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迷信家模拟核弹爆炸模子

美国国度规划情形1模拟核进击。图片来源:DANE WEBSTER

doi:10.1126/science.aat8553

5月的一个礼拜一上午11:15,一辆看似通俗的货车驶进了美国华盛顿市中心的第16街和K街交汇处,就在利剑宫北边的几个街区。在外面,自尽式炸弹袭击者关上了一个开关。

当核弹爆炸后,整个都会街区刹时子虚乌有,周遭一英里内的修建物全被捣毁,数十万人在废墟中逝世亡或病笃挣扎。一种电磁脉冲使5公里内的手机发生爆炸,整个都会的电网变暗。风把炸弹孕育发生的蘑菇云酿成了喷射性灰尘,并向东舒展到马里兰州的市区。

路上很快就挤满了人,有些人试图逃离,但更多的人在寻觅掉踪的家庭成员或追求医疗光顾助。

劫难模拟

固然,这统统都是虚拟的,但却有着严肃的目的。这个被称为国度规划情形1(NPS1)的核进击故事线发源于20世纪50年月,是为美国国度安全官员和应急办理职员在面临真实事宜之前测试他们的反映规划。

60年后的今天,官员仍在反思发生核劫难的效果。直到此刻,他们还没有固定的故事线和预测,而是仅仅用计较机来“假定”一个完备的人工社会—— 一种基于主体的高级计较机模拟。

今天的NPS1模子包孕了对受炸弹影响地域的每栋修建的数字模拟,以及门路、电线、病院,乃至是发射塔。该模子包孕天气数据,以模拟喷射性灰尘流。这个场景是由约莫73万名个别构成——从统计上看,在春秋、性别和职业等要素上,与受影响地域的真实生齿齐全不异。每个个别都是一个自力的子步伐,能经由过程切换多种行为模式,以合理的人类方式相应其余个别和不停蜕变的劫难。

这种模式的目的是制止用固定的方程式描写人类事务。事实上,诸如金融瓦解或疾病流传等事宜的影响从底层开始,经由过程很多人的彼此作用,孕育发生了实际天下的富厚和自觉的事宜,而这很难模拟。

而这种细节恰是应急办理职员所需求的,弗吉尼亚理工学院生物庞大性研讨所所长、计较机迷信家Christopher Barrett说。该研讨所为当局开发了NPS1模子。例如,NPS1模子可以提示办理者,一个电源妨碍点X可能招致不测交通梗阻点Y,要是他们决议在清晨部署挪动发射塔恢复通讯,NPS1可以通知他们有几多布衣涌向门路。“基于主体的模子是若何将所有这些部门整顿进去,并不雅察它们之间的彼此作用。”Barrett说。

错误谬误是,像NPS1如许的模子往往十分伟大,迫使介入个别绝对简略。“个别的庞大性和模拟的范围之间存在着底子性的衡量。”国防高级研讨名目局名目司理Jonathan Pfautz说。

基于主体的模子

然则跟着计较机越来越壮大,在经济、交通、大众卫生和都会计划等诸多范畴,越来越多的决议计划者正在当真看待基于主体的模子。“它们是最机动、最具体的模子。”佛罗里达年夜学风行病专家Ira Longini说,“这使得其无理解和指示政策方面是最有用的。”

基于主体的建模至多可以追溯到20世纪40年月,其时像图灵如许的计较机前驱们测验考试了当地交互软件,模拟物理学和生物学的庞大行为。但今朝的成长海潮是上世纪90年月中期才开始成长起来的。

一个晚期乐成案例是由弗吉尼亚州乔治梅森年夜学经济学家Robert Axtell和纽约年夜学Joshua Epstein配合开发的“糖域”。由于他们的方针是在通俗台式电脑上模拟社会征象,于是将基于主体的模子简化:一组简略的主体,在网格中挪动以寻觅“糖”—— 一品种似于食品的资源,在某些处所很富厚,而在其余处所则很少见。只管很简略,这个模子却孕育发生了令人惊讶的庞大群体行为,如迁移、战役和邻里断绝等。

另一个里程碑是20世纪90年月的交通阐发和模拟体系,这是一个由Barrett等人在洛斯阿拉莫斯国度试验室开发的基于主体的交通模子。与传统交通模子差别的是,它应用方程式描写挪动车辆作为一种流体,并将每辆车和司机都建模为一个经由过程都会门路收集的主体。这个模拟试验包孕了汽车、卡车和大众汽车,并由具备实际的春秋、能力和目的地的人驾驶。当使用到现实都会的门路收集时,该体系在预测交通拥挤和处所净化程度方面比传统模式要好。

风行病学家也在阅历相似改变。在已往1个世纪里,他们用一组绝对简略的方程式评价疾病暴发,这些方程式将人分为几个种别——如易感、感染性和免疫——而且假设完善混淆,这象征着受影响地域的每小我私家都与其余所有人连结接洽。这些基于方程式的模子依然宽泛应用。

然则,风行病学家越来越多地乞助于基于主体的模子,包孕那些方程式纰漏的要素,如地舆、交通收集、家庭布局和行为变化——所有这些要素都能强烈地影响疾病流传的方式。

例如,在2014年西非埃博拉疫情时代,弗吉尼亚理工年夜学应用了这种模子,光顾助美国军方确定战地病院的所在。计划者需求晓得当挪动装备终极达到时,最高的传染率会是几多,病人在该地域门路上挪动速率有多快、间隔多远等。

在经济学中,基于主体模子是一个懂得寰球贫穷的壮大东西。天下银行经济学家Stephane Hallegatte说提到,要是你阐发的是尺度器量,如海内出产总值和总支出,那么在年夜大都国度只你看到富人:贫民有这么点钱,他们险些没有挂号。

为了得出更好论断,Hallegatte和共事正在研讨单个家庭。该团队成立了一个包孕寰球140万个家庭的模子,并研讨了气候变化和劫难若何影响康健、食粮安全和劳动出产率。该模子能预计风暴或干旱会若何影响作物产量和市场价格,或许地动若何经由过程捣毁汽车、门路乃至工场来减弱工人的支出。

这个模子显示了一些显而易见的事实:贫民比富人更容易遭到劫难和气候变化的影响。然则Hallegatte团队还看到了其余变化。例如,要是一个特定国度的贫民年夜多是农夫,那么当寰球食粮价格下跌时,他们现实上可能受害于气候变化。然则,要是这个国度的贫民年夜部门都挤进了都会,那么食粮价格下跌可能会形成重大挫伤。

更容易、更方便

要是相干模子建模者抉择一个优先级,那就是让模拟更容易构建、运转和应用。

例如,Epstein假想了一个国度中心,在那里,决议计划者可以拜候他所称的脚本:这里有每个年夜都会的数字档案,每一个潜在的危险都有预先计较的模子。“然后,要是真的发生了什么工作,好比毒烟漫溢。”他说,“咱们可以浮薄选出最婚配的模子,并进行靠近及时计较,好比在适当的呵护所和疏散的最佳组合。”

在弗吉尼亚理工年夜学,计较机迷信家Madhav Marathe也在思虑同样的问题。他说,当一场五级飓风正在削弱时,像圣胡安市市长如许的人不克不及等一周时间,才对这场风暴可能对波多黎各电网形成的影响进行阐发。他说,她需求的是可操作的信息,“这象征着需求一个简略的模子,在很短时间内供给很是庞大的阐发”。

Marathe称其为“基于主体的建模办事”。他的试验室在已往4年里始终在开发和测试一种基于收集的东西,让大众卫生官员进行年夜风行病模拟,并自前进行假定阐发,而无需雇佣步伐员。只要点击几下鼠标,用户就可以指定要害变量,好比感兴致的区域以及疾病类型。然后,应用该东西的内置舆图和图表,用户可以不雅看模拟历程,并看到他们提出的医治方案的后果。

只管它是专门针对风行病的,但该东西的根蒂根基地舆模子和合成人群是通用的,它们可以使用于其余类型的劫难,如化学品溢出、飓风和电力收集级联妨碍。终极,Marathe说,“咱们但愿将这些模子使用在共性化的办事中——为你、你的家庭或你的都会办事。”

或许,正如Barrett所说,“要是我今天送Jimm去上学,他传染寨卡的概率是几多?咱们能像用谷歌舆图一样应用这些东西。”(张章编译)

 

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Tags:核弹 迷信 责任编辑:admin
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