國(guó)際觀(guān)察|解讀《自然》刊登文章：《模型發(fā)展宣言》
引言
受新冠肺炎疫情影響，模型在預(yù)測(cè)疫情走勢(shì)，支撐政策制定等方面發(fā)揮舉足輕重作用，模型開(kāi)發(fā)的社會(huì)責(zé)任進(jìn)一步凸顯。為此，《自然》隆重推出基于數(shù)學(xué)建模的宣言，特地刊登了一篇名為《確保模型為社會(huì)服務(wù)的五個(gè)原則宣言》文章，向全球發(fā)布基于模型發(fā)展和應(yīng)用的最佳實(shí)踐方法。深圳市城市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究中心（簡(jiǎn)稱(chēng)“深圳交通中心”）特對(duì)文章進(jìn)行了解讀與轉(zhuǎn)載，文章對(duì)引導(dǎo)交通模型師、數(shù)據(jù)分析師乃至交通規(guī)劃師成為合格、負(fù)責(zé)的社會(huì)服務(wù)型人才具有一定參考價(jià)值。
《自然》除了刊登傳統(tǒng)的研究型文章以外，還提供了包括“書(shū)籍與藝術(shù)”、“新聞與觀(guān)點(diǎn)”、“技術(shù)特色”、“評(píng)論”等板塊內(nèi)容，多以“約稿”的形式刊登，本篇文章則發(fā)表在《自然》“評(píng)論”板塊。該板塊文章一般是關(guān)于議程設(shè)置，權(quán)威且具有挑戰(zhàn)性的專(zhuān)家文章，呼吁國(guó)際社會(huì)就有關(guān)科學(xué)研究及其政治、倫理和社會(huì)影響的熱點(diǎn)問(wèn)題采取行動(dòng)。目的是解決全球性的重要問(wèn)題，制定路線(xiàn)圖。
一、為了保證模型客觀(guān)透明，有必要建立一套社會(huì)規(guī)范
COVID-19流行病充分說(shuō)明了非常態(tài)下，當(dāng)緊迫性、風(fēng)險(xiǎn)、價(jià)值和不確定性問(wèn)題相互沖突時(shí)，科學(xué)的運(yùn)作將如何發(fā)生變化。在新冠狀病毒大流行之前，統(tǒng)計(jì)學(xué)家正在辯論如何預(yù)防諸如黑客攻擊之類(lèi)的不當(dāng)行為，尤其是這些行為已經(jīng)嚴(yán)重影響到政策制定。如今，計(jì)算機(jī)建模備受矚目，政客們宣稱(chēng)基于“科學(xué)”提出政策，利用一些數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)感染、住院及死亡人數(shù)等。然而，殘酷的現(xiàn)實(shí)是人類(lèi)對(duì)COVID-19的感染傳播，季節(jié)性以及免疫的了解甚少，更不用說(shuō)理解在復(fù)雜社會(huì)中各種干預(yù)措施的作用影響了。
為了確保模型不會(huì)成為政治原因的附屬品，防止將預(yù)測(cè)結(jié)果作為支撐預(yù)定議程的政治工具，模型師、決策者和公民們都需要建立新的社會(huì)規(guī)范。《自然》于2020年6月25日隆重推出基于數(shù)學(xué)建模的宣言，向全球推薦關(guān)于模型發(fā)展和應(yīng)用的五個(gè)基本原則，確保模型質(zhì)量為歷史和社會(huì)負(fù)責(zé)：不允許建模者提供超出其模型確定性以外的結(jié)論，而且絕不允許政客們將其過(guò)失歸咎到他們選擇的模型上。
二、模型發(fā)展應(yīng)遵循的五個(gè)原則
數(shù)學(xué)模型如果使用得當(dāng)，可以很好地服務(wù)于社會(huì)。天氣預(yù)報(bào)中使用的計(jì)算機(jī)模型就是最好的一個(gè)例證，它基于對(duì)現(xiàn)實(shí)中數(shù)百萬(wàn)個(gè)預(yù)測(cè)進(jìn)行測(cè)試而百煉成鋼，貢獻(xiàn)著巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展效益。盡管如此，天氣預(yù)報(bào)結(jié)果還是存在很多不確定性，我們大家都清楚并能理性對(duì)待。
《自然》宣言是為數(shù)學(xué)建模推出的最佳實(shí)踐的宣言，提供了確保模型應(yīng)用于政策的最佳方法。五個(gè)簡(jiǎn)單原則的發(fā)表將幫助社會(huì)從建模中獲取其真正所需的質(zhì)量和價(jià)值。
1.Mind the assumptions：重視模型前提假設(shè)
模型的輸入通?；谄渌麑?shí)踐，而忽略了前提假設(shè)。這些前提假設(shè)在一些情景下適用，而在其他情景不適用，比如適用于民用核風(fēng)險(xiǎn)的模型可能無(wú)法充分評(píng)估地震風(fēng)險(xiǎn)?；诓缓侠砑僭O(shè)前提的輸入會(huì)導(dǎo)致模型出現(xiàn)結(jié)果錯(cuò)誤，而且通常模型預(yù)測(cè)中的不確定性遠(yuǎn)大于最初確定的不確定性。解決這些問(wèn)題的一種方法是執(zhí)行全局不確定性和敏感性分析。模型師在建模時(shí)必須對(duì)這些全局不確定性和敏感性進(jìn)行分析，并且充分描述模型結(jié)果并使其可查，因?yàn)樗胁淮_定因素（變量，數(shù)學(xué)關(guān)系和邊界條件等）都會(huì)影響模型的預(yù)測(cè)結(jié)果。
總之，防止模型隱藏其假設(shè)（包括政治傾向）的最好方法是制定一套社會(huì)規(guī)范。
2.Mind the hubris：避免盲目追求模型復(fù)雜度
大多數(shù)模型師都知道，需要在模型的有效性和它試圖捕捉的廣度之間要進(jìn)行權(quán)衡。但是，一些研究者被“模型越復(fù)雜越好”的想法所吸引，復(fù)雜性本身常常被視為目的。模型參數(shù)的增加導(dǎo)致不確定性的增加（不確定性級(jí)聯(lián)效應(yīng)），誤差的累積甚至?xí)l(fā)展到模型結(jié)果完全無(wú)法使用的程度。如果災(zāi)難性的預(yù)測(cè)是錯(cuò)誤的，模型師和應(yīng)用者是應(yīng)追究其責(zé)任的。
模型并非越復(fù)雜越好，過(guò)于復(fù)雜的模型則毫無(wú)意義。在艾滋病毒感染的情況下，相關(guān)研究表明，基于性行為頻率的一種更簡(jiǎn)單的針對(duì)濫交的模型比更復(fù)雜的模型更為可靠。一個(gè)極端復(fù)雜的案例是美國(guó)能源部使用的一種模型，用于評(píng)估在尤卡山處置庫(kù)處置放射性廢物的風(fēng)險(xiǎn)。它被稱(chēng)為總體系統(tǒng)性能評(píng)估，包括286個(gè)子模型以及數(shù)千個(gè)參數(shù)，監(jiān)管機(jī)構(gòu)要求它預(yù)測(cè)“一百萬(wàn)年”的安全性。然而，一個(gè)關(guān)鍵變量（水滲透到地下儲(chǔ)藏層所需的時(shí)間）的不確定性達(dá)到了三個(gè)數(shù)量級(jí)，它使得這個(gè)極度復(fù)雜的放射模型變得毫無(wú)意義。
因此，模型的發(fā)展不可一味追求其復(fù)雜度，應(yīng)尋求復(fù)雜度與有效性間的有誤差的最佳平衡。
3.Mind the framing：明確模型的系統(tǒng)框架
模型的結(jié)果將至少部分反映開(kāi)發(fā)人員的興趣，學(xué)科方向和偏見(jiàn)。沒(méi)有任何一種模型可以滿(mǎn)足所有目的。模型師都知道選擇不同的模型工具會(huì)影響預(yù)測(cè)結(jié)果，所以每個(gè)模型不可能是中立的。因此，需要一套公開(kāi)透明的共同承諾，模型師不可隱瞞構(gòu)建每個(gè)模型的構(gòu)建初衷。承諾應(yīng)涵蓋如何搭建模型，公開(kāi)模型參數(shù)的內(nèi)在邏輯，評(píng)估模型的不確定性以及輸出結(jié)果。目前國(guó)際社會(huì)已針對(duì)多個(gè)學(xué)科制定了規(guī)范方針，要求流程要考慮利益相關(guān)者，容納多種觀(guān)點(diǎn)并促進(jìn)透明度，以及敏感性和不確定性的分析。每當(dāng)有新的利益相關(guān)者將模型用于新的領(lǐng)域時(shí)，都必須重新進(jìn)行校驗(yàn)和驗(yàn)證。
當(dāng)模型不再是黑匣子時(shí)，使用它的人必須做出反應(yīng)以評(píng)估各個(gè)參數(shù)及其之間的關(guān)系。這樣就可以傳達(dá)不同的框架和假設(shè)如何映射到不同的推論，而不僅僅是從過(guò)于復(fù)雜的模型中獲得一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字。
4.Mind the consequences：正確理解模型結(jié)果
過(guò)于看重量化可能會(huì)產(chǎn)生適得其反的結(jié)果，對(duì)數(shù)字的極度關(guān)注甚至?xí)岩婚T(mén)學(xué)科從基本正確推向完全錯(cuò)誤。不加選擇地使用統(tǒng)計(jì)測(cè)試方法可以顛覆合理的判斷。例如，通過(guò)幫助高風(fēng)險(xiǎn)的金融產(chǎn)品看起來(lái)安全，模型在2007-2008年度促成了全球經(jīng)濟(jì)脫軌。一旦片面關(guān)注于模型結(jié)果，其他可能的解釋和評(píng)估便會(huì)從視野中消失。當(dāng)其他選擇被邊緣化時(shí)，可能會(huì)引起模型師的自滿(mǎn)與政治化。就像COVID-19的建模預(yù)測(cè)，重癥監(jiān)護(hù)病床的可用性，經(jīng)濟(jì)、就業(yè)和公民自由等等問(wèn)題都在發(fā)揮作用，盡管這些無(wú)法簡(jiǎn)單的量化并被輸入到模型中。
虛假的精準(zhǔn)度會(huì)誘發(fā)錯(cuò)誤的判斷，盡管模型師的思考實(shí)驗(yàn)很重要，但現(xiàn)實(shí)中必須正確理解模型結(jié)果。模型的不透明會(huì)損害結(jié)果的公信力，而量化社會(huì)學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵即確保社會(huì)對(duì)模型數(shù)字的信任。
5.Mind the unknowns：承認(rèn)“無(wú)知”是一種美德
在西方哲學(xué)史上的大多數(shù)時(shí)間里，無(wú)知的自我意識(shí)被認(rèn)為是一種美德，庫(kù)薩的哲學(xué)家尼古拉斯（Nicholas）稱(chēng)其為博學(xué)的“無(wú)知”。即使在今天，討論不確定的與交流已知的同樣重要。
不承認(rèn)“無(wú)知”會(huì)人為地限制政策選擇，并會(huì)導(dǎo)致意外結(jié)果的發(fā)生。例如當(dāng)主管經(jīng)濟(jì)學(xué)家承認(rèn)他們的模型無(wú)法預(yù)測(cè)最后一次經(jīng)濟(jì)衰退時(shí)，責(zé)任將降臨到政府官員頭上。忽略模型不確定性可能會(huì)給政客提供放棄問(wèn)責(zé)的機(jī)會(huì)。針對(duì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，模型師應(yīng)該有勇氣回答“您的問(wèn)題沒(méi)有數(shù)字答案”，就像美國(guó)政府的流行病學(xué)家安東尼·福西在受到政客調(diào)查時(shí)所做的那樣。承認(rèn)“無(wú)知”是一種美德，也是人類(lèi)對(duì)自然的敬畏。
三、模型挖掘問(wèn)題比回答問(wèn)題更重要
數(shù)學(xué)模型是人類(lèi)探索未知而廣泛應(yīng)用的一種好方法，但它們同時(shí)也是導(dǎo)致錯(cuò)誤結(jié)論的一種危險(xiǎn)方式。因此，模型的假設(shè)前提和局限性必須公開(kāi)，模型的開(kāi)發(fā)應(yīng)用必須誠(chéng)實(shí)地評(píng)估，尤其是模型的不確定性。透明的模型構(gòu)建過(guò)程和職業(yè)道德與知識(shí)能力同樣重要。好的模型建設(shè)不能僅由建模人員來(lái)完成，因?yàn)檫@是一項(xiàng)社會(huì)活動(dòng)，需要其它人員的參與和反饋。我們呼吁的不是結(jié)束量化、非政治性的模型發(fā)展，而是要求模型全面而坦率的公開(kāi)。嚴(yán)格遵循上述五原則有助于將數(shù)學(xué)模型作為有價(jià)值的利用工具，幫助我們實(shí)現(xiàn)模型發(fā)展的總體目標(biāo)。忽略這些原則而不能充分認(rèn)識(shí)其優(yōu)勢(shì)和局限性，模型預(yù)測(cè)就成為了特洛伊木馬，也徹底失去了其應(yīng)用效益和社會(huì)價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1] Saltelli A , Bammer G , Bruno I , et al. Five ways to ensure that models serve society: a manifesto[J]. Nature, 2020, 582(7813):482-484.