城市交通流研究的現(xiàn)狀與趨勢(shì)課件

城市交通流研究的現(xiàn)狀與趨勢(shì)（2004年6月16日，武漢）國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)管理科學(xué)部交通流是交通需求的實(shí)現(xiàn)結(jié)果，是交通需求在有限的時(shí)間與空間上的聚集現(xiàn)象。由于涉及人、車、路三者之間的相互關(guān)系，交通流的形成過程非常復(fù)雜。研究方法論和目的：綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、力學(xué)、行為科學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、交通工程和信息科學(xué)等知識(shí)，用模型刻畫人的出行決策、車輛跟馳和網(wǎng)絡(luò)分布，揭示與預(yù)測(cè)城市交通流的自組織演變規(guī)律與擁堵突現(xiàn)軌跡。為正確誘導(dǎo)和管理交通流、優(yōu)化交通系統(tǒng)資源使用、科學(xué)規(guī)劃交通網(wǎng)絡(luò)打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。微觀流動(dòng)特性：司機(jī)的駕駛行為（以動(dòng)量方程描述的加減速反應(yīng)），揭示速度、密度和流量三個(gè)參數(shù)之間的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)關(guān)系，再現(xiàn)各種交通擁堵現(xiàn)象的發(fā)生過程：比如，因擾動(dòng)（并線、換線、拋錨、追尾）產(chǎn)生的擁堵的形成與消散過程，因不合理信號(hào)控制產(chǎn)生的路口擁擠，因基建施工和臨時(shí)社會(huì)活動(dòng)產(chǎn)生的擁擠，還有因非線性、奇怪吸引子產(chǎn)生的擁擠“幽靈”，等等。宏觀分布規(guī)律：交通需求在網(wǎng)絡(luò)上的實(shí)現(xiàn)過程，出行者是如何決定出發(fā)時(shí)間的、如何選擇路徑的、最后導(dǎo)致怎樣的路段流量分布。將巨大的微觀離散個(gè)人決策結(jié)果轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)宏觀聚集現(xiàn)象，即從微觀擁堵到宏觀擁擠的轉(zhuǎn)變過程。研究難度：自適應(yīng)、動(dòng)態(tài)、反饋、多行為主體、非線性是交通流的基本特征，積累效應(yīng)、奇怪吸引性、開放性進(jìn)一步加深了交通流問題的復(fù)雜程度。不僅使交通科學(xué)家絞盡腦汁，也引起數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和經(jīng)濟(jì)學(xué)家的關(guān)注，美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，交通流問題絲毫不比他們研究的現(xiàn)代物理學(xué)問題簡(jiǎn)單。交通科學(xué)家、數(shù)學(xué)家和經(jīng)濟(jì)學(xué)家關(guān)于交通流、特別是網(wǎng)絡(luò)宏觀交通流分布研究的論文則主要發(fā)表在著名刊物：TransportationResearch-B、TransportationScience上，如，Herman（美國(guó)科學(xué)院院士）、Allsop（英國(guó)皇家工程院院士）、Newell（美國(guó)科學(xué)院院士）、Vickrey（諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)獲得者，提出了著名的交通瓶頸排隊(duì)模型）、Arnott（美國(guó)著名經(jīng)濟(jì)學(xué)家）等。研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)：

（I）道路交通流研究的目標(biāo)：建立能夠描述實(shí)際交通一般特性的交通流模型，加深人們對(duì)復(fù)雜多體系統(tǒng)平衡態(tài)和遠(yuǎn)離平衡態(tài)時(shí)演變規(guī)律的認(rèn)識(shí)，指導(dǎo)規(guī)劃設(shè)計(jì)、管理和控制。對(duì)道路交通流的研究可以促進(jìn)統(tǒng)計(jì)物理、流體力學(xué)、非線性動(dòng)力學(xué)、行為科學(xué)和交通工程學(xué)等多學(xué)科的交叉、滲透和相互發(fā)展。道路交通流模型的研究正在迅速發(fā)展，取得了不少成果，但還遠(yuǎn)未達(dá)到可以準(zhǔn)確描述和模擬交通過程的目標(biāo)，一些交通擁堵的形成機(jī)理還沒有被完全認(rèn)識(shí)清楚。道路交通流模型研究方法：微觀和宏觀

微觀方法處理車輛相互作用下的個(gè)體行為，包括跟馳模型和元胞自動(dòng)機(jī)模型（或粒子跳躍模型）。車輛跟馳理論模擬道路上前后車跟隨的單車運(yùn)動(dòng)規(guī)律，假定駕駛員只對(duì)前方車輛的變化做出反應(yīng)，主要參數(shù)是本車速度、與前車的距離和兩車的速度差，最基本的跟馳模型是Gazis、Herman和Rothery于1961年給出的，是本領(lǐng)域的奠基文獻(xiàn)，1995年Bando等人提出了速度優(yōu)化模型。最簡(jiǎn)單的元胞自動(dòng)機(jī)交通流模型是Wolfram于1983提出的，Nagel和Schreckenberg極大地改進(jìn)了這個(gè)模型，提出了著名的NS模型。Payne在1971年從車輛跟馳模型出發(fā)，得到一個(gè)描述加減速的動(dòng)量方程，該方程與連續(xù)方程一起構(gòu)成著名的高階連續(xù)模型，可以用來(lái)研究交通流的許多非線性傳播特性。隨后，學(xué)者們改進(jìn)了動(dòng)量方程，包括Ross（1988）、Michaloupolos（1993）、Zhang（1998）等。Kerner（1993）在動(dòng)量方程里加入粘性項(xiàng)，導(dǎo)出二階動(dòng)量方程，可以考慮交通流中的串現(xiàn)象。但二階方程有時(shí)會(huì)出現(xiàn)后車影響前車的不合理行為，Daganzo等人對(duì)此進(jìn)行了批評(píng)。除了微觀與宏觀方法外，還有一種介于中間的、基于概率描述的氣動(dòng)理論模型（gas-kinetic-basedmodel），但由于模型中的未知參數(shù)太多，使用起來(lái)過于復(fù)雜，發(fā)展相對(duì)較慢。下面談我國(guó)內(nèi)地學(xué)者的研究。1990年代前，清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、東南大學(xué)等單位的學(xué)者作了一定的工作，側(cè)重探討經(jīng)典的概率論和跟馳模型。此后，物理學(xué)界、部分力學(xué)界、數(shù)學(xué)界和系統(tǒng)科學(xué)界的學(xué)者，加入研究隊(duì)伍。如戴世強(qiáng)、汪秉宏、吳清松、顧國(guó)慶、吳正、劉慕仁、姜銳等，他們?cè)谌俣溶囕v跟馳模型、速度效應(yīng)元胞自動(dòng)機(jī)模型和速度梯度連續(xù)模型等方面的工作，解決了一些國(guó)外模型存在的問題。姜銳和吳清松等人（2002）提出的速度梯度高階連續(xù)模型，既可以得到交通流的非線性傳播特性，又能夠分析車流的小擾動(dòng)失穩(wěn)、幽靈塞車、時(shí)走時(shí)停和相變特性，還不會(huì)出現(xiàn)后車影響前車的不合理行為，這篇理論性論文發(fā)表在著名刊物TransportationResearchB上，是我國(guó)內(nèi)地道路交通流研究成果第一次發(fā)表在該刊物上。國(guó)內(nèi)學(xué)者在元胞自動(dòng)機(jī)模型方面的研究成果主要發(fā)表在國(guó)際物理類刊物上。我們用Jiang&Wu的動(dòng)量方程研究

兩車道交通流問題：xtttxxx慢車道t慢車道快車道快車道小擾動(dòng)的穩(wěn)定性：結(jié)論：(II)網(wǎng)絡(luò)交通流，從道路交通流發(fā)展而來(lái)，更具挑戰(zhàn)性，更具現(xiàn)實(shí)意義。

城市交通網(wǎng)絡(luò)是由節(jié)點(diǎn)通過有限長(zhǎng)度的道路連接而成的，它是一個(gè)復(fù)雜、開放、自適應(yīng)和具有突變特征的系統(tǒng)，具體某條道路上的交通流具有前面介紹的小世界特征，而整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的特性卻不等于小世界的簡(jiǎn)單之和。

科學(xué)家廣泛使用隨機(jī)效用理論對(duì)交通方式選擇、出發(fā)時(shí)間決策、出行目的地選擇和路徑選擇進(jìn)行了大量的研究，提出了：logit模型、nested-logit模型概率模型（McFadden,Benakiva,VanZuylen,Daganzo,Fisk,Dial,Sheffi等）。另一個(gè)著名的關(guān)于路徑選擇的理論就是用戶均衡理論，由Wardrop提出、Beckmann等人進(jìn)行數(shù)學(xué)化、Smith證明數(shù)學(xué)上的存在性和唯一性。它研究交通分配問題，即把交通需求分析階段得到的出發(fā)地—目的地需求矩陣（OD陣），按照一定的路徑選擇原則分配到交通網(wǎng)絡(luò)的路段上，得到路徑流和路段流。為體現(xiàn)擁擠效應(yīng)，車輛在路段上的行駛時(shí)間或阻抗是路段交通流量的升函數(shù)。在大量的個(gè)體最優(yōu)決策和長(zhǎng)時(shí)間行為調(diào)整后，同一OD對(duì)之間所有被使用的路徑的時(shí)間是相等的，并不大于任何未被使用路徑的時(shí)間，這種流量分布狀態(tài)就是用戶均衡態(tài)，在這種狀態(tài)下，沒有人能夠通過單方面改變自己的路徑來(lái)達(dá)到降低自己時(shí)間的目的?？梢杂玫葍r(jià)的數(shù)學(xué)規(guī)劃或變分不等式構(gòu)造描述用戶均衡態(tài)的數(shù)學(xué)模型。靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)交通流模型研究車輛交通行為的長(zhǎng)期穩(wěn)態(tài)結(jié)果，但交通流顯然具有時(shí)變特征。動(dòng)態(tài)交通分配模型就是解決這個(gè)問題的，但由于問題的極其復(fù)雜性，目前的研究主要還是在理論探討上，但這方面的突破是發(fā)展智能交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以具有非常重要的意義。Merchant和Nemhauser在這方面做了開創(chuàng)性的工作，他們發(fā)展出一個(gè)多起點(diǎn)、單訖點(diǎn)的動(dòng)態(tài)、非線性、非凸的數(shù)學(xué)規(guī)劃模型；Friesz和Wie等人用連續(xù)最優(yōu)控制理論建立模型，Ran和Boyce也使用最優(yōu)控制理論、但把模型推廣至隨機(jī)交通分配情形；Carey、Heydeck、Smith、Huang所做的動(dòng)態(tài)交通分配模型基本上是基于數(shù)學(xué)規(guī)劃理論之上的（數(shù)學(xué)規(guī)劃、變分不等式、互補(bǔ)問題和固定點(diǎn)問題，本質(zhì)上是一致的，這些工具近年在動(dòng)態(tài)交通分配模型上得到大量應(yīng)用）；Daganzo、Lo則使用元胞機(jī)方法描述車輛在路段上的動(dòng)態(tài)移動(dòng)，但路徑這類宏觀選擇則依動(dòng)態(tài)均衡原理進(jìn)行。我國(guó)內(nèi)地在網(wǎng)絡(luò)交通流方面的研究：始于1980年代，這個(gè)領(lǐng)域涉及的學(xué)科知識(shí)面比較廣（交通行為、微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)、圖論、最優(yōu)化等），消化吸收國(guó)外成果的速度比較慢。靜態(tài)交通分配模型與算法被王煒等人引入他們成功開發(fā)的城市交通規(guī)劃軟件中。黃海軍、高自友、張寧、周晶等人在城市交通網(wǎng)絡(luò)流方面做出一批國(guó)際先進(jìn)水平的成果，1992年以來(lái)在著名刊物TransportationResearch-B上發(fā)表了16篇論文，有的論文被大量引用。所研究問提包括：多車種交通分布與交通分配的組合模型，動(dòng)態(tài)交通分配模型，瓶頸排隊(duì)模型，logit隨機(jī)均衡分配模型，OD陣估計(jì)，公交車流分配模型，擁擠交通流收費(fèi)模型，以及這些模型的求解算法?？偟恼f(shuō)，跟蹤多、創(chuàng)新少，做出有國(guó)際影響的更少，還需要加倍努。發(fā)展趨勢(shì)：未來(lái)的發(fā)展方向是兩種交通流模型相互靠近，道路交通流模型要進(jìn)一步放寬假設(shè)條件，考慮多車種混合交通流、路面條件和信號(hào)控制的影響，網(wǎng)絡(luò)交通流模型中的路段阻抗函數(shù)要朝動(dòng)態(tài)化、考慮密度變化方向發(fā)展，在兩種模型融為一體以后，要研究有效的求解算法，因而對(duì)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存與計(jì)算速度提出了更高的要求。道路交通流部分：結(jié)合我國(guó)城市交通的特點(diǎn)（平面、混合、低速），研究新的道路交通流模型，闡明道路交通擁堵形成的原因和過程，探尋疏解擁堵的措施和方法。通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析，確定新的道路交通流模型中的各種參數(shù)。研究并線和交叉口等場(chǎng)所的交通流，考慮超車因素。重點(diǎn)研究瓶頸交通流模型，由于在平面交叉路口處，機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車、行人之間相互影響明顯，出行者的心態(tài)千差萬(wàn)別，穩(wěn)定均勻的自由車流到達(dá)瓶頸處就常常變得無(wú)序混亂，這使得建模工作異常復(fù)雜。交通流系統(tǒng)是一個(gè)典型的遠(yuǎn)離平衡態(tài)的自驅(qū)動(dòng)多粒子復(fù)雜巨系統(tǒng)，其中車流的演化是一個(gè)復(fù)雜的非線性動(dòng)力學(xué)過程，目前對(duì)許多現(xiàn)象還沒有統(tǒng)一的理論解釋。網(wǎng)絡(luò)交通流部分：研究車輛出發(fā)時(shí)間和路徑選擇的規(guī)律，分析網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)交通流時(shí)空分布的影響。建立不同環(huán)境下的新型路段阻抗函數(shù)，在網(wǎng)絡(luò)意義下定量描述擁擠，用數(shù)值方法模擬網(wǎng)絡(luò)交通流的自組織演變和擁擠突現(xiàn)現(xiàn)象。立足國(guó)際前沿，在靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型、隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型、動(dòng)態(tài)交通分配模型以及算法方面，做出創(chuàng)新性成果。城市交通網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)和路段數(shù)量，成百、上千甚至數(shù)萬(wàn)，網(wǎng)絡(luò)模型的變量數(shù)非常巨大，充分利用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，發(fā)展有效的模型求解算法，也是一個(gè)非常關(guān)鍵的科學(xué)問題。研究道路交通流與網(wǎng)絡(luò)交通流的結(jié)合部，提出一體化模型，設(shè)計(jì)高效的并行算法。模擬方法與解析方法大有效結(jié)合，打通“結(jié)合部”。

國(guó)際交通科學(xué)期刊的影響因子資料來(lái)源：SCI的2002年版—ScienceJournalCitationReportSCI部分：

AbbreviatedJournalTitle TotalCitesImpactFactor1 IEEETVEHTECHNOL 3149 1.2202 TRANSPORTRESB-METH 1098 1.0503 TRANSPORTRESA-POL 604 0.8684 TRANSPORTSCI 1077 0.8145 TRANSPORTATION 319 0.7576 TRANSPORTRESE-LOG 63 0.5687 TRANSPORTRESC-EMER 278 0.4788 INTJVEHICLEDES 251 0.4329 JTRANSPENG-ASCE 445 0.38010 PIMECHENGD-JAUT 155 0.22411 PIMECHENGF-JRAI 60 0.20812 JSAEREV 94 0.15713 TRANSPORTRESREC 2899 0.13914 TRANSPORTPLANTECHN 39 0.12015 JADVTRANSPORT 94 0.09116 PICIVILENG-TRANSP 20 0.06217 ITEJ 152 0.04418 HEAVYVEHSYST 4 0.02819 ITSJ 44 0.000

SSCI部分：AbbreviatedJournalTitle TotalCites ImpactFactor1 TRANSPORTRESB-METH 1098 1.0502 TRANSPORTRESA-POL 604 0.8683 ACCIDENTANALPREV 1333 0.8204 TRANSPORTSCI 1077 0.8145 TRANSPORTRESD-TRE 147 0.6046 TRANSPORTRESE-LOG 63 0.5687 JTRANSPECONPOLICY 387 0.4258 TRANSPORTQ 116 0.3829 TRANSPORTREV 105 0.29510 JSAFETYRES 258 0.28811 TRANSPORTJ 88 0.054兩個(gè)著名的交通流與行為會(huì)議：ISTTT：The16thInternationalSymposiumonTransportationandTrafficTheory(ISTTT)willbeheldattheUniversityofMaryland,CollegeParkinMaryland,USAfromJuly19–21,2005.TheIST