科学家向高分子“交通网”学习治理交通拥堵

找到最佳路线很容易，但找到多条路线的最佳组合却很难。从互联网即时通讯和点对点网络到地铁交通、机场飞行管理、供水系统、传感器部署、军事物流运输、旅行路线规划等。，寻找全局最优路径组合的方法被广泛使用。然而，为了优化全局路线组合，计算极其复杂，并且应该考虑所有路线的可能性。目前，一般的路径算法是使每条路径独立地达到最优，但最终的全局方案往往不能达到最优。

最近，英国阿斯顿大学和中国香港科技大学的科学家合作，利用聚合物(由许多相同单体组成的聚合物复合材料)和无序系统相互作用的物理原理，在宏观水平上分析一般路线优化问题。他们导出了一个简单的全局路径算法，可用于伦敦地铁、全球航空网络和模拟互联网的随机路径图。此外，分析表明相变、比例法则、非单调增长等新现象都与物理有关。

物理工具解决分析系统问题

“虽然用物理工具解决分析系统的问题确实很困难，但是集合和路径之间的相似性很容易理解。”研究员杨志豪解释道，“聚合物分子是一条长的聚合物链，就像一根两端的绳子。假设我用一种聚合物来代表我的旅行路线:两端代表起点和终点，而中间是灵活多变的，这取决于我们选择的路线。如果每个旅行者的路线都用这种方式表示，那么在整个交通网络中将会有一个聚合物系统。交通网络应该尽可能减少拥堵。我们在两个聚集体之间增加了吸引力和排斥力。吸引意味着鼓励旅行者选择同一条路线，而排斥意味着尽可能减少他们选择同一条路线。”

假设所有的聚合物都有相同的网络结构，任何两个分子可能有重叠的路线。“当聚合物重叠时，它们之间会有吸引力或排斥力。作用的强度取决于重叠的程度，这是涉及所有聚合物的另一个非局部问题。考虑到所有这些复杂性，我们必须从所有可能的个人选择和重叠路线中找到最佳路线。”

"推导出理论后，我们得到了一个直接算法."杨补充道:“我们还用几个数据库进行了测试，结果很好。一旦系统的分析问题得到解决，其宏观特征，如平均路线长度和所需的能量，将变得清晰。”

运输网络的最优路径组合

有些人可能认为最短的路径永远是最好的选择，但事实并非如此:当每个人都选择同一条路径时，选择最短的路径通常是不好的。例如，在高峰时间，位于最短路线的公共路线上总是有更多的车辆，并且这些路线将比稍远的路线行驶得慢，从而导致延误。

他们使用伦敦地铁数据进行模拟。结果表明，当所有乘客选择最短路径出行时，如果在乘客选择的路径和接受建议路径之间增加排斥力，平均路径长度将增加6%，但预设成本可节省20%。

“如果我们鼓励在非高峰时段出行的乘客选择正常路线，并允许大多数路线保持不变，那么那些二级巴士或火车路线(不太受欢迎的路线)将被暂停，从而节省大量能源。”杨志豪说，通过模拟聚合物系统之间的吸引力，可以获得共享路径的最佳组合。

当它们逐渐将力从轻微排斥变为轻微吸引时，空闲节点的数量将急剧增加。"这就像是其他物理系统的一个相变时期."杨志豪说:“也就是说，只要在乘客选择的路线之间引入轻微的吸引力，空闲节点的数量就可以大大增加，而平均路径长度几乎不会增加。这在交通状况稀疏时节省了大量资源。”

他们还对全球航空网络进行了类似的实验，并获得了类似的结果。他们认为，在许多交通或通讯网络中，如果每个人的出行路线能够更好地协调，节能将会大大提高。“这不同于普通的路线查询程序，它只能帮助人们找到最短的路线，不涉及许多人之间的互动。”杨志豪解释道:“基于我们的算法，可以开发一个实时应用程序，来协调全球范围内同时出行的人的路线选择，并实现高峰时段或高峰季节均衡使用高速公路、地铁、火车或飞机的目标。”

互联网的最佳传播路径

研究人员还将该算法应用于互联网，使用随机曲线来模拟互联网的覆盖网络，即在计算机网络之上构建另一个网络，其中节点可以被视为实时连接在一起的虚拟或逻辑连接，相当于一条路径，并连接到底层网络的多个物理链路。当排斥力增加时，每条交流路径都会避开其他路径，最后，几乎每个人都有自己的路径，与其他人的路径不一致。如果增加重力，通信将集中在网络的一个小公共区域，多个人共享路径，留下大量节点和空闲连接。如果空节点被认为是路由器，关闭它们可以节省很多能量。

“我们只是用一个简单的随机网络来演示如何通过增加吸引力和排斥力来找到最佳通信路径。”杨志豪说，“我们拥有的是一个能够实现多个目标的统一算法。我们只需要改变一个控制聚合物之间吸引力和排斥力的参数。它也可以用于其他领域。我们欢迎网络专家提出其他特殊的路由问题来测试该算法是否能够解决它们。”

杨志豪还指出，这种通用路径算法适用于任何与路径选择和个体路径协调相关的问题。他希望这项研究有助于解决交通和通信网络问题，有助于提高现有交通和通信设施的运行效率，减少重复建设。(原标题:向聚合物“交通网络”学习如何处理堵塞)

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