研究堵塞的目的无疑是为了消除堵塞。迄今为止，人们在各个领域为消除堵塞做出了种种努力，但遗憾的是，堵塞并没有被消灭。西成活裕编著的《堵塞学》希望从“跨学科”的视角入手，研究有关堵塞的问题。当人们为车辆堵塞而苦恼的时候，不妨看看蚂蚁是怎么解决这一问题的，这也是一种方法。

本书类似于一系列短篇的集锦，粗略地阅读第一章后，后面的章节可以随意选读。有的章节末尾附有“堵塞学小讲堂”，为希望加深认识的读者提供了更为详细的解说，其他读者也可以跳过这部分。总而言之，这本书展现了新诞生的“堵塞学”对各种堵塞的解读，如果读者能从中体会到阅读的乐趣，便是我莫大的幸福。

遇上高速公路大堵车，连续几个小时动弹不得的时候，卡在车阵中的你能做什么？除了抱怨和忍耐，你还可以参与这个新话题——《堵塞学》。

日本东京大学的西成活裕教授用了10年时间，从“跨学科”的视角来研究堵塞现象，开创了一门崭新的学科——堵塞学。其实，堵塞不只发生在车道、人群、蚁群、网络中，只要有东西流动，就会发生堵塞。森林火灾、飞机、电梯、广告、红绿灯设置方式、血管、神经、财富，甚至和美女搭讪……都与堵塞脱不了关系。《堵塞学》中，让西成教授以数字与人性的分析，探究各种你从未认真思考过的堵塞问题。

第一章 什么是堵塞

 越拥挤“走”得越快的水流/0

 物理学也有研究不了的运动/4

 玩具模型大显身手/7

 研究堵塞不可缺少的玩具模型——ASEP/20

 一起来玩ASEP吧/22

 当水变成冰的时候/24

 经典的堵塞理论——排队理论/27

 排队理论与堵塞学的不同/30

 物体的运动都可以通过0和1来表示/32

 本章要点/34

第二章 为什么会发生车辆堵塞

 电子不停车收费系统的利弊/36

 原因不明的堵塞/38

 罪魁祸首竟是小斜坡？/39

 基本图是研究堵塞的王牌/42

 车辆间距小于40米就会发生堵塞/44

 堵塞之前发生了什么？/47

 电影《生死时速》中的亚稳态/50

 自然堵塞的其他原因/51

 堵车时车辆仍然能以60千米的时速前进/54

 在超车道上反而行驶得慢？/57

 慢慢行驶就会一路绿灯160

 能否不设置红绿灯？/65

 本章要点168

 堵塞学小讲堂Ⅰ：车辆的元胞自动机模型/69

第三章 人的堵塞

 明石过街天桥踩踏事故/76

 在高密度下。人的行动像游戏弹珠/79

 人群的活动有规律可循/81

 关东大地震和大邱市地铁火灾的教训/83

 向何处逃生？/85

 因为竞争而不能逃生/87

 建筑物的避难设计是怎么一回事/90

 不可忽视的双向避难通道/92

 避难行动中的两大作用力①/94

 避难行动中的两大作用力②195

 为避难行动建个数学模型/97

 乘飞机时的避难策略198

 有障碍物反而更顺畅？/00

 车站里应该这么走/102

 升温反而结冰？/05

 狭窄过道中的人流方向/105

 巧妙利用堵塞地点做广告/07

 消除狭窄过道的堵塞的好方法/07

 本章要点/09

 堵塞学小讲堂Ⅱ：集群行动的模型化——地板场模型/10

第四章 蚂蚁世界的堵塞

 蚂蚁总能“自觉”排队的秘密/16

 蚂蚁世界中最重要的三种信息素/18

 蚁群与车队的不同之处/21

 蚁群拥堵后，行进速度反而更快/25

 人造“拥堵”，提高马拉松比赛成绩/29

 从蚁群看公共汽车堵塞之谜/30

 本章要点/134

 堵塞学小讲堂Ⅲ：关于蚂蚁的元胞自动机模型/35

第五章 世界上到处都存在堵塞

 互联网上的堵塞/38

 面对堵塞，计算机的努力/43

 数据包与车辆的不同之处/145

 怎样避免数据包堵塞现象？/148

 粉粒体堵塞与车辆堵塞/53

 巴西果效应/155

 冰壶和台球/58

 难以守时的电车/62

 “为调整时间而停车”的意义/165

 没人按也运行的电梯/66

 飞机也堵塞/67

 生产线上的堵塞与变革/170

 受欢迎的堵塞①——森林火灾和传染病/172

 受欢迎的堵塞②——货币流通/176

 人体内的堵塞/78

 核糖体：驶向蛋白质合成的“车”/179

 ASEP是由此诞生的/81

 神经活动运输机——分子马达/82

 彗星与堵塞/85

 本章要点/90

第六章 堵塞学的未来

 从交通线到交通网/92

 网络的拓扑学/93

 集线器与交通枢纽/195

 走哪条路比较好？/98

 6个人就能连接全世界/201

 博弈论的重要性/205

 与美女搭讪，对吗？/206

 微积分改变了世界/210

 计算机也会计算错误/211

 怎样理解复杂事物比较好？/215

 数学的重要性/219

 本章要点/224

后记/225

参考文献/231

眼看答题时间就要到了，我被困在一垒一侧的人口附近，想动也动不了，我的正前方还有想去三垒的人。由于周围都是人贴人，加上四周不断传来的尖叫声，根本听不到管理人员在喊什么。在巨大的压力之下，我觉得自己像是来到了大海中间的落难者，意识不太清醒了不说，还得承受着从前后左右各个方向不断拍过来的一波又一波的“人浪”，说不定什么时候就会被淹没。触目所及的人群也和我的情形差不多，我看到很多地方都有几个人挤成一团，差点儿就要倒下了，还好最后还是坚持住了，回到了原本的状态。当时会场情况完全失控，在场的人都感到自己的生命正受到威胁。现在一提到集群雪崩，我的这段记忆就会复苏，让我感到毛骨悚然。

其实，除了比赛、庆典等大型活动外，日常生活中也潜藏着很多类似的危险，比如上班高峰时挤满了人的地铁就是非常典型的一例。

在高密度下，人的行动像游戏弹珠

别看高密度群体的内部构成十分复杂，模拟起来却很容易，因为这时原本属于自我驱动粒子的人所能做的只有保证自己有立足之地，免受他人挤压，除此以外，连转身这样的动作都做不了，根本无法“自我驱动”。而且，这时人所受到的力由相互之间的推挤产生，是实实在在、可以计算的作用力与反作用力。这样一来，身不由己的人群就成为了牛顿粒子的集合，彼此的运动情形可以用传统物理学中研究力学的方法进行一定程度的解析。

图1对明石事故的模拟是由大阪大学的过裕教授提出的，他的方法不是我们后面要讲的地板场模型，而是计算粉粒体的“个别要素法”。在后面的章节中我还会详细地讲到粉粒体，这里先简单地提一下。从字面上就可以看出，粉粒体指的是像粉状药剂、游戏弹珠那样的颗粒的集合。因此粉粒体不是自我驱动粒子，而是牛顿粒子。在明石过街天桥事故那样的密集状态中，人接近于牛顿粒子，所以将人作为粉粒体来考虑是很好的方法。的确，当人群密集时，有的人会被挤到别人的上面，这个现象很像游戏弹珠，从四周挤压一群弹珠的话，就会有弹珠被挤到其他弹珠上面。

虽然粉粒体也是一群复杂而有趣的小东西，不过，在这一章中，还是让我们先聚焦于自我驱动粒子——尚没有那么密集的人群。此时，人们本能地察觉到危险的来临，并陷入恐慌状态之中，其行动由下意识的模仿行动和竞争原理所支配。这正是自我驱动粒子特有的状态——个体之间的作用力并非接触力，而是群体心理的力。P79-80

我讨厌堵塞。不管是开车还是走路，只要一开始拥挤，我就觉得烦躁不安。然而，人往往越讨厌某种事物，就越不能冷静地看待它。因此，我一直试着在自己讨厌的东西中找出它的优点。如此一来，在不断的思考中我渐渐发现，虽然都统称为堵塞，其中却包含各种各样的情况。比如说，不仅是车辆，人群、互联网以及我们的身体内部都会发生堵塞。另外，有时候人们很喜欢堵塞。比如，对餐饮店来说，排队的人越多，就说明生意越红火，适度的堵塞是餐饮店求之不得的事。

这本是10年前的一天我闲来无事时琢磨的问题，后来我开始有意识地进行调查、研究，不知不觉中，思考与堵塞有关的问题竟然变成了一种乐趣。这不足为奇，莫名其妙地喜欢上以前讨厌的事物也是常有的事情。不过，遭遇堵塞多少还是有些令人不快，只是我开始感受到一种奇妙的“连带感”——被卷入同一灾难的人们产生的一种休戚与共的感觉。

同时，在心情变得急躁之前，我会冷静地考虑为什么会产生堵塞。堵塞肯定是有原因的，只有弄清楚原因，才有可能找到解决堵塞的途径。这很像做侦探，在事故现场搜寻微小的线索，并据此对案情做出推理，从而破案。多年来，我见过各种各样的堵塞场面，并研究它们的共同点，后来我发现，只要有某种势头，那里就必然会发生堵塞。

就这样，我将10年间的“探寻堵塞原因之旅的日记”归纳起来，就形成了这本书，虽说书中的内容都是我个人所关心的问题，但是能得到现在的成果，却绝非我一人之力。这些年中，我还和不同领域的专业人士进行交流，有时候和建筑学家，有时候和生物学家甚至信息技术工程师交换意见。本来我以为，各个领域中的堵塞问题没有可比性，结果却发现，不同的领域考虑的问题却惊人地相似。于是我决定，将它们的相似点和不同点作为关注的对象，总结成一本关于堵塞的书。

研究堵塞的目的无疑是为了消除堵塞。迄今为止，人们在各个领域为消除堵塞做出了种种努力，但遗憾的是，堵塞并没有被消灭。本书希望从“跨学科”的视角入手，研究有关堵塞的问题。当人们为车辆堵塞而苦恼的时候，不妨看看蚂蚁是怎么解决这一问题的，这也是一种方法。

本书类似于一系列短篇的集锦，粗略地阅读第一章后，后面的章节可以随意选读。有的章节末尾附有“堵塞学小讲堂”，为希望加深认识的读者提供了更为详细的解说，其他读者也可以跳过这部分。总而言之，这本书展现了新诞生的“堵塞学”对各种堵塞的解读，如果读者能从中体会到阅读的乐趣，便是我莫大的幸福。

因为经常会有人问起，所以在此我首先要写的就是我为什么研究堵塞学。我从1996年开始研究堵塞，到今年已经是第十年了。其实当时我是对数学感兴趣，连做梦也没有想到会研究堵塞，但巧合的是堵塞学在我所研究的非线性数学范畴之内，在元胞自动机模型方面又取得了很大进展，我被这一研究成果吸引，并在研究元胞自动机的过程中，发现这一成果能够应用于很多事物，特别是书中提到的0和l的运动，和我所讨厌的“堵塞”现象的形成十分相近。于是在思考如何解决堵塞问题时，我就想到，如果能将数学的最新研究成果直接应用于解决社会问题岂不是一举两得。一般来说，将数学界的研究成果应用于社会，需要花费300年的时间，但如果短时间内能做到的话，或许结果就不会这么理想了。这就是我开始研究堵塞的“坦率”理由。

堵塞是一个很大的社会问题。交通工程学从很久以前就开始研究交通堵塞现象了；人类避难安全的研究历史也很久远，在建筑工程学中占据了一个重要领域；在社会心理学上，也有很多人类行为的分析研究。互联网的堵塞是近年来信息工程学最热的一个话题，实验观察蚁群运动的历史也很长，而和人类健康直接相关的医学生物学上，也有很多关于堵塞的详细病例和基础研究。

但到目前为止，基本上还没有实现各个领域研究者之间的交流和合作。其实，很多领域之间都有共通的问题，而彼此之间却没有交换信息，只是进行独立的研究，这实在很可惜。所幸的是，我原本在这些领域就有朋友，一起出去喝酒闲聊、共同研究起来都非常便利。堵塞学也是像这样不断拓展，才有了今天的发展。

2002年在印度进行的为期一年的共同研究，对我来说是一个重大转机。来自印度、瑞士的研究人员聚集在一起，和全世界对自我驱动粒子感兴趣的朋友们共同制作了能够互相交换信息的网络。现在也是如此，我和朋友们共同开展了很多研究。此外，文化差异带来的新想法也是一个很大的刺激因素。

本书总结了到目前为止我所有的研究成果，同时它也是堵塞学的一个新起点。现在，基础研究的大框架已基本完成，今后，堵塞学就要真正开始为社会做贡献了。为了提出更精密的理论，根据已经得到的实验数据，新型堵塞预测软件的开发也会随之进行。我们正在努力制定一个能将基础研究直接应用于社会的新项目。

由于本书不是专业著作，执笔时我也尽量注意文章的措词用语，所以从一定意义上来说，写作本书要比平常写研究论文还难。写作的时候，我的脑海里总是浮现出读者的脸。但由于有时也会考虑到专家读者，所以就会不由自主地注意到一些细节，也就无法写得浅显易懂了。因此，书中有些地方需要加注各种例外事项以及附言，也就是很多非专业人士看了都会问“为什么要写这个”的地方。一般说来，为了不惹怒同僚，专家们写的文章都很细致，当然也很难懂，这对于科学论文来说当然十分重要，但本书却尽量排除了这种风格。或许我写出来的文字会有很多让同僚们指摘评判的部分，但这都是以让读者容易理解为前提的。虽然不知道有没有达到这一目标，但通过写这本书，我第一次知道了这需要多大的勇气。

在最后一章里，我自由畅谈了很多有关堵塞学的想法，其中我最想说的就是，我们非常需要跨领域人才。自从研究堵塞学以来，我也深切感受到了这种人才的必要性。当然，各领域的专家培养很重要，但将不同领域的专家连结起来的人才也同样重要。

我是一个无名的学者，虽然懂得很多非线性现象的细节。智力竞猜大王和专家的差别就是：专家是通晓某一领域的原理、原则，包括例外情况的人；而智力竞猜大王则是除了一部分专业知识以外，普遍知识广泛的人。所谓通晓例外情况，就是知道知识的适用界限，这对于将知识应用于现实生活来说十分重要。在此意义上，事物进展顺利时基本是不需要专家的；但如果进展不顺利，能解决问题的专家就十分重要了。

仅是这些远远不够，今后的高科技社会还需要新型专家。当然，要变成通晓各个领域知识的万能专家是不可能的，所以我能够成为一个领域里的专家就足够了，不过除了自己的专业范畴以外，还需要在工程学和自然科学等众多领域上比智力竞猜大王懂得深刻。此外，拥有众多专家朋友，能够理解彼此领域的知识、领会彼此领域精神的人才，才是能够承担未来社会重担的人。而不同领域知识的有机结合，也只会发生在这些知识同时混杂进入一个人的大脑中的时候。

在一个专业领域里，也有对其他领域不友好的群体。从长期来看，这样对彼此都不利。我们是科学家，如果能在尊重事实的基础上协力合作、跨越自然科学和工程学的边界成为一体，岂不是一件美事。这样的话，就一定能解决堵塞问题。

最后，虽然有些冗长，但我想像电影落幕一样向迄今为止给予过我帮助的各位致谢。首先是长期以来进行合作研究的伙伴们——德国休纳德教授的团队、印度工科大学的乔德瑞教授的团队。要感谢的人实在太多，在此无法一一列出名字。但由于大家都不会来看这本日文写的书，所以算是侥幸过关。此外，我想介绍在日本和我共同进行研究的成员们。首先是名古屋大学的杉山雄规教授——指明车流不稳定性的著名优化速度模型的提倡人；和我共同研究过此模型的琉球大学中山章宏教授，近年来他专注于研究动物群体；还有佐贺大学的只木进一教授，他在交通流、互联网数据的分析模拟研究上取得了很大成就；此外，大阪大学的菊池诚教授和汤川谕教授也做了数据分析和理论解析等工作；其他还有，积极研究元胞自动机的中日本自动车短期大学的福井稔教授，进行各种现象模型化研究的静冈大学长谷隆教授等等。除此以外还有很多其他相关人士，恕我无法一一列举。以上述团队为中心，讨论当今交通流问题的研究会，每年都会在名古屋或大阪举行。并且通过和早稻田大学的高桥大辅教授、龙谷大学的松木平淳太教授、东京大学的时弘哲治教授和金井政宏博士的共同研究，从数学这一侧面巩固了堵塞学的数理分析基础。

此外，在我研究室工作的学生们也为我的堵塞学研究做出了很大贡献。由于我的兴趣越来越多，什么都想研究，所以从很久以前起我就自称我的研究室为“西成总研”。另外，本书还吸取了至今为止在编的山形大学工学部机械系统工学科、龙谷大学理工学部数理信息学科以及东京大学工学部航空宇宙工学科很多学生的毕业研究成果，可以说他们都是“西成总研”的一份子。如果没有他们，就不会有这本涉及众多领域的堵塞学。  有关数据的提供，我想感谢原日本道路公团。由于日本道路公团在2005年10月解体并民营化，所以本书将其统称为原日本道路公团。我现在和我的智囊团成员柿沼良辅社长、三木弘史博士进行着有关数据收集、软件开发的共同研究，报纸也刊登了这一消息。《朝日新闻》的记者胜田敏彦和《东京新闻》的记者大岛弘义为此写了简单易懂的特辑，《晚刊富士》的记者伊藤猛也就汽车制动距离和临界密度的关系做出了指摘。

新潮社的今泉正俊也就这本书的策划、体系，包括详细内容，给予了我很多建议。不管怎么说，他能够注意到堵塞学，并按照我所期望的形式出版这本书，我深表感谢。

最后，仅以此书献给支持我的妻子和父母。

西成活裕

2006年5月

东京都内家中