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以基础研究寻求城市交通科学发展之路——记国家自然科学奖二等奖获得者高自友教授及其团队

发布时间: 2014-05-06

高自友,北京交通大学交通运输学院及轨道交通控制与安全国家重点实验室教授,博士生导师,“973”项目首席科学家,长江学者特聘教授,国家杰出青年科学基金项目获得者,全国优秀教师,俄罗斯自然科学研究院外籍院士。由其主持完成的“基于行为的城市交通流时空分布规律与数值计算”项目荣获2011年国家自然科学奖二等奖。该成果不仅加深了人们对城市交通流时空分布规律的认识,而且对建立现代交通科学理论体系具有重要的理论指导意义,是国内交通科学领域第一个重大的基础性研究成果,处于该领域当今国际研究的先进水平。成绩的背后,是高自友教授及其团队近20年来潜心交通科学基础研究的汗水与付出。

“科技工作者首先应回答自己的研究是为了什么”

高自友教授认为,“自己的研究是为了什么”,这是科技工作者首先应回答的问题,是一个基本的定位问题。他自己的答案则是:既要关注学科发展,同时也应对接国家社会需求。
随着人类社会和现代文明的发展,城市交通拥堵等问题严重影响到城市经济建设和社会发展的运行效率,给人们的工作、生活带来极大的不便和损害,同时还衍生出交通环境污染、交通能耗等多种问题。城市交通问题已然成为世界性难题,也成为制约中国社会经济的可持续发展、亟待着力破解的重大课题。
更为严峻的现实是,由于人们对城市交通发展的属性特征及内在的运行分布规律缺乏足够准确的认识,使得实际交通工程和应用过程中也存在着众多问题。
上世纪九十年代初,出于科技工作者关注学科发展和对接国家社会需求的高度自觉性和使命感,刚刚到北京交通大学从事博士后研究工作的高自友就将目光聚集到了交通科学问题的研究上,从城市交通系统中的内在属性特征及运行分布规律等基础科学问题入手,寻求破解城市交通发展难题的途径,由此踏上了近二十年孜孜探索之路。

“加强交通科学基础研究是破解城市交通发展难题的根本出路”

一直以来,我国一些城市正竭尽全力,投入巨资,多修道路、控制车辆及其行驶方式,寻求交通拥堵的破解之法。然而,城市交通拥堵问题并没有得到明显改善,一些大城市甚至出现“路通到哪,车堵到哪”的怪现象。不仅如此,由于缺乏科学的控制管理措施,原有的一些道路交通资源无法得到充分利用,导致了交通基础设施的重复建设。究其原因,高自友认为,根源在于缺乏先进的理论指导。“实践经验和教训均表明,如果缺乏先进的理论指导,单纯依靠‘头痛医头,脚痛医脚’的管理方式来解决城市交通问题,不仅成本高昂而且效果有限”。他指出,多年来,我国城市交通的研究与实践往往侧重于工程管理层面,主要围绕道路运输网络和交通控制体系的规划、设计和建设进行。这方面当然非常重要,但却无法从根本上解决问题。“问题的关键在于,应从理论上全面系统地研究城市交通运行过程中的各种内在机理。换言之,就是要加强交通科学基础研究,发现制约交通系统的基本规律,促进交通科学与交通技术的协调发展,使交通工程实践立足于更科学、更有效的基础上。”“这应该是破解交通拥堵等城市交通发展难题的根本出路”。
高自友举了这么两个例子。一个是上世纪60年代初期纽约市原本准备投建连接曼哈顿与新泽西的第二条隧道。但是根据MIT交通科学家的建议,通过改进原有交通信号管理方式,令隧道内的车流一直处于高效的同步交通流状态,得以将隧道的通行能力提高了20%,满足了当时的交通需求,从而省却了新建隧道的费用。另一个则是,北京市四环路的设计通行能力是每小时1500辆机动车,但在建成通车后,当交通流量达到每小时500辆车时就出现拥堵。一正一反之间,很能说明问题。
城市交通系统涉及到人、车、路及管理控制系统等,其主体是全体交通参与者,因而其具有高度的随机性、动态性和复杂性,其中蕴含着大量的基础科学问题。而出行者的出行行为可能是交通中最复杂最具动态性的因素。这么多出行者都想尽快从起点到终点,那么这些出行者在路上是怎么分布的?为什么一部分的路堵特别严重,另一部分就相对比较宽松?高自友认为,这其中实际上大有规律可循。对这些规律的认识越深刻,就越有助于解决城市交通发展中的问题。
正是基于这样的科学认识,近20年来,高自友及其团队一直致力于基于出行者行为的城市交通流时空分布规律的研究。团队成员从现实中挖掘科学问题、从大量数据和现象中提炼科学问题,在此基础上通过科学建模,进行理论分析与仿真模拟,随后再通过实践检验模型的有效性与合理性。
为了让笔者更好地理解这种工作模式,高自友为我们介绍了团队众多项目成果中的一项,即基于换道行为的多车道交通流动力学模型。开车的人都知道,在开车过程中经常会发生一些“奇怪”的拥堵现象,即“无缘无故”发生的交通阻塞,这在交通科学中有一个专业术语,叫幽灵阻塞现象。团队成员在大量观测实验及研究分析的基础上发现,频繁换道行为容易导致“幽灵阻塞现象”的发生,由此构造了基于换道行为的多车道交通流动力学模型。该模型具有很大的潜在应用价值:一方面可以为今后制定交通管理法规起到理论支撑作用,另一方面可以提醒交通管理部门在具体施画交通行车线标志时,尽量考虑如何减少换道或并线的冲突。这不但可以减少“幽灵阻塞现象”的发生,提高道路交通的通行能力,而且可以减少交通事故的发生。
高自友指出,尽管交通科学目前仍处于发展阶段,但一些成果已经在实际交通工程实践中起到了重要的理论支撑作用。只要进一步把握城市交通中的基本规律,宏观地做出科学决策,避免可能出现的问题,解决“交通难”问题决非可望不可及的事情。“对此,我们很有信心。”

“良好的团队合作与耐得住寂寞的精神,是成功的根本保证”

论及成功的原因,高自友首先强调的是他的团队——一支涉及数学、物理、力学、统计、信息、管理、交通工程、系统科学等多学科的综合交叉科研队伍。高自友认为,随着科学的发展,研究课题的复杂性、综合性和交叉性越来越强,过去那种单枪匹马的研究方式已无法适应世界科技发展的需要。团队合作变得尤为重要。他告诉记者,此次获奖项目的其他几个主要完成人黄海军(北京航空航天大学)、杨海(香港科技大学)、林兴强(香港理工大学)、毛保华(北京交通大学)等都是从上个世纪90年代初期就开始合作的老搭档,中间基本就没有变动过。笔者在网上大致浏览了一下高自友教授近20年来主持和参与的重大课题、发表的重要论著与主要科技获奖,其中也大多是与上述成员合作完成的。“这么多年来,我们一直都在合作,志趣相投,携手努力。”“拿到这个奖,也足以说明我们团队十几年来的合作是卓有成效的。”
“耐得住寂寞”,则更是被高自友反复提及与强调。“基础研究探索性强、偶然性多。要想取得突破,需要一个长期的积累过程,期间会经历无数次的挫折甚至失败,这就需要科学家沉得住气,耐得住寂寞。”“没有十年磨一剑的精神,很难坚持下去。”对于这一点,高自友有着清醒的认识和深刻的体会。1995年从北京交通大学运输模拟中心博士后出站的第二天,他就飞往香港做访问学者,全然没给自己留出一点庆祝和放松的时间。这个中国科学院应用数学专业出身的科研工作者,天然地对基础研究有着深厚的情感,同时也深谙其重要作用。高自友坦言,基础科学自身的特性决定了目前的一些理论研究成果不能马上直接作用于城市交通问题的解决,但却能加深人们对城市交通系统的属性特征及内在运行分布规律的认识,“从长远来看,对城市交通规律的认识越深刻,就越有助于从源头上解决问题。”他甚至能轻易地背出2004年诺贝尔物理学奖获得者戴维•格罗斯关于基础研究的一段论述:“基础研究的知识是至关重要的,它使我们能够了解自然,同时也是应用科学的基础,这些成果驱动着科技的发展,同时也促进了自然科学的发展。这就是科学技术前进的动力!” 这,或许正是高自友及其团队选择坚守的理由所在。

“我们要走的路还很长”

十数年的汗水与付出,浇灌出绚烂的科学之花。在近20年的时间里,高自友及其团队对基于行为的城市交通流时空分布规律与数值计算进行了深入研究,构建了城市交通网络中多车种运量分布与分配的组合模型,解决了国际上城市交通规划四阶段理论中各阶段之间不相容这一严重缺陷;研究了基于网络备用能力的城市交通网络设计问题,避免了交通网络设计中的能力诡异现象;研究了不同路网拓扑结构与其承载的交通流量之间的关系,部分解决了城市交通承载能力研究上的难题;构建了基于换道行为的多车道交通流动力学模型并进行了特性分析;提出了一种新的求解大规模离散交通网络设计问题的计算方法——支撑函数法,显著提高了运算效率。这些成果突破了传统理论的限制,取得了一批原创性的、填补国际空白的基础研究成果,解决了一些国际公认的难题,加深了人们对复杂城市交通流时空分布规律的认识,处于该领域当今国际学术研究的领先水平。
成果自发表以来,受到国际上许多著名学者的高度评价,获得巨大反响,并在国际上引出了一系列的后续研究,有些模型与算法已经被嵌入国际著名交通软件中。英国皇家工程院院士Allsop教授等认为:“项目组研究成果在交通工程数学建模及应用方面达到最高水平,是本世纪中国科学家在国际学术前沿做出的创造性研究成果的杰出代表,所取得的创新性成果在相关领域极具挑战性。”言语间充满了对中国同行极度的肯定与褒奖。
成绩面前,高自友却保持着科学家惯有的冷静。“应该说,经过团队这么多年的共同努力,我们的确取得了一些成果,为未来的发展奠定了良好的基础。但还有许多地方需要付出努力,实现突破。”“我们要走的路还很长。”
在采访高自友教授的过程中,笔者注意到在其办公室的墙上粘贴着一张A4纸,由于时代久远,纸张颜色已经泛黄,但纸面上“坚韧不拔,成功的保证”几个汉字却依然清晰。从这里,我们可以感受到这位科学家骨子里的那种自律与坚毅,正是这种自律与坚毅让他带领自己的团队走到了今天。也正是这种自律与坚毅,让我们有理由相信,在以基础研究寻求城市交通科学发展之路上,他们会走得很远。(李世珍)