假如一枚原子彈落在華盛頓 科學家模拟爆炸

美(měi)國國家計劃情景1模拟核攻擊。圖片來(lái)源：DANE WEBSTER
 

　　5月(yuè)的(de)一個(gè)星期一上午11:15，一輛看似普通(tōng)的(de)貨車駛進了(le)美(měi)國華盛頓市中心的(de)第16街(jiē)和(hé)K街(jiē)交彙處，就在白宮北(běi)邊的(de)幾個(gè)街(jiē)區(qū)。在裏面，自殺式炸彈襲擊者打開了(le)一個(gè)開關。

　　當核彈爆炸後，整個(gè)城(chéng)市街(jiē)區(qū)瞬間化(huà)爲烏有，方圓一英裏内的(de)建築物(wù)全被摧毀，數十萬人(rén)在廢墟中死亡或垂死掙紮。一種電磁脈沖使5公裏内的(de)手機發生爆炸，整個(gè)城(chéng)市的(de)電網變暗。風把炸彈産生的(de)蘑菇雲變成了(le)放射性塵埃，并向東蔓延到馬裏蘭州的(de)郊區(qū)。

　　路上很快(kuài)就擠滿了(le)人(rén)，有些人(rén)試圖逃離，但更多(duō)的(de)人(rén)在尋找失蹤的(de)家庭成員(yuán)或尋求醫療幫助。

　　災難模拟

　　當然，這(zhè)一切都是虛構的(de)，但卻有著(zhe)嚴肅的(de)目的(de)。這(zhè)個(gè)被稱爲國家計劃情景1（NPS1）的(de)核攻擊故事線起源于20世紀50年代，是爲美(měi)國國家安全官員(yuán)和(hé)應急管理(lǐ)人(rén)員(yuán)在面對(duì)真實事件之前測試他(tā)們的(de)反應計劃。

　　60年後的(de)今天，官員(yuán)仍在反思發生核災難的(de)後果。直到現在，他(tā)們還(hái)沒有固定的(de)故事線和(hé)預測，而是僅僅用(yòng)計算(suàn)機來(lái)“假設”一個(gè)完整的(de)人(rén)工社會—— 一種基于主體的(de)高(gāo)級計算(suàn)機模拟。

　　今天的(de)NPS1模型包括了(le)對(duì)受炸彈影(yǐng)響地區(qū)的(de)每棟建築的(de)數字模拟，以及道路、電線、醫院，甚至是發射塔。該模型包括天氣數據，以模拟放射性塵埃流。這(zhè)個(gè)場(chǎng)景是由大(dà)約73萬名個(gè)體組成——從統計上看，在年齡、性别和(hé)職業等因素上，與受影(yǐng)響地區(qū)的(de)真實人(rén)口完全相同。每個(gè)個(gè)體都是一個(gè)獨立的(de)子程序，能通(tōng)過切換多(duō)種行爲模式，以合理(lǐ)的(de)人(rén)類方式響應其他(tā)個(gè)體和(hé)不斷演變的(de)災難。

　　這(zhè)種模式的(de)目的(de)是避免用(yòng)固定的(de)方程式描述人(rén)類事務。事實上，諸如金融崩潰或疾病傳播等事件的(de)影(yǐng)響從底層開始，通(tōng)過許多(duō)人(rén)的(de)相互作用(yòng)，産生了(le)現實世界的(de)豐富和(hé)自發的(de)事件，而這(zhè)很難模拟。

　　而這(zhè)種細節正是應急管理(lǐ)人(rén)員(yuán)所需要的(de)，弗吉尼亞理(lǐ)工學院生物(wù)複雜(zá)性研究所所長(cháng)、計算(suàn)機科學家Christopher Barrett說。該研究所爲政府開發了(le)NPS1模型。例如，NPS1模型可(kě)以提醒管理(lǐ)者，一個(gè)電源故障點X可(kě)能導緻意外交通(tōng)阻塞點Y，如果他(tā)們決定在淩晨部署移動發射塔恢複通(tōng)信，NPS1可(kě)以告訴他(tā)們有多(duō)少平民湧向道路。“基于主體的(de)模型是如何将所有這(zhè)些部分(fēn)整理(lǐ)出來(lái)，并觀察它們之間的(de)相互作用(yòng)。”Barrett說。

　　缺點是，像NPS1這(zhè)樣的(de)模型往往十分(fēn)巨大(dà)，迫使參與個(gè)體相對(duì)簡單。“個(gè)體的(de)複雜(zá)性和(hé)模拟的(de)規模之間存在著(zhe)根本性的(de)權衡。”國防高(gāo)級研究項目局項目經理(lǐ)Jonathan Pfautz說。

　　基于主體的(de)模型

　　但是随著(zhe)計算(suàn)機越來(lái)越強大(dà)，在經濟、交通(tōng)、公共衛生和(hé)城(chéng)市規劃等諸多(duō)領域，越來(lái)越多(duō)的(de)決策者正在認真對(duì)待基于主體的(de)模型。“它們是最靈活、最詳細的(de)模型。”佛羅裏達大(dà)學流行病專家Ira Longini說，“這(zhè)使得(de)其在理(lǐ)解和(hé)指導政策方面是最有效的(de)。”

　　基于主體的(de)建模至少可(kě)以追溯到20世紀40年代，當時(shí)像圖靈這(zhè)樣的(de)計算(suàn)機先驅們嘗試了(le)本地交互軟件，模拟物(wù)理(lǐ)學和(hé)生物(wù)學的(de)複雜(zá)行爲。但目前的(de)發展浪潮是上世紀90年代中期才開始發展起來(lái)的(de)。

　　一個(gè)早期成功案例是由弗吉尼亞州喬治梅森大(dà)學經濟學家Robert Axtell和(hé)紐約大(dà)學Joshua Epstein共同開發的(de)“糖域”。因爲他(tā)們的(de)目标是在普通(tōng)台式電腦(nǎo)上模拟社會現象，于是将基于主體的(de)模型簡化(huà)：一組簡單的(de)主體，在網格中移動以尋找“糖”—— 一種類似于食物(wù)的(de)資源，在某些地方很豐富，而在其他(tā)地方則很少見。盡管很簡單，這(zhè)個(gè)模型卻産生了(le)令人(rén)驚訝的(de)複雜(zá)群體行爲，如遷徙、戰鬥和(hé)鄰裏隔離等。

　　另一個(gè)裏程碑是20世紀90年代的(de)交通(tōng)分(fēn)析和(hé)模拟系統，這(zhè)是一個(gè)由Barrett等人(rén)在洛斯阿拉莫斯國家實驗室開發的(de)基于主體的(de)交通(tōng)模型。與傳統交通(tōng)模型不同的(de)是，它使用(yòng)方程式描述移動車輛作爲一種流體，并将每輛車和(hé)司機都建模爲一個(gè)通(tōng)過城(chéng)市道路網絡的(de)主體。這(zhè)個(gè)模拟實驗包括了(le)汽車、卡車和(hé)公共汽車，并由具有現實的(de)年齡、能力和(hé)目的(de)地的(de)人(rén)駕駛。當應用(yòng)到實際城(chéng)市的(de)道路網絡時(shí)，該系統在預測交通(tōng)擁堵和(hé)地方污染水(shuǐ)平方面比傳統模式要好。

　　流行病學家也(yě)在經曆類似轉變。在過去1個(gè)世紀裏，他(tā)們用(yòng)一組相對(duì)簡單的(de)方程式評估疾病暴發，這(zhè)些方程式将人(rén)分(fēn)爲幾個(gè)類别——如易感、傳染性和(hé)免疫——并且假定完美(měi)混合，這(zhè)意味著(zhe)受影(yǐng)響地區(qū)的(de)每個(gè)人(rén)都與其他(tā)所有人(rén)保持聯系。這(zhè)些基于方程式的(de)模型仍然廣泛使用(yòng)。

　　但是，流行病學家越來(lái)越多(duō)地求助于基于主體的(de)模型，包括那些方程式忽略的(de)因素，如地理(lǐ)、交通(tōng)網絡、家庭結構和(hé)行爲變化(huà)——所有這(zhè)些因素都能強烈地影(yǐng)響疾病傳播的(de)方式。

　　例如，在2014年西非埃博拉疫情期間，弗吉尼亞理(lǐ)工大(dà)學使用(yòng)了(le)這(zhè)種模型，幫助美(měi)國軍方确定戰地醫院的(de)地點。規劃者需要知道當移動設備最終到達時(shí)，最高(gāo)的(de)感染率會是多(duō)少，病人(rén)在該地區(qū)道路上移動速度有多(duō)快(kuài)、距離多(duō)遠(yuǎn)等。

　　在經濟學中，基于主體模型是一個(gè)理(lǐ)解全球貧困的(de)強大(dà)工具。世界銀行經濟學家Stephane Hallegatte說提到，如果你分(fēn)析的(de)是标準度量，如國内生産總值和(hé)總收入，那麽在大(dà)多(duō)數國家隻你看到富人(rén)：窮人(rén)有這(zhè)麽點錢，他(tā)們幾乎沒有登記。

　　爲了(le)得(de)出更好結論，Hallegatte和(hé)同事正在研究單個(gè)家庭。該團隊建立了(le)一個(gè)包括全球140萬個(gè)家庭的(de)模型，并研究了(le)氣候變化(huà)和(hé)災難如何影(yǐng)響健康、糧食安全和(hé)勞動生産率。該模型能估計風暴或幹旱會如何影(yǐng)響作物(wù)産量和(hé)市場(chǎng)價格，或者地震如何通(tōng)過摧毀汽車、道路甚至工廠來(lái)削弱工人(rén)的(de)收入。

　　這(zhè)個(gè)模型顯示了(le)一些顯而易見的(de)事實：窮人(rén)比富人(rén)更容易受到災難和(hé)氣候變化(huà)的(de)影(yǐng)響。但是Hallegatte團隊還(hái)看到了(le)其他(tā)變化(huà)。例如，如果一個(gè)特定國家的(de)窮人(rén)大(dà)多(duō)是農民，那麽當全球糧食價格上漲時(shí)，他(tā)們實際上可(kě)能受益于氣候變化(huà)。但是，如果這(zhè)個(gè)國家的(de)窮人(rén)大(dà)部分(fēn)都擠進了(le)城(chéng)市，那麽糧食價格上漲可(kě)能會造成嚴重傷害。

　　更容易、更方便

　　如果相關模型建模者選擇一個(gè)優先級，那就是讓模拟更容易構建、運行和(hé)使用(yòng)。

　　例如，Epstein設想了(le)一個(gè)國家中心，在那裏，決策者可(kě)以訪問他(tā)所稱的(de)劇本：這(zhè)裏有每個(gè)大(dà)城(chéng)市的(de)數字檔案，每一個(gè)潛在的(de)危險都有預先計算(suàn)的(de)模型。“然後，如果真的(de)發生了(le)什(shén)麽事情，比如毒煙(yān)彌漫。”他(tā)說，“我們可(kě)以挑選出最匹配的(de)模型，并進行接近實時(shí)計算(suàn)，比如在适當的(de)庇護所和(hé)疏散的(de)最佳組合。”

　　在弗吉尼亞理(lǐ)工大(dà)學，計算(suàn)機科學家Madhav Marathe也(yě)在思考同樣的(de)問題。他(tā)說，當一場(chǎng)五級飓風正在減弱時(shí)，像聖胡安市市長(cháng)這(zhè)樣的(de)人(rén)不能等一周時(shí)間，才對(duì)這(zhè)場(chǎng)風暴可(kě)能對(duì)波多(duō)黎各電網造成的(de)影(yǐng)響進行分(fēn)析。他(tā)說，她需要的(de)是可(kě)操作的(de)信息，“這(zhè)意味著(zhe)需要一個(gè)簡單的(de)模型，在很短時(shí)間内提供非常複雜(zá)的(de)分(fēn)析”。

　　Marathe稱其爲“基于主體的(de)建模服務”。他(tā)的(de)實驗室在過去4年裏一直在開發和(hé)測試一種基于網絡的(de)工具，讓公共衛生官員(yuán)進行大(dà)流行病模拟，并自行進行假設分(fēn)析，而無需雇傭程序員(yuán)。隻需點擊幾下(xià)鼠标，用(yòng)戶就可(kě)以指定關鍵變量，比如感興趣的(de)區(qū)域以及疾病類型。然後，使用(yòng)該工具的(de)内置地圖和(hé)圖表，用(yòng)戶可(kě)以觀看模拟過程，并看到他(tā)們提出的(de)治療方案的(de)效果。

　　盡管它是專門針對(duì)流行病的(de)，但該工具的(de)基礎地理(lǐ)模型和(hé)合成人(rén)群是通(tōng)用(yòng)的(de)，它們可(kě)以應用(yòng)于其他(tā)類型的(de)災難，如化(huà)學品溢出、飓風和(hé)電力網絡級聯故障。最終，Marathe說，“我們希望将這(zhè)些模型應用(yòng)在個(gè)性化(huà)的(de)服務中——爲你、你的(de)家庭或你的(de)城(chéng)市服務。”

　　或者，正如Barrett所說，“如果我今天送Jimm去上學，他(tā)感染寨卡的(de)概率是多(duō)少？我們能像用(yòng)谷歌(gē)地圖一樣使用(yòng)這(zhè)些工具。”


    文章(zhāng)來(lái)源：科學網