尝试，这一过程实际上花了不少时间。那时候我们每个人的研究都是自己从头开始写代码，也不好意思开口问师兄要他们的代码学习。那段时间我每个月可以去Graduate students’ office领两包打印纸，所有的纸都用来打印文献，后来被改成限领一包后突然发现不够打印文献了，于是开始痛苦的在电脑上看文献。也许是那个时间养成的习惯，我现在看到好的论文还是要打印出来才看得下去。那时看过的文献非常多，第一次到CityU时Prof. Lo跟我说BC有个教授非常厉害，让我可以跟他聊聊天。那是一个满头白发的老头，我跟他聊了一会，他建议我关注几个方向的论文，他每说一个方向我就说这个方向的论文我看了哪些哪些，别人已经做了什么样的工作。大概在我回答完他建议的第三个方向时，他说，这样看来你是一个“know all guy”。我感觉到了满满的讽刺，那次聊天也就不欢而散。回去后，我还是接着看论文。后来我发现，虽然社会力模型推进了人员疏散这一研究领域的快速发展，但是对于行人流的自组织特征的研究相对较少，常态的行人流和紧急状态下的人员疏散一个最重要的区别是疏散可以被看做近似单向的流动，而常态的行人流是多向交叉存在复杂相互作用的流动。我准备在这个方向做些工作。很快我看到了Giorgio等人在PNAS上的论文。

    我第一篇sci是研究相向行人流模拟的，论文实际上是受到是Parisi这个发表在PNAS上的工作启发去做的。Parisi的研究给我的启发是行人在运动时是不是也是受最近邻的影响呢？我们能不能去做些实验去研究呢？模型比实验要更容易，所以我先打算做模型的工作，但是当时我在如何去实现拓扑距离计算上思考了很久，因为用离散模型没有办法严格定义拓扑距离，用连续模型的话如何解决运动方向的问题我没有好的方法。后来我选了我比较拿手的离散模型去做，发现实际上只要考虑2近邻就可以重现相向流的自组织特征，这个结果还是挺有意思的，但是后面论文评审过程就比较曲折，主要原因就在于我偷懒选择离散模型。这个工作最终发表在Physica A上。

    这个工作完成后，我开始考虑实验的问题。那个时候，通过实验去研究行人流和人员疏散还没有一个成熟和公认的架构。我的师弟张俊和刘轩发现了德国Armin Seyfried等人的单列行人实验，在这样的框架下从Fundamental diagram角度出发做了不错的工作。我想从个体的角度去分析和研究个体间的相互作用，当时发现了Moussaid的研究。在这些研究工作的的启发下于是很快完成了我的第二篇论文。

    虽然博士阶段的主体工作完成了，用连续模型去做个体间相互作用却一直困惑些我，我依然没有找到好的方法解决人的速度方向选择问题。我在博后期间开始跟刘少博的合作做港铁2020的项目。那个时候，港铁发现随日均客流量的快速攀升，站内的Level of service会在不久的将来成为一个大问题，于是找了美国的一个著名咨询公司OMMA帮他们做改造设计，找了Prof. Lo来帮他们通过行人流模拟做现有站和改造方案的评估。那个时候，从文献看，能够处理疏散模拟仿真的软件有近50种，能够处理行人流仿真的只有Legion和Anylogic，并且不能满足港铁的需求。于是我们打算自己写一款行人流模拟仿真的软件。

    我和少博就用离散还是连续模型去写讨论了一段时间，我坚持用连续模型去做，其中一个原因是希望解决我博士期间留下的遗憾。后来我们发展了一个日本学者在TR part B上的模型，提出了最大效用模型，这个模型后来少博发表在IEEE T. ITS上。那段时间我每天在办公室写程序，大概每天都调试到夜里两三点，有时候困了就在桌子上趴一会，早上五六点就起来接着调试。有次碰到同到CityU访问的上海大学董丽耘教授，聊到我们的模型，董教授马上跟我说你们这个模型跟刚刚在PNAS上的一个工作很像。我回到办公室马上找到了这篇刚刚挂出来的最新论文，发现又是Moussaid的工作，读完以后发现本质上他的思路也是受到Parisi关于鸟群研究的影响，虽然他的论文完全没有提到。他在论文里提出一个模型，只考虑最近邻的影响就能重现出行人流的自组织特征。这个模型非常优美，很精妙的解决了困惑我很久的行人方向选择的问题，让我豁然开朗，但是他的论文并非完美，里面有几个公式写错了，也许是想尽快发表出来导致的疏漏。我用了两三天马上把他的工作重现出来，当然后面发现他的模型没有办法处理复杂场景，特别是存在内部障碍物和设施组合布局的复杂建筑空间。那时候我就在想，如果当初我选择连续模型去做博士阶段的第一个工作，就肯定要延期毕业了，延期压力就很大，但是挺一下的话会不会我也能做出来和Moussaid一样水平的论文呢？现实生活是没有如果的，在CityU博后的时间只有短短的一年多，但是我对自己过去15年在行人流与人员疏散领域所做的最满意的工作还是那段时间的研究，我跟少博，王维莉，廖瑶剑还有Jasson Yuen几个人一起圆满完成了港铁的要求，最大的收获是明白了只要敢于动手，我们也可以做一流的工作。虽然回想起来每天只睡几个小时，当时却完全不觉得辛苦。唯一的遗憾是后来在大学工作了，因为日常教学和各种杂事没有办法集中精力继续解决博士后阶段遗留的工作。

    看到诺贝尔物理学奖的新闻，回想我所了解的复杂性学科的发展以及亲历的行人流与人员疏散动力学领域的成长，从我毕业到现在10年多过去了，很高兴最近我的几位博士生现在围绕着这个方向再进一步发展新的算法和模型，我的硕士生也在从事相关的研究工作，智慧地铁和智慧枢纽也给了这个方向新的生机。我也希望十年后他们回头看自己的研究时，也会觉得有一段经历虽不那么耀眼，但是可以是一生的骄傲。