SENSE隨筆130528

壅塞學 —–「相變」及「亞穩態」

阿輝*** 執筆

何謂壅塞學?

「壅塞學」是一門跨領域的學問，兼顧工學及理學，企圖了解 人、車、螞蟻、網路、細胞及貨幣 路路暢通或堵塞阻滯的道理。***

主導研究的學者是日本東京大學 西城活裕教授，他是太空工程博士，主力研究非線性動力學及壅塞學。

物理學的 “相變” 及 “亞穩態”

將一樽水放進冰櫃，溫度在零度以下一段時間，這樽水就會結冰，相信這個現象不用解釋。

但是有時候溫度即使在零度以下，為什麼水仍不結冰呢?  原因是那樽水很清純，而且樽的表面很光滑，沒有機會讓水去凝結成小結晶，沒有 “種子” 讓整樽水結冰。 那足夠冰凍而沒有結冰的水，科學家們稱之為 “過冷水” 。這種水處於十分不穩定的狀態，只要有少少結晶出現，例如有少許雜質加入，整樽水極短時間內就會結成冰。

物理學中， “水” 變 “冰” 的過程叫 “相變”，*** 水由 “液態相” 變成 “固態相”。***  另外，那個不穩定的 “過冷水” 狀態則叫 “亞穩態”。***

壅塞學的 “相變” 及 “亞穩態”

“相變”及 “亞穩態” 的概念不局限於物理學，亦可以應用到「壅塞學」中去。

道路堵塞問題，工程師也嘗試用這些概念去理解。

要堵塞，先決條件就是要有足夠多的車。 但何謂多車呢? 這跟司機的技術、心理狀況、車的類型及路面情況有關。 每條路都會有不一樣的車流量，也有不一樣的塞車法。*** 道路塞車沒有像水結冰那樣clear cut。

堵塞發生，就是道路由 “暢通相” 變成 “堵塞相”。***

這簡單道理相信很容易明白，問題是當中有沒有 “亞穩態”呢? 亦即是有很多車通過，而又沒有堵塞的情況呢?

答案是有的。

西城教授就曾經做了一個實驗，試圖找出道路堵塞之前，有沒有 “亞穩態”存在。

實驗方法是在一條圓形的行車道上，預先安排了一定數量的車，平均地分佈在整條行車道上，之後同時開車。

在低速的情況下，車輛當然可以保持暢通行駛。 理論上如果每一架車都以相同的步調增加速度，速度可以達到非常之高的水準而道路仍然可以保持暢通。***

但實際上，在不斷加速下，司機們對維持 “同步高速行駛” 會感到相當困難。 因為高速對人構成心理壓力，維持一段短時間不會有問題，但長時間就不容易了。

在這特別設計的圓形行車道上，車輛以同步高速行駛，就像 “過冷水”一般非常不穩定。 萬一有什麼意外，如其中某位司機掛住睇女仔之類，只要一輛車慢下來，其他車就會受影響，這就會進入 “ 堵塞相”了!

而進入了“堵塞相”之後，要全體司機們自行協調以恢復之前的平均高速，機會就很渺茫了!**** 那從外面看來，道路塞車就好像進入了穩定狀態一樣。

以上壅塞學的智識，概念上跟物理學有異曲同工之妙。 這可算物理學在壅塞學中具有深度的演繹!

真的可解決道路堵塞問題嗎?

雖然離解決問題還有很遠的路，但假如這個 “定性的基礎理論” 是成立的，工程師及科學家就可以著手建立方程式及電腦模型，以 “定量的分析方法” 去加深理解整個問題，從而找出解決道路堵塞的策略。