物流觀點“流量”和“密度”是解決擁堵的關鍵——通過 Jamology 解決物流問題

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堵塞可能發生在任何地方,在通往旅遊勝地的道路上,在高峰時段的通勤路線上,或在施工附近。東京大學的西成勝博教授將研究這種現象稱為“干擾學”,並從科學的角度進行研究。科學地定義和處理擁堵,不僅可以為解決交通問題,也可以為物流、生產等領域的問題提供啟示。我們向教授詢問了卡紙和緩解卡紙的機制。

面試
東京大學尖端科學技術研究中心教授
西成勝博

你為什麼對“干擾”感興趣?

人們經常說“我今天遇到了交通堵塞”之類的話,但是什麼情況被稱為堵塞的基礎是什麼?我們是否都只是本能地使用“jam”這個詞,沒有任何標准或界限?

我在學生時代學的是流體力學,看到一篇文章說“車的流動類似於水的流動”,讓我大開眼界。我意識到交通在社會中可以被認為是流動的,就像水和空氣在流體動力學中被認為是流動的一樣,如果能夠科學地處理,那麼堵塞就可以解決。這是我30年前研究的起點。

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圖 1 干擾定義

定義干擾需要什麼樣的東西?

“流量”和“密度”這兩個概念很重要。在交通的情況下,流量是有多少車輛通過某個位置。另一方面,密度是單位間隔內有多少車輛。車輛是否在移動是無關緊要的。為了闡明這兩個不同概念之間的關係,可以繪製一個圖表,縱軸為流量(流量),橫軸為密度(圖 1)。起初,圖表向右上升,因為流速隨著密度的增加而增加。然而,流量在某一點達到峰值,從那時起,圖形向右下降。這個高峰是果醬的開始。我們了解到,峰前是不堵車的狀態,峰後是堵車的狀態。

直到最近幾年,果醬還不能用數字形式表達,被很多人憑直覺感知,但現在可以用數據來表達。就車輛而言,密度為每公里 25 輛。如果換算成速度,則約為每小時 70 公里,如果換算成車輛之間的距離,則約為 40 米。如果在高速公路上行駛時難以保持 40 m 的車距,那麼您就遇到了交通堵塞。

堵塞的定義,即流速和密度之間的關係,不僅可以應用於交通,還可以應用於任何類型的流量。由於流速總是上升然後下降,如果根據狀態圖檢查當前狀態,則可以採取合乎邏輯的措施。

例如,在人的情況下,每1m 2 1.8人的人口密度是堵塞邊界點的數值。由於一旦超過 1.8 人就會發生擁堵,如果您設計了防止超過該人數的措施,您可以嘗試提高服務或場所的滿意度。

規則是“欲速則不達”

您進行與交通擁堵相關的實驗。你從他們身上學到了哪些東西?

我在對定義的解釋中提到了這一點,但實驗表明,如果人們在車輛之間保持適當的距離(40 m),而不是在高速公路上擠在一起行駛,人們可以整體上以更快的速度行駛。當車輛之間的距離減小時,密度增加,這將導致與流量失去平衡。從那裡,它會發展成果醬。

此外,在一項實驗中,將堵車期間在最靠近路肩的慢車道上行駛與積極嘗試在超車道上開得更快進行比較,我們了解到,繼續在慢車道上行駛的車輛可以更快地到達目標。由於出入口多,人們想像的時間會很長,但一旦整個高速公路變得擁堵,為了開快車而切換到超車道的車輛就會增加。因此,超車道上的車輛密度增加,更容易發生擁堵,而慢車道上的交通卻出人意料地暢通無阻。

類似的事情也發生在高速公路的收費站。對於雙車道或三車道的高速公路,設有大量的收費站(圖 2)。然而,由於到大門的距離較短,許多車輛前往中心,導致在那裡排隊等候。當發生這種情況時,遠離中心的大門相對不擁擠。

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圖2 收費站“欲速則不達”

因此,即使我們選擇了通常最快的選項,也可能是錯誤的選擇。

遵循的規則是“欲速則不達”,但人們很少根據它做出選擇。即使在通勤高峰或事故等列車晚點的情況下宣布搭乘後續列車,仍有許多人試圖登上他們前面的列車。如果您將此視為個人,您將試圖強迫自己上火車,因為這將使您更快到達目的地。但是,由於上車的行為會導致列車進一步延誤,使整體擁堵狀況更加惡化,所以最好還是等下一趟車。就個人而言,下一班火車通常不會那麼擁擠,因此您可以更舒適地旅行。我希望人們足夠放鬆,可以有足夠的餘地,不要登上眼前擁擠的火車。

是否有對其他各種果醬的研究?

螞蟻果醬的研究成果引起了人們的關注。螞蟻排成一行移動,但發現不會發生堵塞。一隻螞蟻在行走時會分泌信息素並將它們沉積在地面上,然後下一隻螞蟻依靠這些信息素跟隨它。當速度固定時,信息素濃度是固定的,如果螞蟻擠得更近,沉積的信息素量就會增加,導致濃度高於正常水平。據信,已經檢測到這種情況的螞蟻會調整它們的速度,以便在它們之間保持適當的距離。我認為這是螞蟻在進化過程中獲得的避免擁堵的能力。

這是驚人的。我們人類仍然一如既往地受到果醬的折磨。

除了時間損失之外,堵塞的缺點還包括增加事故風險。 2001年發生在明石市煙花大會的人行天橋上發生的撞車事件,就是由於行人密度異常增加造成的。此外,在數万人聚集的麥加朝聖途中發生的事故中,也有很多人死亡。 2022年,韓國梨泰院也曾發生人潮擁堵事件,導致158人死亡,原因是雙向流動的人流超過了巷道的承載能力。如果流量得到適當控制,這起事件本可以避免。

果醬似乎只是一個問題,但在哪些領域它們是優勢的?

有一些字段。例如,由於經濟可以定義為資金流動,您可以說資金流動不會對窮人造成阻礙。我開始做 jamology 是因為我討厭 jam,但我歡迎關於金錢的 jam(笑聲)。

通過共享適當的信息來實現整體優化

物流、生產等領域也會出現卡頓現象。

物流基地開展貨物的到貨、拆箱、整理、倉儲、揀貨、加工、檢驗、包裝、發運等各項工作。每道工序都積累了專業知識和智慧,我們始終努力使其更有效率。然而,每個過程的努力是有限度的,因為即使其中一個過程提高了它的工作速度,也不一定會帶來更高的效率。如果下一道工序還是以同樣的速度進行,就會在上一道工序和下一道工序的交界處發生卡頓,就得實施緩衝。

要緩解擁塞,重要的是要從局部優化而不是整體優化的角度來看待這個問題。這種方法是先單獨測量每個工作時間。這將使您能夠找到執行工作特別快的區域,然後降低處理速度以匹配較慢的操作,從而使整體速度匹配。努力提高工作速度固然重要,但如果後面做的工作慢了,最終的出貨量就不會增加,整體運作的效率也不會提高。如果快速執行工作的流程降低了速度,中間庫存就會減少。重要的不是提高速度而是優化整體操作。

您能告訴我們其他通過關注流速和密度解決問題的案例嗎?

一個這樣的例子是機場。當國際航班到達機場時,機場內的人數突然增加,如果超過出入境口的處理能力,就會出現擁堵。不過,航空公司已經掌握了乘客人數、外國人人數、行李數量等相關數據。如果機場能夠事先收到此類信息,則可以相應地調整其係統以接收乘客。直到最近,各航空公司都單獨管理這些數據,但已採取行動與成田機場共享該信息,並開始根據該信息組織出入境檢查人員的輪班。在入境人數多的日子增加工作人員的數量,可以緩解登機口的擁堵。在擁塞學術語中,通過增加工作人員數量來增加流量(即通過大門的人數)可以使人們通過大門而不會發生擁堵,即使密度(即擁擠狀態)是相同。反之,可以在入境人數減少的日子減少員工人數,從而改革員工的工作時間。

對這些信息進行綜合管理,可以進一步緩解各種擁堵。我們都會在不確定的情況下努力工作,但可以通過預測未來來減輕負擔。這不僅適用於機場,也適用於其他行業。

應用到物流上,你能告訴我們哪些信息可以共享以幫助緩解擁堵?

在物流領域,供應鏈信息共享也非常有效。在零售店的物流中,我聽說傳單上打折的商品的配送很困難。討價還價是零售商的一項重要策略,關於何時以低價出售以及出售什麼商品的信息屬於商業機密。然而,對於面臨嚴重勞動力短缺問題的物流行業,企業希望能夠快速獲取哪怕是少量的信息,以便做好確保司機安全等準備工作。例如,如果一家物流公司能夠與零售商簽訂保密協議,並提前 6 個月收到有關特價商品的信息,它就可以做好必要的準備。

您認為未來在信息共享方面會取得進展嗎?

以前不用擔心庫存,生產什麼就賣什麼,但現在是多品種小批量生產的時代。我們現在必須考慮超越一個公司框架的精簡和整體優化。

存在術語“牛鞭效應”。當你揮動鞭子時,即使你的手附近的波浪運動很小,但隨著它靠近鞭子的尖端,它會增加。同樣,如果零售商試圖保留更多的庫存,中間配送點將需要保留更多的庫存,製造商也將不得不增加產量和庫存。與製造商共享零售商的信息可以減少不必要的庫存量。

最後,請告訴我們一些可以用來避免卡紙的技巧。

我們知道在邊界處很可能發生堵塞。如果我們看一個工廠的例子,從二樓到三樓的電梯是一個邊界,因此如果在那裡失去流量平衡,就會立即發生堵塞。在考慮工廠內的物流時,我們應該注意可能發生堵塞的點,以便在邊界處提供一些空間。我相信有時候你應該決定,比如現在不應該把東西抬到三樓,但提供的空間可以起到緩衝的作用。這樣站在整體優化的角度思考問題,才是避免卡頓的訣竅。由於阻塞的定義,即流量和密度之間的關係,可以適用於任何類型的流動,因此可以以流量和密度之間的平衡為目標,不會發生阻塞。

西成勝博

1967年出生,博士。在東京大學工學部完成博士課程後獲得學位(工學)。就任東京大學尖端科學技術研究中心教授。專業是數學物理。 2007 年,《Jamology》(新潮專著)獲得講談社科學出版獎和日經 BP BizTech 圖書獎。2013 年被文部科學省選為“2013 年科學技術重大貢獻獎”。 2021 年因關於邊走邊看智能手機導致擁堵的研究獲得搞笑諾貝爾獎。

  • *本文基於 DAIFUKU NEWS 第 226 期(2020 年 1 月出版)中的“物流觀點:“流量”和“密度”是解決堵塞的關鍵——通過 Jamology 解決物流問題”的內容。

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