物流观点“流量”和“密度”是解决堵塞的关键——通过堵塞学(Jamology) 解决物流问题

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      堵塞可能发生在任何地方,在通往旅游胜地的道路上,在高峰时段的上下班的路上,或在施工附近。东京大学的西成活裕教授将这种现象称为“堵塞学”,并从科学的角度进行研究。科学地定义和处理堵塞,不仅可以为解决交通问题,也可以为物流、生产等领域的问题提供启示。我们向西成教授询问了堵塞和缓解堵塞的机制。

专访
东京大学尖端科学技术研究中心教授
西成 活裕

您为什么对“堵塞”感兴趣?

      我们经常会说“我今天遇到了交通堵塞”之类的话,但是对于什么情况是堵塞并没有一个标准或界限,而且大家都是凭感觉使用“堵塞”这个词。

       我在学生时代学的是流体力学,我曾看到过一篇文章里写着“汽车的流动类似于水的流动”,这让我突然受到启发。我意识到交通在社会中可以被认为是流动的,就像水和空气在流体动力学中被认为是流动的一样,如果能够科学地处理,那么交通堵塞问题就可以迎刃而解。这就是我30年前研究的出发点。

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图 1 堵塞定义

定义堵塞需要什么?

       “流量”和“密度”这两个概念很重要。就交通而言,流量是指有多少车辆通过某个位置。而密度是指单位区域内有多少车辆。这与车辆是否在移动是没有关系的。为了阐明这两个不同概念之间的关系,我绘制了一个图表,纵轴为流量(交通流量),横轴为密度(如图1)。起初,因为流量随着密度的增加而增加,所以流量稳步上升。然而,流量在某一点达到峰值,之后逐渐开始下降。这个峰值就是堵塞的开始。事实证明,在峰值前是不堵车的,而在峰值后就开始出现堵车状况。

       直到近几年,交通堵塞还不能被量化,很多人都是凭直觉感知,但现在它可以用数据来表达。就汽车而言,其密度为每公里25辆。如果换算成速度,则约为每小时 70 公里。如果换算成车辆之间的距离,则约为 40 米。如果在高速公路上行驶时难以保持40 m的车距,那么这就意味着出现了交通堵塞。

       堵塞的定义,即流量和密度之间的关系。它不仅可以应用于交通,还可以应用于任何类型的流量。由于流量总是先上升然后才开始下降,如果将当前情况与图表进行比较,则可以采取合乎逻辑的措施。

       例如,对于人来说,每平方米1.8人的人口密度是堵塞的边界点。由于一旦超过1.8人就会发生堵塞,因此可以在主题乐园、车站等人群聚集的地方采取应对措施,防止超过这个标准,从而提高服务满意度。

规则是“欲速则不达”

听说您一直在做与交通堵塞相关的实验。关于交通堵塞您还了解到什么问题?

       我在讲解堵塞的定义中也提到了这一点。实验证明,如果人们在高速公路上保持40米的适当车距,而不是挤在一起行驶,那么可以从整体上以更快的速度行驶。当车辆之间的距离缩小时,密度就会增加,这将导致与流量的不平衡,由此发展成堵塞。

       此外,在一项实验中,将堵车期间在最靠近路端的慢车道上行驶与积极尝试在超车道上行驶的车辆进行比较,我们了解到一直在慢车道上行驶的车辆可以更快地到达目的地。虽然大多数人会认为慢车道的并线和出口多,这将会减慢速度,从而使行驶的时间更长。但是,一旦整个高速公路出现拥堵,为了走得更快而切换到超车道上的车辆就会增加。因此,超车道上的车辆密度也将随之增加,这将更容易导致堵塞,反而是在慢车道上行驶的车辆出人意料地畅通无阻。

       这同样适用于高速公路收费站。对于双车道或三车道的高速公路,设有多个收费站(如图2)。但由于到中央收费站的距离比较短,许多车辆都会去中央收费站,这就造成了排队等候现象。当发生这种情况时,两侧的收费站就会相对通畅。

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图2 收费站“欲速则不达”

因此,即使我们选择了最快的路线,也有可能是错误的选择。

       是的。这遵循的规则是“欲速则不达”,但人们很少做出这样的选择。即使在上下班高峰期或因事故等原因电车晚点时,列车员会广播通知“请乘客搭乘下一班电车”,但仍有许多人会选择乘坐他们面前的电车。作为个人来考虑,您会选择强行乘坐这班电车,因为这可以使您更快到达目的地。但是,这种行为将导致电车进一步延误,使整个交通路线的拥堵状况更加恶化,所以我们最好还是等下一班电车。就个人而言,下一班电车通常不会那么拥挤,因此您可以更舒适地乘坐电车。我希望人们可以放松一些,不要强行乘坐眼前拥挤的电车。

听说除了交通堵塞,您还在研究其他的堵塞问题。

       对,我们对蚂蚁堵塞的研究成果引起了人们的关注。蚂蚁排成一行移动,但我们发现它们不会发生堵塞。第一只蚂蚁在行走时会分泌信息素并将它们留在地面上,然后下一只蚂蚁依靠这些信息素跟随它行走。当速度固定时,信息素浓度是固定的,如果蚂蚁之间的距离缩小了,沉积的信息素量就会增加,其浓度也会高于正常水平。所以,蚂蚁感知到这种情况时便会调整它们的速度,以便使它们之间保持适当的距离。我认为这是蚂蚁在进化过程中获得的避免堵塞的能力。

这个发现是惊人的,但我们人类仍然受到堵塞的困扰。

       交通堵塞的弊端不仅是时间上的损失,还包括增加事故的风险性。2001年发生在明石市烟花大会的人行天桥上的碾压事件,就是由于行人密度异常增加造成的。此外,在数万人聚集的麦加朝圣途中发生的事件中,也有很多人丧生。2022年,韩国梨泰院也曾发生人潮拥堵事件,导致158人死亡,原因是双向流动的人流超过了巷道的承载能力。如果流量得到适当控制,则可以避免此事件的发生。

堵塞问题似乎都是弊端,但它是否在某些领域有优势呢?

       有一些领域是这样的。例如,由于经济可以定义为资金流动,您可以将贫穷理解为没有堵塞的资金流动。我开始做堵塞学(Jamology)是因为我讨厌堵塞,但我非常欢迎关于金钱的堵塞(笑)。

通过共享适当的信息来实现整体优化

在物流、生产等领域也会出现堵塞现象。

       物流基地开展货物的收货、拆箱、整理、储存、拣货、加工、验收、包装、发货等各项工作。每项工作的部门都积累了专业的知识和智慧,并且一直在努力提高工作效率。然而,每个部门的努力都是有限的,因为即使某个部门提高了作业速度,也不一定意味着会使整体工作更高效。如果下一道工序还是以同样的速度工作,那么就会在上一道工序和下一道工序的交界处发生堵塞,这就需要进行缓冲工作。

       要缓解堵塞,重要的是要从整体优化而不是局部优化的角度来看待这个问题。这种方法是先单独测量每个工作时间。这将使您能够找到执行工作特别快的部门,然后降低处理速度以匹配较慢的部门,从而使整体速度得到协调。努力提高工作速度固然重要,但如果后面做的工作慢了,最终的出货量就不会增加,整体运作的效率也不会提高。如果快速执行工作的部门降低了速度,中间库存就会减少。重要的不是提高速度而是优化整体作业。

您能谈谈其他通过关注流量和密度解决问题的案例吗?

       我们可以以机场为例进行说明。当国际航班到达机场时,机场内的人数突然增加,如果超过入境口的处理能力,就会出现堵塞。不过,航空公司已经掌握了乘客人数、外国人人数、行李数量等相关数据。如果机场能够事先收到此类信息,则可以相应地调整系统以接收乘客。到目前为止,各航空公司都是单独管理这些数据,但在成田机场已经开始共享这些信息,并开始根据该信息安排出入境检查人员的工作日程。在入境人数多的时期增加工作人员的数量,可以缓解入境口的堵塞。在堵塞学中,即使是在密度=堵塞的情况下,也可以通过增加工作人员数量来增加流量(即通过入境口的人数),从而使乘客顺利通过入境口,而不会发生堵塞现象。反之,可以在入境人数减少的时期减少工作人员人数,从而改善员工的工作方式。

       通过对这些信息进行综合管理,我们可以进一步缓解各种堵塞。我们每个人都在不确定的情况下努力工作,如果可以预测未来,那么我们就可以减轻负担。这不仅适用于机场,也适用于其他行业。

如果将堵塞学应用到物流上,您认为共享哪些信息可以缓解堵塞问题?

       在物流领域,共享供应链信息是非常有效的方法。在零售店的物流中,我听说传单上打折商品的配送很困难。特卖是零售商的一项重要策略,关于何时以低价出售以及出售什么商品的信息属于商业机密。然而,对于面临严重劳动力短缺问题的物流行业,企业希望能够尽早获得信息,以便做好确保司机人数等的准备工作。例如,如果一家物流公司能够与零售商签订保密协议,并提前半年收到有关特价商品的信息,那么它就可以做好必要的准备。

您认为未来在信息共享方面会取得进展吗?

       以前不用担心库存,生产多少就能卖多少。但现在是多品种小批量生产的时代,我们必须超越公司框架考虑到效率和整体优化。

       在经济学中有“牛鞭效应”这样一个术语。当你挥动鞭子时,即使你手附近的波浪运动很小,但随着靠近鞭子的尖端,波浪运动就会增加。同样,如果零售商试图保留更多的库存,中间配送点将需要保留更多的库存,而制造商也将不得不增加产量和库存。如果从零售商到制造商的所有流程可以共享信息,那么就可以减少不必要的库存。

最后,请您告诉我们一些可以用来避免堵塞的技巧。

       我们已经知道在边界处很容易发生堵塞。例如在工厂,从二楼到三楼的电梯是一个边界,因此如果在那里失去流量平衡,就会立即发生堵塞。在考虑工厂内的物流时,我们应该注意可能发生堵塞的点,并在边界处留出一些空余空间。有的时候你会决定“现在不应该把东西搬到三楼”,这个时候这个空余空间就可以起到缓冲的作用。这样站在整体优化的角度思考问题,就是避免堵塞的诀窍。由于堵塞的定义是流量和密度之间的关系,它可以适用于任何类型的流动,因此我们只要可以确保流量和密度之间的平衡,那么就不会发生堵塞。

西成 活裕

       1967年出生,博士学位。在东京大学工学部完成博士课程后获得工学博士学位。就任东京大学尖端科学技术研究中心教授。专业是数学物理。2007年,《堵塞学》(新潮选书)获得讲谈社科学出版奖和日经BP BizTech图书奖。2013年被文部科学省选为“2013年科学技术重大贡献奖”。2021年因关于边走边看智能手机导致堵塞的研究获得搞笑诺贝尔奖。

  • *本文基于《DAIFUKU NEWS》第 226 期(2020 年 1 月出版)中的“物流观点:‘流量’和‘密度’是解决堵塞的关键——通过堵塞学(Jamology )解决物流问题”的内容改编而成。

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