這種情況想必大家都經(jīng)歷過：上下班高峰，節(jié)假日出游，小到亂成一團(tuán)的十字路口，大到停車場一樣的高速公路，堵車已經(jīng)是現(xiàn)代社會的標(biāo)配。
但如果這種情況被螞蟻看在眼里，肯定是一臉問號。
堵車？什么玩意？從來沒聽說過。
作為世界上，為數(shù)不多跟人類一樣有 “ 雙向車道 ” 的生物，螞蟻卻從來不會堵車，就算是幾千上萬只的集體出動(dòng)，也最多是行動(dòng)遲緩，絕不會堵住道路。
那它們到底是怎么做到的呢？人類是不是也可以學(xué)習(xí)螞蟻的方式來解決城市擁堵？大家好，今天跟大家聊聊，為什么我們這么堵，而螞蟻為什么從來不堵車？
為什么我們會堵車？
你有沒有覺得堵車變得越來越頻繁了？在中規(guī)院發(fā)布的 2024 年度報(bào)告中，全國 36 個(gè)主要城市工作日高峰平均運(yùn)行速度為 20.3km/h，比 2022 年下降了 2.4km/h，總體處于中度擁堵狀態(tài)。
其中，92% 的城市（ 33個(gè) ）速度處于 18~25km/h 之間，處于中度擁堵狀態(tài)。2022 年輕度擁堵的城市本年度均滑落至中度擁堵。
蘭州、北京、廣州平均速度都低于 18km/h，屬于嚴(yán)重?fù)矶聭B(tài)勢。堵車面前，人人崩潰。那我們到底為什么會堵車呢？
車多路少
一個(gè)客觀原因是，每個(gè)城市的機(jī)動(dòng)車保有量都越來越大。
拿杭州來說，2020 年的機(jī)動(dòng)車數(shù)量是 311.9萬，2025 年就增長到了 479 萬輛，平均每年多出 33.42 萬輛機(jī)動(dòng)車。
保守估計(jì)在 2030 年，這個(gè)數(shù)字會達(dá)到 720 萬，是 2020 年的兩倍還多。但相對應(yīng)的路網(wǎng)承載能力并不會增長的這么快。一般來說，道路總長越多，車道容量就越大。
我們就拿路網(wǎng)密度來說，2023 年杭州市路網(wǎng)密度為 7.8 公里/平方千米，全國排名第六，比前一年增長了 2.63%，而全國 36 個(gè)主要城市年增長率的平均值是 1.9%。
相比于機(jī)動(dòng)車保有量動(dòng)不動(dòng)就是十個(gè)點(diǎn)的增長，路網(wǎng)密度是永遠(yuǎn)趕不上機(jī)動(dòng)車增速的。所以堵車的第一原因就是車多路少。
城市規(guī)劃
但是修建更多更寬的道路就一定能解決堵車問題嗎？并不一定。北京是典型的低路網(wǎng)密度和毛細(xì)血管不足的城市，它以 6.0 公里/平方千米的路網(wǎng)密度在全國 36 個(gè)主要城市中排名第 23 位。
同時(shí)又是世界上平均路寬最寬的城市，達(dá)到驚人的 14.64 米，它的主干道承擔(dān)了 60% 以上的交通量。
相比之下東京的平均路寬是 6 米，其中車道寬度在 13 米以上的 4 車道道路僅占道路總長度的 1.51%，但擁堵程度卻遠(yuǎn)低于北京。
這就是誘導(dǎo)需求和詭異的布雷斯悖論，路越多越寬，反而越堵。有時(shí)候交通擁堵并不是由道路供給不足引起的，而是過度需求的產(chǎn)物。
道路寬了，人們出行的需求會增加，而且大家都會選擇最寬最好走的那條路。同時(shí)，更寬的路會讓很多司機(jī)下意識的加速，頻繁變道超車，整體的流暢度就會下降。
所以你能看到，北京四環(huán)在四次拓寬后，高峰期仍然會堵車。
行車不規(guī)范
然而堵車最核心的原因，是人。有時(shí)候堵成停車場的一段路，開到源頭你會發(fā)現(xiàn)，什么都沒有。
沒有事故，沒有施工，就是這么自然而然的堵上了。這就是 “ 幽靈堵車 ”。
當(dāng)前方的車輛出現(xiàn)剎車或減速時(shí)，后方的車輛也會隨之減速或剎車，于是車輛間的距離就會過短，導(dǎo)致更頻繁剎車，這種趨勢不斷地向后蔓延，就會產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，直到堵成停車場。
司機(jī)的急剎車、隨意變道，該快不快都會導(dǎo)致幽靈堵車，在每小時(shí) 40 公里的勻速狀態(tài)下，一腳急剎就能影響 10 到 20 輛車，通行時(shí)間增加 20%-30%。
憑借著人類的反射弧和 “ 我先走 ” 的執(zhí)念，硬生生制造出一條看不見的墻。人的差異性與非理性行為，才是堵車的終極根源。
為什么螞蟻不會堵車？
反觀螞蟻，卻從來不會這樣。
2019 年，亞利桑那州立大學(xué)與動(dòng)物認(rèn)知研究中心等機(jī)構(gòu)的研究人員做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。他們把阿根廷蟻分成不同數(shù)量的蟻群，從 400 只到 25600 只不等，想看看會不會螞蟻多到一定數(shù)量，也會交通癱瘓。
研究人員在蟻群和食物之間搭建了一座橋，并且設(shè)計(jì)三種 5，10，20 毫米三種不同寬度的橋梁，然后進(jìn)行了 170 次實(shí)驗(yàn)，每秒記錄流量和密度。
隨著越來越多的螞蟻?zhàn)呱蠘?，密度不斷增加，流量也越來越大，?dāng)密度增大到一定程度，螞蟻的平均速度會逐漸下降，但流量卻保持不變，甚至還會增加，沒有出現(xiàn)過一次擁堵的情況。
人類的車流在道路占用率達(dá)到 40% 時(shí)就會開始擁堵，而螞蟻群體占用 80% 的道路面積仍能保持暢通。它們到底是怎么做到的呢？
路再窄，不著急
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在蟻群密度還比較小，路上同伴不多的時(shí)候，螞蟻會逐漸加快速度，直到流量達(dá)到最大值。而密度一旦超過閾值，它們就開始放慢速度。螞蟻似乎能夠評估前方道路的擁擠程度，然后以犧牲速度換來更大流量。
所以不管換成多窄的橋面，螞蟻始終保持相同的流量，不會因?yàn)橄伻好芏仍黾佣鴾p少流量。
而且它們在覓食或搬家時(shí)會形成 “ 蟻道 ”，就好像有螞蟻畫了車道線一樣，會主動(dòng)形成雙向甚至三向通道，隊(duì)列一旦建立，就相對穩(wěn)定地行進(jìn)。
個(gè)體之間不會頻繁變道、互相搶位。同時(shí)，螞蟻群體行進(jìn)時(shí)速度幾乎一致，誤差 <5%，而人類車流速度差異可達(dá) 30% 以上，所以它們不存在急剎問題，微小的速度波動(dòng)也不會被放大成 “ 幽靈堵車 ”。
信息素與自組織
除此之外，螞蟻們還有一個(gè)法寶，信息素。你會發(fā)現(xiàn)螞蟻們總能找到高效的食物獲取路線。
對于某一只螞蟻來說，它的覓食路徑選擇規(guī)則極為簡單直接，就是隨大流。
螞蟻在行動(dòng)過程中通過向體外分泌信息素在經(jīng)過之處留下痕跡。后面的螞蟻再次途經(jīng)該路徑時(shí)，將優(yōu)先選擇信息素濃的方向前進(jìn)。信息素濃的路徑代表著有更多的螞蟻曾經(jīng)途經(jīng)，也就是比較好的線路。
如果某條蟻道上螞蟻過多，信息素往往會因螞蟻踩踏而加速蒸發(fā)，而另一些螞蟻發(fā)現(xiàn)了新的、相對暢通的路徑，則會建立另一股信息素標(biāo)記，起到分流作用。通過信息素的動(dòng)態(tài)平衡，螞蟻會自動(dòng)避免出現(xiàn) “ 過度擁堵 ”。
“ 氣味導(dǎo)航 ” 相當(dāng)于人類交通中 “ 道路 + 指示牌 + 導(dǎo)航 APP ” 的作用，讓整個(gè)蟻群高效地集中在最優(yōu)路線上。
這種基于種群尋優(yōu)的啟發(fā)式搜索算法，也被稱作蟻群算法 ( Ant Colony System，ACS )，在 1990 年被意大利科學(xué)家
馬可·多里戈等人首次提出。
北京交通大學(xué)曾做過基于蟻群模型的交通流仿真實(shí)驗(yàn)。他們在北京市中心的一些主干道上，利用傳感器數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控，模擬蟻群算法實(shí)現(xiàn)交通信號優(yōu)化和動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在部分高峰時(shí)段，利用基于蟻群算法的自適應(yīng)信號控制策略，使某些繁忙路口的通行效率提升了 15%~25%，緩解了部分的交通擁堵。
而蟻群算法也被用到除交通以外的很多領(lǐng)域，比如物流路徑規(guī)劃。2000 年左右，美國西南航空公司在貨運(yùn)方面遇到了麻煩。
盡管貨艙平均面積只占飛機(jī)的 7％，但在一些機(jī)場，沒有足夠的能力來滿足預(yù)定的貨運(yùn)量，導(dǎo)致整個(gè)西南航線的貨物運(yùn)輸和管理系統(tǒng)出現(xiàn)混亂。
為了解決這個(gè)問題，西南航空公司借鑒了螞蟻的工作模式。
當(dāng)?shù)蟮南伻核惴ū粦?yīng)用于西南航空的問題時(shí)，貨運(yùn)站的轉(zhuǎn)運(yùn)率降低了 80％，貨物搬運(yùn)人員的工作量減少了 20％。
共同的目的
然而蟻群不堵車的絕對核心，是它們毫不自私。螞蟻們信奉 “ 群體利益高于一切 ” 的準(zhǔn)則，沒有 “ 我要先過去 ” 的情緒，也沒有超車動(dòng)機(jī)，它們只確保群體整體效率最大，個(gè)體對自己通行速度的得失一點(diǎn)也不在乎。
它們的通行基于合作帶來的群體生存，而非競爭。
但人類在交通上永遠(yuǎn)是競爭的姿態(tài)，尤其是在擁堵的路上，每個(gè)人都以自己的利益為先。變道，加塞，超車，搶行……誰都想著 “ 我先過 ”，結(jié)果就是每個(gè)人都被嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)地堵在路上。
如何用 “ 螞蟻算法 ” 解決堵車問題？
所以這一點(diǎn)是人類永遠(yuǎn)也學(xué)不來的。要是能解決人類的自私問題，別說堵車，世界和平也給實(shí)現(xiàn)了。但我們?nèi)匀荒軓奈浵伾砩蠈W(xué)到一些經(jīng)驗(yàn)，解決部分交通擁堵的問題。
信息素啟發(fā)的最佳路線
比如通過模擬螞蟻釋放信息素的機(jī)制，實(shí)時(shí)更新道路擁堵數(shù)據(jù)，為車輛提供動(dòng)態(tài)最優(yōu)路徑。
如果是自動(dòng)駕駛，就能讓車和車之間實(shí)時(shí)交換 “ 賽博信息素 ”，遇到擁堵點(diǎn)，系統(tǒng)能自動(dòng)將車輛分流到暢通道路。
同時(shí)還可以將蟻群算法加入到城市道路的紅綠燈配時(shí)上，現(xiàn)在大部分城市的交通信號燈還是固定時(shí)長，如果通過信息素實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的信號燈時(shí)長，會緩解更多交通壓力。
新加坡交通局在 2019 年將蟻群算法加入到交通信號控制系統(tǒng)后，交通擁堵就減少了 20%。
城市交通設(shè)計(jì)
除了算法層面的啟發(fā)外，螞蟻群體通行的一些策略對改進(jìn)城市的道路物理設(shè)計(jì)也有幫助。
螞蟻在流量增大時(shí)會開啟多條平行路徑來分散交通，還會根據(jù)任務(wù)和方向自發(fā)形成不同 “ 車道 ”，負(fù)重返巢的螞蟻往往走中間直線，而外出覓食的螞蟻靠邊行進(jìn)，從而形成分隔的雙向車流。
與之對應(yīng)的，城市規(guī)劃中也應(yīng)該注重冗余路網(wǎng)的設(shè)計(jì)，避免所有車輛過度集中于少數(shù)主干道。
在道路設(shè)計(jì)上也可以分隔不同類型的車流來減少相互干擾。比如設(shè)置公交專用道、貨車專用道或慢車道，使速度不同或性質(zhì)不同的車輛各行其道，防止混行導(dǎo)致的頻繁變道和沖突減速。
共同目標(biāo)是群體生存
另外，雖說我們不可能完全做到像螞蟻一樣完全無私，但在馬路上各自為戰(zhàn)的時(shí)候，也應(yīng)該學(xué)學(xué)螞蟻的心態(tài)：別總想著把路當(dāng)作獨(dú)木橋，而是學(xué)會按部就班、協(xié)同作戰(zhàn)。
當(dāng)我們只關(guān)注自身短期的利益和速度時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)反而會陷入無休止的 “ 擁堵 ”—— 不僅僅是道路上的車流，還是經(jīng)濟(jì)、文化乃至社會協(xié)同的各個(gè)層面。
也許真正的進(jìn)步，不在于加寬道路，而在于每個(gè)人都學(xué)會在競爭中合作，在紛繁復(fù)雜的局面中尋找共同的秩序。
點(diǎn)擊圖片跳轉(zhuǎn)視頻!
撰文：白云蒼狗
編審：蛋布利多 & 結(jié)界 & 小鑫鑫
視頻制作：Je77ery & 上進(jìn) & 小新 & 胡尼
美編：煥妍
圖片、資料來源：
堵車？螞蟻：那是因?yàn)槟銈內(nèi)祟愄运搅?果殼
Experimental investigation of ant traffic under crowded conditions -elife
避免交通阻塞的螞蟻-泛科學(xué)
Optimal traffic organization in ants under crowded conditions -nature
發(fā)現(xiàn)群體中的智能-汪鐳
熱門跟貼