科技進步對交通運輸系統發展的影響

2021-01-04 09:35:16王慶云毛保華

交通運輸系統工程與信息 2020年6期

王慶云，毛保華*,b

(北京交通大學a.中國綜合交通研究中心；b.綜合交通運輸大數據應用技術交通運輸行業重點實驗室，北京100044)

0 引言

人類是科技的發明者，也被科技發展深刻影響[1].在人類發展的歷史長河中，人類生存、社會發展與科技導致的變革和自然環境之間存在復雜的相互作用[2].從不同角度可以將人類社會的發展劃分為不同類型的階段.一般來說，從思想變革角度可將人類社會劃分為古希臘—先秦時期(東西方思想體系的初始化)、十五世紀到二戰時期(文藝復興、啟蒙運動和宗教改革)、戰后至今(現代與后現代思潮、網絡時代)這3 個階段.從技術變革角度，可以將人類過去已經經歷的技術變革分為3 個階段，即第一次的蒸汽機發明，第二次的電力應用，以及以信息技術為標志的第三次工業革命[3-4].當然也有從更細角度劃分為6階段的觀點，即第一次近代物理學誕生，第二次蒸汽機誕生，第三次電氣和運輸革命，第四次相對論和量子論革命，第五次電子和信息革命，以及以生命科學為基礎的第六次科技革命[5].人類在生存與進化發展的過程中不斷改變自然，創造新的技能，包括新的交通形式[6]；同時人類社會的經濟發展、工作與生活模式又反過來被這些科技因素所左右[7-8].科技與人類社會發展演化之間的這種互動關系可能是協調的促進關系，也可能是某一方響應滯后所導致的局部或短時沖突，這需要我們及時開展系統、深入的研究工作[9-10].

交通作為人類“衣食住行”四大基本需求之一，也受到眾多環境因素的多角度影響.人類接受這些影響的方式是多樣化的，有主動的，也有被動的.

1 歷次技術革命對交通運輸業的影響回顧

人類一直在探索征服自然的技能.從技術變革角度可以將早期人類的進化過程分為：石器時代(止于距今6 000～4 000年)和青銅器與鐵器時代(止于公元18世紀初歐洲工業革命前后)兩個階段，這兩個階段從科技和社會的發展方面看，都可以說是進展緩慢的，科技對人類發展的改變自第一次工業革命以后進入了快車道[11].工業革命之前盡管經歷了數千年，不同程度促進了社會生產力的發展，但此前技能改善對人類生存與進化的總體影響是緩慢而微小的.歐洲工業革命之后，人類經歷的啟蒙時代，以及后來的第一、第二次工業革命對人類產生的影響巨大，極大地推動了人類生活模式的改變.

一般認為，第一次工業革命源自18世紀英國(1760—1840年)，其標志是以瓦特改良蒸汽機的機械化革命.第一次工業革命推動了社會生產力的快速發展，促進了紡織、煤炭、冶金等近代工業的興起.

從交通運輸角度來看，其主要影響有：

(1)采用蒸汽機驅動的蒸汽船技術及其應用推動了內陸運河等水上運輸業的發展，水運資源得到充分開發，運河運輸也發展迅速，成為客貨運輸的重要工具.

(2)1825年英國建成最早的鐵路，這一發明使鐵路在全球各國得到迅速推廣；交通運輸業也因此進入一個為時長達近百年(1830—1930年)的鐵路時代.例如，美國1830—1839年間鐵路總里程增加了4 828 km，19世紀50年代總里程達到14 000 km.

第二次工業革命(1840—1930年)是以電與石油為標志的電氣化革命，主要效果為：自動化、鐵路的發展改變了全球經濟與工業結構，德、美取代英、法成為新的世界強國.日本抓住機遇推進“脫亞入歐”的明治維新改革，通過學習新技術，提高了國家工業化水平，生產力大幅提升，實現了運輸規模大幅度的擴張效果[12].

第二次工業革命對交通運輸業的影響主要包括：

(1)電氣化推進大規模生產模式，以福特“T型車”為代表的流水線生產模式逐步取代手工制作.福特1903年年產1 700 輛車，1927年年產150 萬輛，成本降低了60%.大規模生產拓寬了市場需求，改變了生產與市場模式.

(2)鐵路網大規模建設使客貨運輸更為迅速.例如，美國1920年鐵路里程一度達到40 萬km，鐵路貨物運輸周轉量占全美的84.3%.1941年全世界鐵路網絡總長度約達到126 萬km，其中，美洲、歐洲分別占47%、33%.歐美各國對原料、資源的需求及國際商品貿易量迅速增長，鐵路成為陸地運輸的主要工具.

第三次工業革命(1950年開始至21世紀初)，以原子能、計算機、空間技術等信息智能技術發明和應用為主的信息化、智能化革命.其效果包括：促進了社會經濟和生活結構重大變革.第一、第二產業比重下降，第三產業的比重上升，城市化與城市交通發展迅速.20世紀70年代以后，全球經濟總體呈“一強多極”格局.不過，這一階段美國的進出口貿易增速逐步放緩，而德國、日本等國的對外貿易增長迅速，亞洲部分國家的貿易額也有了快速增長.日本20世紀60年代在全球開通了第一條高速鐵路，即連結東京與大阪的東海道新干線.

第三次工業革命對交通運輸的影響主要有：

(1)工業化國家鐵路運輸又發生了變化，鐵路在綜合運輸體系中占比逐漸下降.例如，美國1930年時鐵路貨運量占全美貨運量比重達74.3%，1965年降到43.5%.鐵路市場份額的下降大致持續到高速鐵路與城市軌道交通的發展.

(2)1945年二戰結束后，全球車輛制造技術獲得突破，各國公路系統日趨完善.高速公路成為公路現代化的標志，車輛與公路技術推動了公路運輸業的高速發展.

(3)民航運輸快速發展，成為洲際長距離旅客運輸的主要工具.民航運輸起步于20世紀20年代，發展于二戰后，波音、道格拉斯、洛克希德及后來的空客，以及20世紀50年代噴氣式技術廣泛用于民用飛機使遠洋客運成為歷史.

(4)20世紀50年代后，現代集裝箱技術不僅簡化了中轉裝卸環節，也簡化了國家間貨物貿易的檢驗手續，推進了遠洋海運規模的擴張，促進了全球貿易運輸的發展.進入21世紀，海運集裝箱已經成為國際貨物貿易運輸的主要方式.

不難看出，前三次技術/工業革命的主要特點有：

(1)促進了全球化一體化發展.前三次技術革命總體上提高了全球貨物與資金的流動效率，這個過程中發達與欠發達經濟體各取所需，形成互相補充的全球經濟結構.盡管近年來全球化有些回潮，但經濟體之間的互補依然是主流.

(2)促進了全球經濟規模的增長.在全球經濟一體化背景下，部分新興發展中國家抓住機遇，獲得了較快增長.例如，中國、印度、巴西等發展中國家持續、快速的發展，縮小了與發達經濟體之間的差距.

(3)促進了城市化與城市交通的發展.20世紀50年代，全球平均城市化水平為29.7%，其中，發達國家與發展中國家分別為54.9%、17.8%.2011年，全球平均城市化水平達到52.1%.預計2050年全球城市化率可望達到67.2%.由于活動頻率的增加，城鄉交流更加容易，城市地區經濟比重增加，城市化也加劇了城市交通的擁堵.

從歷史角度看，科技進步因素以更快的速度改變或影響人類社會運行與工作和生活模式；技術進步對社會發展的影響呈指數式增長，例如：

(1)工業化時代，電、電話、收音機、電視機在美國的普及分別用了46年、35年、31年和26年；數字時代，個人電腦(PC)、移動電話、互聯網、社會化媒體普及僅分別用了16年、13年、7年和5年[13].QQ在線用戶數達到1 億用了11年，新浪微博日活躍用戶數達到1 億用了6年，微信用戶數達到1 億用了433天[14].

(2)數字技術廣泛應用導致的數據流量呈指數增長.資料表明[15]：2005—2014年，近10年間全球數據流量增長了45倍；2015—2019年，這5年估計至少增長了9倍.信息化也推動了交通智能化系統的發展[16].

(3)在互聯網和現代金融的支撐下，近年來一個科技型企業從誕生到成為獨角獸企業最快只需要3～5年，刷新了企業成長速度的記錄.

2 當代交通運輸業面臨的技術革命影響

當前正處于第四次工業革命(也稱“工業4.0”)時期.盡管關于其開始時間與準確內涵仍存在爭議，但其基本特征卻是基本共識的.總的來看，第四次工業革命以“多種技術集成發展”為特征，如增材制造、物聯網、人工智能、機器人、虛擬現實等多方面技術相互融合形成的智能化、信息化革命.相比數字信息技術的逐步發展，“工業4.0”是對當代技術模式的顛覆性變革.它將徹底改變現有的感知、計算、組織、行為和交付方式，從而改變產品與服務的生產和運輸方式，最終改變溝通、協作和體驗世界的方式.

第四次工業革命的主要技術有以下4 個方向[9]：

(1)數字技術及其應用.這方面的技術涉及大數據及其利用的相關技術，包括新興計算技術、區塊鏈技術、物聯網技術等.與第三次技術革命中的信息技術相比，這些技術從根本上改變了信息獲取、信息關聯、信息處理與傳遞的方式方法，甚至顛覆了人類社會對傳統信息技術及其應用理念的認識.

(2)改革物理世界方面的技術.涉及人類生產手段、生產過程的變革，如人工智能與機器人技術、先進材料技術、增材制造技術等.與之前科技發展導致的漸進變革相比，這些技術可能改變人類在社會生產過程中的作用與定位.

(3)改變人類自身生存方式的技術.涉及生物技術、神經技術、虛擬現實與增強現實技術等，它們可能導致人類社會倫理層面的變革.

(4)拓展人類發展環境的技術.涉及人類社會運行所需能源的獲取存儲和輸送、地球工程技術、空間技術等.這些技術拓展了人類生存與發展的視野，也可能極大地改變人類的發展競爭觀.

從交通運輸系統角度看，這些技術的影響可以歸納為：

(1)改變運輸需求的技術.主要涉及客貨運輸需求產生及其分布規律的變化，例如制造業(生產)的本地化可能導致制造業版圖重組，從而影響貨運需求時空分布規律的變革；發展中國家較低的勞動力成本曾使制造業向發展中國家轉移，而發達國家技術領先與機器人技術的大量應用使技術成本降低，可能促進制造業向發達國家回流，從而改變貨運需求的流向.

(2)改變運輸供給的技術.旅客出行的高速與超高速運輸技術、大型船舶與鐵路重載化貨物運輸技術的發展極大地改變了交通運輸供給的效率與成本，促進節能并降低運輸排放[17]，這導致運輸結構的變革，進而改變交通運輸行業發展的模式[18].具體來說：高速鐵路建設及其運行的準時性擴大了鐵路運輸的市場空間，推動了鐵路運輸的新一輪發展；船舶大型化進一步降低了遠洋海運的成本，同時也壓縮了陸橋運輸的市場空間等.

(3)改變供需機制的技術.這包括國際貨物貿易模式的變化，運輸鏈(模式)的變化；原來由大型跨國企業主導的大宗貨物貿易向分散化、通用化的平臺模式轉變.新興經濟體國內產業供應鏈的成熟也將削弱全球貿易強度，降低對外貿易依存度.直接后果是運距大幅縮短，制造業產運系數降低，原材料、能源類大宗散貨運輸需求減弱，生鮮食品運輸需求上升.運輸過程更加傾向快速化、靈活化.

圖1描述了各次工業革命給交通運輸行業發展帶來的影響.

圖1 歷次工業革命及其對交通運輸行業的影響Fig.1 Impact of industrial revolutions on transportation

3 第四次工業革命對我國交通運輸業的影響及其后果

科技發展給人類社會運行與交通運輸業的運行與發展帶來速度越來越快、影響越來越大的變革，這些需要我們有充分、全面地認識.總的來看，“十四五”乃至2035年前，我們需要探討以下領域科技發展帶來的重要影響.

(1)共享理念、增材制造技術推動供需模式變革，降低交通運輸系統發展規模.

“共享單車”揭開了現代社會資源配置優化的蓋子，它帶來的影響將是深遠的.

首先，“共享”改變了人類供給的理念，將降低運輸系統的發展規模.“共享”模式甚至可以稱為另一種形式的(資源共用的)公共交通，顯著改變了交通運輸的能力觀與成本觀，為交通運輸資源配置帶來了新觀念.由于共享模式的發展，在交通擁擠的很多領域，共享可望帶來解決交通供給不足的新方案.

其次，遠程辦公、物聯網、虛擬現實與高速通信技術等將降低人們的出行率，這使傳統的工作觀念發生根本改變，導致交通需求規模降低.從需求預測角度看，人們會發現盡管人口與經濟仍在增長，但需求卻已不再繼續(線性)增長了.這需要我們研究交通資源(供給)規劃的新方法.

第三，增材制造(如3D 打印)等技術改變了供應鏈模式，“就近制造”縮短了運輸距離，貨物運輸需求的空間規律發生重大變化.

(2)大數據與信息技術應用挑戰人類倫理，激發社會隱私保護沖突.

科技發展增加了信息采集的手段，極大地降低了信息采集與處理成本，為更大范圍的數據采集、分析與信息應用提供了契機[19].全過程信息記錄、客貨運行為全軌跡追蹤與追溯甚至未來關于人類思維的攝取與追蹤技術或許都會有所突破，這些技術在提升交通運輸服務水平的同時，也可能觸發個人與社會隱私權的保護問題.因此，應盡快著手研究出臺關于各類信息的采集范圍、采集方法與應用領域管理的法律與管理制度[20]，防止某些隱私信息被非法濫用，保護人民群眾的合法權益具有重要而深遠的意義.

(3)智能化技術改善交通安全與運輸效率，或觸發人類生存(發展)危機.

人工智能提升了運輸效率與安全性，使智能化、自動化成為交通建設與運營管理的發展方向.海量的數據采集技術與分析計算科學的發展，輔以強大的計算能力，為人類“偷懶”提供了各種可能.例如，自動駕駛技術既可免除人們學車之苦與駕駛過程的辛勞，也可為老年人、殘障人出行提供便捷途徑，還可在一定程度上降低或消除交通運輸系統運行中因涉及人的因素而引發的安全問題.自動駕駛技術可使未來私家車、出租車無需人工，從根本上改變人們出行的成本結構；智慧交通系統建設將使客貨運輸環境發生革命性變化.

不過，全智能化系統的普遍推廣可能埋下人類自身“低能化”隱患.一方面，一旦系統或局部發生失靈，如停電、定位子系統癱瘓等，是否會有許多人因不會駕駛車輛而陷入無法出行的困境？另一方面，人工智能的核心就是通過讓機器學習人類的知識與思維邏輯不斷提高其功能與智能化水平，科技水平的發展將使越來越多的智能機器人取代人工作業，阿爾法狗的出現已經讓大家領略了人工智能的力量.未來深度智能化的機器學習是否會導致人類對車輛等設備的失控或許不再是科學幻想層面的場景.這些問題值得人類警惕.

(4)運輸需求更加個性化為定制交通提供發展空間.

近年的實踐表明，未來的客貨運輸需求將向更加個性化的方向發展.客運的具體體現可能是多樣化、快速化與分散化，而貨運的特征可能是小型化與短距離化[21]，這將對運輸效率與服務水平提出更高要求.一方面，這些特征在信息化背景下將因運輸過程更加透明而更易受到客貨用戶詬病.就運輸過程組織而言，運輸商需要更多關注運輸產品的細節及其運輸過程的銜接效率.另一方面，客運分散化與貨運距離的縮短將壓縮運輸業的利潤空間，從而提高運輸效率變得更重要了.

在上述背景下，個性化的定制交通成為重要發展方向.以客運為例，人們出行的時空特征更加復雜多變，而信息化支撐下對滿足需求的服務水平要求卻有增無減.貨運方面，批量更小、更分散的運輸業務需要過程更透明的運輸服務，而短距離運輸需求可能對供給的即時性要求更高.這些對交通運輸供給產品設計提出了新挑戰，并成為推動運輸過程智能化、無人化或自動化的重要因素.未來科技作用下的運輸系統變化如圖2所示.

圖2 未來科技作用下的運輸系統變化Fig.2 Variations in transportation acted by future science and technology

4 我國“十四五”交通運輸發展對策的建議

當前總體上已處于第四次工業革命的起點，科技發展及其累積效果對社會生產與生活的影響日益增大.從科技發展看，先進技術的集成化降低了技術保密難度；而人工智能與機器人的發展將進一步提升技術密集型產業的占比，發展中國家勞動密集型產業下低勞動力成本的“福利”空間被壓縮.在多種因素作用下，未來就業問題可能超過勞動力成本問題成為國家治理的重要課題，制造業向發達國家回流的現象可能更加明顯.“就近制造”將降低貨物運輸需求的規模與強度，更大范圍的“居家辦公”也將降低人們的出行率，從而導致客運需求下降.研究認識到這些現象及其后果并制定具體可操作的應對策略具有重要現實意義[11]，如圖3所示.

圖3 科技與新的發展環境視角下2020—2035年交通發展重點問題Fig.3 Transport emphasis of 2020-2035 impacted by science and technology

從圖3可以看出，未來“十四五”乃至2035年間需要重點關注的主要課題有以下幾個方面.

(1)頂層設計上，應根據不同區域社會與經濟發展對運輸的需求特點研究運輸資源的科學配置問題.

與注重速度與數量的快速發展時期相比，大數據支撐下新時期的發展規劃應當更精細，這當然需要更大的時間與經費投入.傳統“輕規劃、重建設”理念下的工作模式實際上已使我們付出了不少資源浪費與排放污染代價.改革開放幾十年來交通運輸業的快速發展取得了巨大成就，也為我們贏得了一些喘息之機，是時候全面、系統地思考一下我們的長遠發展戰略了.例如，未來客貨運輸需求的總走勢將受到哪些科技因素、在何種程度上的作用？不同區域的交通運輸系統發展目標是否需要更多地兼顧其社會、經濟乃至地理環境的特點？作為一個幅員遼闊的大國，不同區域是否應該有差異化的交通服務水平目標？我國傳統對外貿易中約2/3是依靠沿海港口實現的，未來對外貿易目的地的變化是否會對未來我國沿海港口功能定位和“中歐班列”發展帶來影響？

(2)科技發展帶來的變革效果亟需納入各級發展戰略與發展規劃.

如前所述，科技進步給人類社會生產與生活的推動力愈來愈大，及時、準確地應對才會給我們帶來“后來居上”的機遇.就交通運輸相關行業而言，盡管我們總體上與發達國家還有差距，但我們在很多科技領域確實已位居世界前列，這些離不開我們過去幾十年來快馬加鞭、勇于探索的制度優勢的支撐.不同地區應結合自身的資源、環境特征與社會經濟發展需求，系統研究未來科技變革在客貨運輸需求、供需匹配機制、運輸系統運行管理等方面產生的效果，制定適合各城市、各地區發展需求的交通運輸長遠發展戰略、規劃方案與實施路徑.

例如，在“十四五”乃至2035年，哪些科技成果將在何種程度上影響到我國這一階段的交通發展戰略？如何評估它們對需求側影響的具體效果？他們對供給側的影響是否需要以及如何調整我國綜合交通運輸系統的結構？通過哪些政策工具才能實現上述調整？

(3)通過切實可行的措施促進客貨運輸服務水平提升.

改革開放40年來，我們的基礎設施水平有了巨大改善，基本緩解了城市間的出行難問題；城市道路、高速公路、高速鐵路、鐵路客貨分線、民航機場建設也為高質量運輸服務奠定了一定的硬件基礎.不過，關于交通運輸服務水平的改善仍有較大空間，尤其是“軟”管理方面.

首先，盡管關于“一體化”“綜合運輸”的提法已有很長時間，國家也在著力推進大部制改革，但在不同方式的緊密銜接和建立“以用戶為本”的服務理念方面還有許多工作要做.其次，在基礎設施建設方面，我們的樞紐越做越大，但旅客在樞紐內標志標識不清環境下的長距離步行并沒有產生美好感受；高速鐵路建設投資巨大，許多車站設施不亞于機場，但車站管理幾乎還是沿襲傳統鐵路模式；如何設計并打造現代化的樞紐服務產品需要研究.第三，網購給很多人居家購物帶來方便，但城市道路上快遞車輛也制造了大量險象環生的事件，惡化了城市道路上人車出行體驗；規范對這些新交通服務形式的管理十分必要.

在信息化環境下，打通不同方式、不同運營商之間的合作壁壘，推行公共交通出行“一票到家”“換乘優惠”等服務；建立更完善、更有效的出行服務、引導信息推送制度具有重要現實意義.

(4)研究新形勢下部分既有交通運輸設施延伸服務策略.

如前所述，科技發展與我國經濟結構轉型給交通運輸行業帶來的可能不再是運輸需求規模的持續增長，而是服務質量提升的新要求，這將導致部分專業化基礎設施的能力過剩.在這一形勢下，如何優化既有設施的合理分工，通過少量更新改造來引導部分既有設施向更合理的功能過渡具有現實意義.

多數重大基礎設施，如沿海港口的建設與運營商均屬國有企業，與西方國際大企業相比，目前國內多數企業對發展戰略的思考不足、重視不夠，這可能導致在發展方向上出現偏差，最終將增加國家負擔.結合2020—2035年市場需求變化，從中央層面開展系統研究，為下屬行業、企業提供發展指導或參考，也許是一件有意義的事情.

(5)從政府層面研究部分新交通服務方式的發展引導與規范管理政策.

大數據技術的應用推動了諸多交通運輸服務產品的研究與發展.可以預見，“十四五”及以后一段時間，有利于優化資源利用、降低客貨運輸成本、提高服務質量的共享、預約服務模式可能得到進一步發展.有必要預先對這些交通運輸服務方式的發展與運行管理提出要求，引導它們科學、合理發展，更好地服務于國民經濟與社會的發展.

例如，共享單車是一種有利于解決公共交通最后一公里出行問題的方式，與許多城市政府倡導的公共自行車功能基本相同.然而，由于未能解決共享單車停放的規范性問題，許多公眾與多數小區對其持否定態度，影響了這種交通形式的發展.“十四五”到2035年，共享汽車、自動駕駛等可能比預期更早地進入我們的生活，這需要我們有充分的準備.

(6)研究制定推進城市群(跨城市)公共交通發展的政策與措施.

近年來，城市群已成為我國區域發展的一種重要增長模式.總體上看，不同城市群的運行環境不同，進展也不一樣；城市群內的基礎設施如何實現一體化的建設與管理是一個重要課題.

與一個城市中的交通問題不同，城市群的決策機制中涉及并行的多個城市主體，難以形成發展共識.從旅客運輸角度看，跨城市線路通勤客流比例一般低于某一城市內部線路的通勤客流比例，總體客運強度也較低.這類線路中，票價率過高難以起到鼓勵城市群同城化的效果，而要兼顧通勤客流、維系較低票價率則難以盈利，這需要建立對這類線路跨城市的城市群補貼機制.因此，研究建立科學合理的城市群公共交通運行補貼機制對于從交通角度促進城市群發展具有重要現實意義.

以城際鐵路為例，2019年底我國開通運營的城際鐵路線路近30條，運營里程超過5 000 km.這些線路采用了較城市軌道交通更高的技術標準，但由于城市群聯動發展機制的缺失，加上線路功能定位不清晰，普遍存在需求不足、運營虧損問題，如何發揮它們在城市群綜合交通運輸體系中的作用是亟待解決的問題.