科技进步对交通运输系统发展的影响

2021-01-04 09:35王庆云毛保华

交通运输系统工程与信息 2020年6期

王庆云，毛保华*,b

(北京交通大学a.中国综合交通研究中心；b.综合交通运输大数据应用技术交通运输行业重点实验室，北京100044)

0 引言

人类是科技的发明者，也被科技发展深刻影响[1].在人类发展的历史长河中，人类生存、社会发展与科技导致的变革和自然环境之间存在复杂的相互作用[2].从不同角度可以将人类社会的发展划分为不同类型的阶段.一般来说，从思想变革角度可将人类社会划分为古希腊—先秦时期(东西方思想体系的初始化)、十五世纪到二战时期(文艺复兴、启蒙运动和宗教改革)、战后至今(现代与后现代思潮、网络时代)这3 个阶段.从技术变革角度，可以将人类过去已经经历的技术变革分为3 个阶段，即第一次的蒸汽机发明，第二次的电力应用，以及以信息技术为标志的第三次工业革命[3-4].当然也有从更细角度划分为6阶段的观点，即第一次近代物理学诞生，第二次蒸汽机诞生，第三次电气和运输革命，第四次相对论和量子论革命，第五次电子和信息革命，以及以生命科学为基础的第六次科技革命[5].人类在生存与进化发展的过程中不断改变自然，创造新的技能，包括新的交通形式[6]；同时人类社会的经济发展、工作与生活模式又反过来被这些科技因素所左右[7-8].科技与人类社会发展演化之间的这种互动关系可能是协调的促进关系，也可能是某一方响应滞后所导致的局部或短时冲突，这需要我们及时开展系统、深入的研究工作[9-10].

交通作为人类“衣食住行”四大基本需求之一，也受到众多环境因素的多角度影响.人类接受这些影响的方式是多样化的，有主动的，也有被动的.

1 历次技术革命对交通运输业的影响回顾

人类一直在探索征服自然的技能.从技术变革角度可以将早期人类的进化过程分为：石器时代(止于距今6 000～4 000年)和青铜器与铁器时代(止于公元18世纪初欧洲工业革命前后)两个阶段，这两个阶段从科技和社会的发展方面看，都可以说是进展缓慢的，科技对人类发展的改变自第一次工业革命以后进入了快车道[11].工业革命之前尽管经历了数千年，不同程度促进了社会生产力的发展，但此前技能改善对人类生存与进化的总体影响是缓慢而微小的.欧洲工业革命之后，人类经历的启蒙时代，以及后来的第一、第二次工业革命对人类产生的影响巨大，极大地推动了人类生活模式的改变.

一般认为，第一次工业革命源自18世纪英国(1760—1840年)，其标志是以瓦特改良蒸汽机的机械化革命.第一次工业革命推动了社会生产力的快速发展，促进了纺织、煤炭、冶金等近代工业的兴起.

从交通运输角度来看，其主要影响有：

(1)采用蒸汽机驱动的蒸汽船技术及其应用推动了内陆运河等水上运输业的发展，水运资源得到充分开发，运河运输也发展迅速，成为客货运输的重要工具.

(2)1825年英国建成最早的铁路，这一发明使铁路在全球各国得到迅速推广；交通运输业也因此进入一个为时长达近百年(1830—1930年)的铁路时代.例如，美国1830—1839年间铁路总里程增加了4 828 km，19世纪50年代总里程达到14 000 km.

第二次工业革命(1840—1930年)是以电与石油为标志的电气化革命，主要效果为：自动化、铁路的发展改变了全球经济与工业结构，德、美取代英、法成为新的世界强国.日本抓住机遇推进“脱亚入欧”的明治维新改革，通过学习新技术，提高了国家工业化水平，生产力大幅提升，实现了运输规模大幅度的扩张效果[12].

第二次工业革命对交通运输业的影响主要包括：

(1)电气化推进大规模生产模式，以福特“T型车”为代表的流水线生产模式逐步取代手工制作.福特1903年年产1 700 辆车，1927年年产150 万辆，成本降低了60%.大规模生产拓宽了市场需求，改变了生产与市场模式.

(2)铁路网大规模建设使客货运输更为迅速.例如，美国1920年铁路里程一度达到40 万km，铁路货物运输周转量占全美的84.3%.1941年全世界铁路网络总长度约达到126 万km，其中，美洲、欧洲分别占47%、33%.欧美各国对原料、资源的需求及国际商品贸易量迅速增长，铁路成为陆地运输的主要工具.

第三次工业革命(1950年开始至21世纪初)，以原子能、计算机、空间技术等信息智能技术发明和应用为主的信息化、智能化革命.其效果包括：促进了社会经济和生活结构重大变革.第一、第二产业比重下降，第三产业的比重上升，城市化与城市交通发展迅速.20世纪70年代以后，全球经济总体呈“一强多极”格局.不过，这一阶段美国的进出口贸易增速逐步放缓，而德国、日本等国的对外贸易增长迅速，亚洲部分国家的贸易额也有了快速增长.日本20世纪60年代在全球开通了第一条高速铁路，即连结东京与大阪的东海道新干线.

第三次工业革命对交通运输的影响主要有：

(1)工业化国家铁路运输又发生了变化，铁路在综合运输体系中占比逐渐下降.例如，美国1930年时铁路货运量占全美货运量比重达74.3%，1965年降到43.5%.铁路市场份额的下降大致持续到高速铁路与城市轨道交通的发展.

(2)1945年二战结束后，全球车辆制造技术获得突破，各国公路系统日趋完善.高速公路成为公路现代化的标志，车辆与公路技术推动了公路运输业的高速发展.

(3)民航运输快速发展，成为洲际长距离旅客运输的主要工具.民航运输起步于20世纪20年代，发展于二战后，波音、道格拉斯、洛克希德及后来的空客，以及20世纪50年代喷气式技术广泛用于民用飞机使远洋客运成为历史.

(4)20世纪50年代后，现代集装箱技术不仅简化了中转装卸环节，也简化了国家间货物贸易的检验手续，推进了远洋海运规模的扩张，促进了全球贸易运输的发展.进入21世纪，海运集装箱已经成为国际货物贸易运输的主要方式.

不难看出，前三次技术/工业革命的主要特点有：

(1)促进了全球化一体化发展.前三次技术革命总体上提高了全球货物与资金的流动效率，这个过程中发达与欠发达经济体各取所需，形成互相补充的全球经济结构.尽管近年来全球化有些回潮，但经济体之间的互补依然是主流.

(2)促进了全球经济规模的增长.在全球经济一体化背景下，部分新兴发展中国家抓住机遇，获得了较快增长.例如，中国、印度、巴西等发展中国家持续、快速的发展，缩小了与发达经济体之间的差距.

(3)促进了城市化与城市交通的发展.20世纪50年代，全球平均城市化水平为29.7%，其中，发达国家与发展中国家分别为54.9%、17.8%.2011年，全球平均城市化水平达到52.1%.预计2050年全球城市化率可望达到67.2%.由于活动频率的增加，城乡交流更加容易，城市地区经济比重增加，城市化也加剧了城市交通的拥堵.

从历史角度看，科技进步因素以更快的速度改变或影响人类社会运行与工作和生活模式；技术进步对社会发展的影响呈指数式增长，例如：

(1)工业化时代，电、电话、收音机、电视机在美国的普及分别用了46年、35年、31年和26年；数字时代，个人电脑(PC)、移动电话、互联网、社会化媒体普及仅分别用了16年、13年、7年和5年[13].QQ在线用户数达到1 亿用了11年，新浪微博日活跃用户数达到1 亿用了6年，微信用户数达到1 亿用了433天[14].

(2)数字技术广泛应用导致的数据流量呈指数增长.资料表明[15]：2005—2014年，近10年间全球数据流量增长了45倍；2015—2019年，这5年估计至少增长了9倍.信息化也推动了交通智能化系统的发展[16].

(3)在互联网和现代金融的支撑下，近年来一个科技型企业从诞生到成为独角兽企业最快只需要3～5年，刷新了企业成长速度的记录.

2 当代交通运输业面临的技术革命影响

当前正处于第四次工业革命(也称“工业4.0”)时期.尽管关于其开始时间与准确内涵仍存在争议，但其基本特征却是基本共识的.总的来看，第四次工业革命以“多种技术集成发展”为特征，如增材制造、物联网、人工智能、机器人、虚拟现实等多方面技术相互融合形成的智能化、信息化革命.相比数字信息技术的逐步发展，“工业4.0”是对当代技术模式的颠覆性变革.它将彻底改变现有的感知、计算、组织、行为和交付方式，从而改变产品与服务的生产和运输方式，最终改变沟通、协作和体验世界的方式.

第四次工业革命的主要技术有以下4 个方向[9]：

(1)数字技术及其应用.这方面的技术涉及大数据及其利用的相关技术，包括新兴计算技术、区块链技术、物联网技术等.与第三次技术革命中的信息技术相比，这些技术从根本上改变了信息获取、信息关联、信息处理与传递的方式方法，甚至颠覆了人类社会对传统信息技术及其应用理念的认识.

(2)改革物理世界方面的技术.涉及人类生产手段、生产过程的变革，如人工智能与机器人技术、先进材料技术、增材制造技术等.与之前科技发展导致的渐进变革相比，这些技术可能改变人类在社会生产过程中的作用与定位.

(3)改变人类自身生存方式的技术.涉及生物技术、神经技术、虚拟现实与增强现实技术等，它们可能导致人类社会伦理层面的变革.

(4)拓展人类发展环境的技术.涉及人类社会运行所需能源的获取存储和输送、地球工程技术、空间技术等.这些技术拓展了人类生存与发展的视野，也可能极大地改变人类的发展竞争观.

从交通运输系统角度看，这些技术的影响可以归纳为：

(1)改变运输需求的技术.主要涉及客货运输需求产生及其分布规律的变化，例如制造业(生产)的本地化可能导致制造业版图重组，从而影响货运需求时空分布规律的变革；发展中国家较低的劳动力成本曾使制造业向发展中国家转移，而发达国家技术领先与机器人技术的大量应用使技术成本降低，可能促进制造业向发达国家回流，从而改变货运需求的流向.

(2)改变运输供给的技术.旅客出行的高速与超高速运输技术、大型船舶与铁路重载化货物运输技术的发展极大地改变了交通运输供给的效率与成本，促进节能并降低运输排放[17]，这导致运输结构的变革，进而改变交通运输行业发展的模式[18].具体来说：高速铁路建设及其运行的准时性扩大了铁路运输的市场空间，推动了铁路运输的新一轮发展；船舶大型化进一步降低了远洋海运的成本，同时也压缩了陆桥运输的市场空间等.

(3)改变供需机制的技术.这包括国际货物贸易模式的变化，运输链(模式)的变化；原来由大型跨国企业主导的大宗货物贸易向分散化、通用化的平台模式转变.新兴经济体国内产业供应链的成熟也将削弱全球贸易强度，降低对外贸易依存度.直接后果是运距大幅缩短，制造业产运系数降低，原材料、能源类大宗散货运输需求减弱，生鲜食品运输需求上升.运输过程更加倾向快速化、灵活化.

图1描述了各次工业革命给交通运输行业发展带来的影响.

图1 历次工业革命及其对交通运输行业的影响Fig.1 Impact of industrial revolutions on transportation

3 第四次工业革命对我国交通运输业的影响及其后果

科技发展给人类社会运行与交通运输业的运行与发展带来速度越来越快、影响越来越大的变革，这些需要我们有充分、全面地认识.总的来看，“十四五”乃至2035年前，我们需要探讨以下领域科技发展带来的重要影响.

(1)共享理念、增材制造技术推动供需模式变革，降低交通运输系统发展规模.

“共享单车”揭开了现代社会资源配置优化的盖子，它带来的影响将是深远的.

首先，“共享”改变了人类供给的理念，将降低运输系统的发展规模.“共享”模式甚至可以称为另一种形式的(资源共用的)公共交通，显著改变了交通运输的能力观与成本观，为交通运输资源配置带来了新观念.由于共享模式的发展，在交通拥挤的很多领域，共享可望带来解决交通供给不足的新方案.

其次，远程办公、物联网、虚拟现实与高速通信技术等将降低人们的出行率，这使传统的工作观念发生根本改变，导致交通需求规模降低.从需求预测角度看，人们会发现尽管人口与经济仍在增长，但需求却已不再继续(线性)增长了.这需要我们研究交通资源(供给)规划的新方法.

第三，增材制造(如3D 打印)等技术改变了供应链模式，“就近制造”缩短了运输距离，货物运输需求的空间规律发生重大变化.

(2)大数据与信息技术应用挑战人类伦理，激发社会隐私保护冲突.

科技发展增加了信息采集的手段，极大地降低了信息采集与处理成本，为更大范围的数据采集、分析与信息应用提供了契机[19].全过程信息记录、客货运行为全轨迹追踪与追溯甚至未来关于人类思维的摄取与追踪技术或许都会有所突破，这些技术在提升交通运输服务水平的同时，也可能触发个人与社会隐私权的保护问题.因此，应尽快着手研究出台关于各类信息的采集范围、采集方法与应用领域管理的法律与管理制度[20]，防止某些隐私信息被非法滥用，保护人民群众的合法权益具有重要而深远的意义.

(3)智能化技术改善交通安全与运输效率，或触发人类生存(发展)危机.

人工智能提升了运输效率与安全性，使智能化、自动化成为交通建设与运营管理的发展方向.海量的数据采集技术与分析计算科学的发展，辅以强大的计算能力，为人类“偷懒”提供了各种可能.例如，自动驾驶技术既可免除人们学车之苦与驾驶过程的辛劳，也可为老年人、残障人出行提供便捷途径，还可在一定程度上降低或消除交通运输系统运行中因涉及人的因素而引发的安全问题.自动驾驶技术可使未来私家车、出租车无需人工，从根本上改变人们出行的成本结构；智慧交通系统建设将使客货运输环境发生革命性变化.

不过，全智能化系统的普遍推广可能埋下人类自身“低能化”隐患.一方面，一旦系统或局部发生失灵，如停电、定位子系统瘫痪等，是否会有许多人因不会驾驶车辆而陷入无法出行的困境？另一方面，人工智能的核心就是通过让机器学习人类的知识与思维逻辑不断提高其功能与智能化水平，科技水平的发展将使越来越多的智能机器人取代人工作业，阿尔法狗的出现已经让大家领略了人工智能的力量.未来深度智能化的机器学习是否会导致人类对车辆等设备的失控或许不再是科学幻想层面的场景.这些问题值得人类警惕.

(4)运输需求更加个性化为定制交通提供发展空间.

近年的实践表明，未来的客货运输需求将向更加个性化的方向发展.客运的具体体现可能是多样化、快速化与分散化，而货运的特征可能是小型化与短距离化[21]，这将对运输效率与服务水平提出更高要求.一方面，这些特征在信息化背景下将因运输过程更加透明而更易受到客货用户诟病.就运输过程组织而言，运输商需要更多关注运输产品的细节及其运输过程的衔接效率.另一方面，客运分散化与货运距离的缩短将压缩运输业的利润空间，从而提高运输效率变得更重要了.

在上述背景下，个性化的定制交通成为重要发展方向.以客运为例，人们出行的时空特征更加复杂多变，而信息化支撑下对满足需求的服务水平要求却有增无减.货运方面，批量更小、更分散的运输业务需要过程更透明的运输服务，而短距离运输需求可能对供给的即时性要求更高.这些对交通运输供给产品设计提出了新挑战，并成为推动运输过程智能化、无人化或自动化的重要因素.未来科技作用下的运输系统变化如图2所示.

图2 未来科技作用下的运输系统变化Fig.2 Variations in transportation acted by future science and technology

4 我国“十四五”交通运输发展对策的建议

当前总体上已处于第四次工业革命的起点，科技发展及其累积效果对社会生产与生活的影响日益增大.从科技发展看，先进技术的集成化降低了技术保密难度；而人工智能与机器人的发展将进一步提升技术密集型产业的占比，发展中国家劳动密集型产业下低劳动力成本的“福利”空间被压缩.在多种因素作用下，未来就业问题可能超过劳动力成本问题成为国家治理的重要课题，制造业向发达国家回流的现象可能更加明显.“就近制造”将降低货物运输需求的规模与强度，更大范围的“居家办公”也将降低人们的出行率，从而导致客运需求下降.研究认识到这些现象及其后果并制定具体可操作的应对策略具有重要现实意义[11]，如图3所示.

图3 科技与新的发展环境视角下2020—2035年交通发展重点问题Fig.3 Transport emphasis of 2020-2035 impacted by science and technology

从图3可以看出，未来“十四五”乃至2035年间需要重点关注的主要课题有以下几个方面.

(1)顶层设计上，应根据不同区域社会与经济发展对运输的需求特点研究运输资源的科学配置问题.

与注重速度与数量的快速发展时期相比，大数据支撑下新时期的发展规划应当更精细，这当然需要更大的时间与经费投入.传统“轻规划、重建设”理念下的工作模式实际上已使我们付出了不少资源浪费与排放污染代价.改革开放几十年来交通运输业的快速发展取得了巨大成就，也为我们赢得了一些喘息之机，是时候全面、系统地思考一下我们的长远发展战略了.例如，未来客货运输需求的总走势将受到哪些科技因素、在何种程度上的作用？不同区域的交通运输系统发展目标是否需要更多地兼顾其社会、经济乃至地理环境的特点？作为一个幅员辽阔的大国，不同区域是否应该有差异化的交通服务水平目标？我国传统对外贸易中约2/3是依靠沿海港口实现的，未来对外贸易目的地的变化是否会对未来我国沿海港口功能定位和“中欧班列”发展带来影响？

(2)科技发展带来的变革效果亟需纳入各级发展战略与发展规划.

如前所述，科技进步给人类社会生产与生活的推动力愈来愈大，及时、准确地应对才会给我们带来“后来居上”的机遇.就交通运输相关行业而言，尽管我们总体上与发达国家还有差距，但我们在很多科技领域确实已位居世界前列，这些离不开我们过去几十年来快马加鞭、勇于探索的制度优势的支撑.不同地区应结合自身的资源、环境特征与社会经济发展需求，系统研究未来科技变革在客货运输需求、供需匹配机制、运输系统运行管理等方面产生的效果，制定适合各城市、各地区发展需求的交通运输长远发展战略、规划方案与实施路径.

例如，在“十四五”乃至2035年，哪些科技成果将在何种程度上影响到我国这一阶段的交通发展战略？如何评估它们对需求侧影响的具体效果？他们对供给侧的影响是否需要以及如何调整我国综合交通运输系统的结构？通过哪些政策工具才能实现上述调整？

(3)通过切实可行的措施促进客货运输服务水平提升.

改革开放40年来，我们的基础设施水平有了巨大改善，基本缓解了城市间的出行难问题；城市道路、高速公路、高速铁路、铁路客货分线、民航机场建设也为高质量运输服务奠定了一定的硬件基础.不过，关于交通运输服务水平的改善仍有较大空间，尤其是“软”管理方面.

首先，尽管关于“一体化”“综合运输”的提法已有很长时间，国家也在着力推进大部制改革，但在不同方式的紧密衔接和建立“以用户为本”的服务理念方面还有许多工作要做.其次，在基础设施建设方面，我们的枢纽越做越大，但旅客在枢纽内标志标识不清环境下的长距离步行并没有产生美好感受；高速铁路建设投资巨大，许多车站设施不亚于机场，但车站管理几乎还是沿袭传统铁路模式；如何设计并打造现代化的枢纽服务产品需要研究.第三，网购给很多人居家购物带来方便，但城市道路上快递车辆也制造了大量险象环生的事件，恶化了城市道路上人车出行体验；规范对这些新交通服务形式的管理十分必要.

在信息化环境下，打通不同方式、不同运营商之间的合作壁垒，推行公共交通出行“一票到家”“换乘优惠”等服务；建立更完善、更有效的出行服务、引导信息推送制度具有重要现实意义.

(4)研究新形势下部分既有交通运输设施延伸服务策略.

如前所述，科技发展与我国经济结构转型给交通运输行业带来的可能不再是运输需求规模的持续增长，而是服务质量提升的新要求，这将导致部分专业化基础设施的能力过剩.在这一形势下，如何优化既有设施的合理分工，通过少量更新改造来引导部分既有设施向更合理的功能过渡具有现实意义.

多数重大基础设施，如沿海港口的建设与运营商均属国有企业，与西方国际大企业相比，目前国内多数企业对发展战略的思考不足、重视不够，这可能导致在发展方向上出现偏差，最终将增加国家负担.结合2020—2035年市场需求变化，从中央层面开展系统研究，为下属行业、企业提供发展指导或参考，也许是一件有意义的事情.

(5)从政府层面研究部分新交通服务方式的发展引导与规范管理政策.

大数据技术的应用推动了诸多交通运输服务产品的研究与发展.可以预见，“十四五”及以后一段时间，有利于优化资源利用、降低客货运输成本、提高服务质量的共享、预约服务模式可能得到进一步发展.有必要预先对这些交通运输服务方式的发展与运行管理提出要求，引导它们科学、合理发展，更好地服务于国民经济与社会的发展.

例如，共享单车是一种有利于解决公共交通最后一公里出行问题的方式，与许多城市政府倡导的公共自行车功能基本相同.然而，由于未能解决共享单车停放的规范性问题，许多公众与多数小区对其持否定态度，影响了这种交通形式的发展.“十四五”到2035年，共享汽车、自动驾驶等可能比预期更早地进入我们的生活，这需要我们有充分的准备.

(6)研究制定推进城市群(跨城市)公共交通发展的政策与措施.

近年来，城市群已成为我国区域发展的一种重要增长模式.总体上看，不同城市群的运行环境不同，进展也不一样；城市群内的基础设施如何实现一体化的建设与管理是一个重要课题.

与一个城市中的交通问题不同，城市群的决策机制中涉及并行的多个城市主体，难以形成发展共识.从旅客运输角度看，跨城市线路通勤客流比例一般低于某一城市内部线路的通勤客流比例，总体客运强度也较低.这类线路中，票价率过高难以起到鼓励城市群同城化的效果，而要兼顾通勤客流、维系较低票价率则难以盈利，这需要建立对这类线路跨城市的城市群补贴机制.因此，研究建立科学合理的城市群公共交通运行补贴机制对于从交通角度促进城市群发展具有重要现实意义.

以城际铁路为例，2019年底我国开通运营的城际铁路线路近30条，运营里程超过5 000 km.这些线路采用了较城市轨道交通更高的技术标准，但由于城市群联动发展机制的缺失，加上线路功能定位不清晰，普遍存在需求不足、运营亏损问题，如何发挥它们在城市群综合交通运输体系中的作用是亟待解决的问题.