交通流理論發(fā)展分析俞潔

交通流理論發(fā)展分析_俞潔交通流理論發(fā)展分析俞潔,楊成斌(合肥工業(yè)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,安徽合肥230009)摘要:交通流理論是一門發(fā)展中的學(xué)科,對(duì)傳統(tǒng)交通流理論研究內(nèi)容作了歸納總結(jié),認(rèn)為其模型的限制條件比較苛刻,因而影響了實(shí)際應(yīng)用效果。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)方法的日趨完善,新的研究方法逐漸被應(yīng)用于現(xiàn)代交通流理論中,其在應(yīng)用中更重視模型和方法對(duì)真實(shí)交通流的擬合效果。通過全面的分析和綜述,最后預(yù)測了交通流理論的發(fā)展方向,認(rèn)為應(yīng)該以系統(tǒng)科學(xué)的新方法去推動(dòng)交通流理論的新發(fā)展。關(guān)鍵詞:交通流;模型;系統(tǒng);擬合中圖分類號(hào):U491.112;U491.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1003-5060(2004)02-0163-05AgeneralreviewofthetrafficflowtheoryYUJie,YANGCheng-bin(SchoolofCivilEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)Abstract:Theliteratureconcerningthetraditionaltrafficflowtheoryissummarizedanditisconsid-eredthatthepracticaleffectsofthetheoryareinfluencedbythesternlimitationofthemodels.Thetrafficflowtheoryisadevelopingsubject.Withthedevelopmentofmodernscienceandtechnology,somenewmethodsareappliedinthemoderntrafficflowtheory,andthesimulationeffectsoftherealtrafficflowbythemodelsareemphasized.Itispredictedthatthenewdevelopmentofthetrafficflowtheoryshouldbepromotedbythesystematicmethod.Keywords:trafficflow;model;system;simulation0引言交通流理論是運(yùn)用物理和數(shù)學(xué)的定律來描述交通特性的一門邊緣學(xué)科。它的應(yīng)用能更好地解析交通現(xiàn)象及其本質(zhì),使道路發(fā)揮最大功效。作為交通工程學(xué)的基礎(chǔ)理論,多年來交通流理論廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸工程的許多研究領(lǐng)域,如交通規(guī)劃、交通控制、道路與交通工程設(shè)施設(shè)計(jì)等方面。交通運(yùn)輸系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng),隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展及城市之間社會(huì)交往與經(jīng)濟(jì)貿(mào)易日漸頻繁,交通難已成為困擾大中城市發(fā)展的普遍問題。因此亟待發(fā)展有效的交通流理論來指導(dǎo)這一問題的解決。近年來,由于電子通信、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)等迅猛發(fā)展,使得智能運(yùn)輸系統(tǒng)(ITS)和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸研究領(lǐng)域,從而交通流理論涉及的范圍和內(nèi)容也隨之不斷發(fā)展和變化。基于此,本文對(duì)傳統(tǒng)理論作了扼要總結(jié),并結(jié)合當(dāng)前發(fā)展進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)述,研究其理論內(nèi)容、方法體系的變化規(guī)律和發(fā)展趨勢,為交通流理論的進(jìn)一步發(fā)展提出參考意見。1交通流理論沿革交通流理論[1]始于20世紀(jì)30年代,隨著概率論以及交通流量和車速的第一批模型應(yīng)用,文獻(xiàn)[2,3]分別論述了Possion分布應(yīng)用于交通的可能性并提供了數(shù)值例題。20世紀(jì)50年代,隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展和汽車的逐漸普及,交通量、交通事故和交通阻塞驟增,交通流中各車的獨(dú)立性越來越小,交通現(xiàn)象的隨機(jī)性變?nèi)?原有的概率論方法顯然已不適用,迫使理論研究者尋找新的模型。于是,相繼出現(xiàn)了車輛跟馳理論、流體動(dòng)力學(xué)模擬理論和車輛排隊(duì)理論。1959年12月在美國密執(zhí)安州底特律市舉行了首屆國際交通流理論學(xué)術(shù)研討會(huì),成為較系統(tǒng)的現(xiàn)代交通流理論誕生重要標(biāo)志。從此,交通流理論的研究進(jìn)入了一個(gè)迅速發(fā)展時(shí)期。文獻(xiàn)[4]全面系統(tǒng)地闡述了交通流理論的內(nèi)容及其發(fā)展。2傳統(tǒng)交通流理論研究內(nèi)容2.1交通流統(tǒng)計(jì)分布特性在設(shè)計(jì)新的交通設(shè)施或確定新的交通管理方案時(shí),需要預(yù)測交通流的某些具體特性[5]。交通的到達(dá)在某種程度上具有隨機(jī)性,描述它可采用概率論中的離散型分布(描述可數(shù)事件的出現(xiàn)率)以及連續(xù)性分布(描述事件間時(shí)間間隙的出現(xiàn)率)。在一定時(shí)間間隔內(nèi)到達(dá)的車輛數(shù)或在一定路段上分布的車輛數(shù)是隨機(jī)變數(shù),描述這類隨機(jī)變數(shù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律用的是離散型分布。如泊松分布(適用于車輛密度不大,車輛間相互影響甚微的隨機(jī)車流)、二項(xiàng)分布(適用于車輛比較擁擠,自由行駛機(jī)會(huì)不多的車流)及負(fù)二項(xiàng)分布(適用于到達(dá)量波動(dòng)大的車流)等。在同一條車道上的車流,前后兩車的車頭間距或時(shí)間間隔的概率分布通常服從連續(xù)性分布。如負(fù)指數(shù)分布(用于描述有充分超車機(jī)會(huì)的單列車流和密度不大的多列車流的車頭時(shí)距分布,常與計(jì)數(shù)的泊松分布相對(duì)應(yīng))、移位負(fù)指數(shù)分布(用于描述不能超車的單列車流的車頭時(shí)距分布和車流量低的車流的車頭時(shí)距分布)以及通用連續(xù)型分布(愛爾朗分布、皮爾遜Ⅲ型分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布、復(fù)合指數(shù)分布和韋布爾分布等)。2.2車輛跟馳理論交通流車輛跟馳理論[6,7]是運(yùn)用動(dòng)力學(xué)方法,將交通流處理為分散的粒子組成,從微觀角度探究在無法超車的單一車道上車輛列隊(duì)行駛時(shí),后車跟隨前車的行駛狀態(tài),并用數(shù)學(xué)模式表達(dá)而加以分析闡明的一種理論。此理論只研究非自由行駛狀態(tài)下車隊(duì)的特性,具有制約性、延遲性和傳遞性等特點(diǎn)。所以新的模型,文獻(xiàn)[20]提出了基于可變跟馳時(shí)間和隨機(jī)因素的車輛跟馳模型。跟馳模型作為ITS模擬論證與實(shí)際運(yùn)營的基礎(chǔ)理論,再次成為研究熱點(diǎn),其研究呈現(xiàn)出內(nèi)容的細(xì)致化、深入化,手段和方法的多樣化以及應(yīng)用的專門化。3.2交通流宏觀模型與微觀模型的統(tǒng)一傳統(tǒng)理論中,車輛跟馳理論(微觀模型)與流體動(dòng)力學(xué)模擬理論(宏觀模型)是相互獨(dú)立的,建立二者統(tǒng)一的模型是交通流動(dòng)力分析模型的發(fā)展方向。美國通用汽車動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室GM研究組用數(shù)學(xué)的方法由微觀跟馳模型推導(dǎo)出宏觀交通流模型,在交通流宏觀與微觀模型之間架起了溝通的橋梁。文獻(xiàn)[21]首次從嚴(yán)格理論意義上將交通流宏觀模型與微觀模型統(tǒng)一起來,為從理論上研究宏觀交通流模型奠定了基礎(chǔ),也為進(jìn)一步研究動(dòng)態(tài)交通流模型提供了有效途徑。3.3實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)交通流分配與交通系統(tǒng)仿真對(duì)交通流進(jìn)行實(shí)時(shí)管理是目前城市道路網(wǎng)交通管理中遇到的非?，F(xiàn)實(shí)的問題。傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)交通流管理方法均存在不同的局限,不能適應(yīng)現(xiàn)時(shí)迅猛增長的城市交通流量和日益復(fù)雜的城市道路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。而目前ITS技術(shù)的研制開發(fā)和人工智能在各行業(yè)的廣泛應(yīng)用,為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)交通流分配理論的提出和實(shí)現(xiàn)提供了良好的內(nèi)、外部環(huán)境[22]。最近,美國公路交通部門研制開發(fā)了一種實(shí)時(shí)路線決策支持系統(tǒng)。此系統(tǒng)采用了基于實(shí)例推理系統(tǒng)(CBR)和隨時(shí)搜索算法的人工智能(AI)方法[23]。用于實(shí)際交通管理后可及時(shí)將交通信息采集系統(tǒng)反饋情報(bào)提供給學(xué)習(xí)模塊,以判斷決策成功與否。同時(shí),通過對(duì)交通系統(tǒng)的仿真研究,可以得到交通流狀態(tài)變量隨時(shí)間與空間的變化分布規(guī)律及其與交通控制變量間的關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有和未來系統(tǒng)的行為進(jìn)行再現(xiàn)或預(yù)先把握。到目前為止,國內(nèi)外已推出了幾百種交通仿真軟件,比較流行的有PARAMICS、AIMSUN2等[24]。4交通流理論發(fā)展展望隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,交通量的持續(xù)增加,盡管修建了大量的交通設(shè)施,交通擁擠阻塞狀況仍然十分嚴(yán)重。這就要求必須用系統(tǒng)的觀點(diǎn)來對(duì)待運(yùn)輸系統(tǒng)。使現(xiàn)在獨(dú)自存在的車輛和道路設(shè)施及使用者能結(jié)合成一個(gè)整體,協(xié)同作用,最終形成一個(gè)快速、安全、方便、舒適和準(zhǔn)時(shí)的大交通運(yùn)輸體系。與之相適應(yīng)的,這就要求用系統(tǒng)科學(xué)的新理論來推動(dòng)交通流理論的研究。系統(tǒng)分析的特點(diǎn)要求以系統(tǒng)整體效益為目標(biāo),以尋求解決特定問題的最優(yōu)策略為重點(diǎn),運(yùn)用定性和定量分析方法,給予決策者以166合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)第27卷價(jià)值判斷,求得有利的決策。系統(tǒng)分析不僅要立足于系統(tǒng)內(nèi)部分析(系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析),同時(shí)也要著眼于系統(tǒng)外部分析(系統(tǒng)環(huán)境)及系統(tǒng)外部與內(nèi)部關(guān)系的分析(系統(tǒng)靈敏度分析、系統(tǒng)適應(yīng)性分析)[25]。傳統(tǒng)交通流理論對(duì)交通流模型的限制條件比較苛刻,追求嚴(yán)格意義上的理論推導(dǎo),模型過于理想化,常與實(shí)際車輛行為相差甚遠(yuǎn)。這些問題在很大程度上影響了實(shí)際應(yīng)用效果。鑒于此,現(xiàn)代交通流理論理應(yīng)更傾向于重視模型或方法對(duì)真實(shí)交通流的擬合效果。同時(shí),交通流理論的應(yīng)用和發(fā)展也與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)息息相關(guān),計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子通信和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展可為交通流理論提供廣泛的思維空間和技術(shù)保障[26]。5結(jié)束語交通流理論作為一門運(yùn)用數(shù)學(xué)與物理的定律來描述交通特性的邊緣學(xué)科,尚處于發(fā)展階段。傳統(tǒng)交通流理論(如交通流分布的統(tǒng)計(jì)特性、車輛跟馳理論、流體動(dòng)力學(xué)模擬理論及排隊(duì)理論等)已在應(yīng)用中日臻成熟?？萍及l(fā)展日新月異,必須用系統(tǒng)科學(xué)的新理論來推動(dòng)現(xiàn)代交通流理論的應(yīng)用與發(fā)展。[參考文獻(xiàn)][1]中國公路學(xué)會(huì)交通工程手冊編委會(huì).交通工程手冊[M].北京:人民交通出版社,2001.416-417.[2]KinzerJP.Applicationofthetheoryofprobabilitytoproblemofhighwaytraffic[J].ProcInstTrafficEng,1934,(5):118-124.[3]AdamsWF.Roadtrafficconsideredasarandomseries[J].JInstCivilEng,1936,(4):121-130.[4]鳩洛夫DL,休伯MJ.交通流理論[M].蔣璜,任福田,肖秋生,等譯.北京:人民交通出版社,1983.1-4.[5]王煒,過秀成.交通工程學(xué)[M].南京:東南大學(xué)出版社,2000.80-89.[6]周商吾.交通工程[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1987.61-74.[7]飯?zhí)锕Ь?交通工程學(xué)[M].邵春福,楊海,史其信,等譯.北京:人民交通出版社,1994.136-141.[8]HermanR,MontrollEW,PottsRB,etal.Trafficdynamic:Analysisofstabilityincar-following[J].OpensRes,1959,7:86-106.[9]LightMH,WhithamGB.Atheoryoftrafficonlongcrowedroads[J].ProcRSocLondon,SerA,1955,(7):86-106.[10]PipesLA.Vehicleaccelerationsinthehydrodynamictheoryoftrafficflow[J].TranspnRes,1969,(3):229-234.[11]PayneHJ.Modelsoffreewaytrafficandcontrol[J].MathematicalMethodsofPublicSystem,1971,1(1):51-61.[12]RossP.Trafficdynamics[J].TranspRes,1988,22B:421-435.[13]吳正.低速混合型城市交通的流體力學(xué)模型[J].力學(xué)學(xué)報(bào),1994,26(2):149-157.[14]王明祺.交通流理論的研究進(jìn)展[J].力學(xué)進(jìn)展,1995,25(3):343-355.[15]馮蔚東,賀國光,劉豹.交通流理論評(píng)述[J].系統(tǒng)工程學(xué)報(bào),1998,13(3):71-82.[16]馮蔚東,賀國光,劉豹.基于自組織的交通流初步研究[J].系統(tǒng)工程學(xué)報(bào),1998,13(4):104-108.[17]運(yùn)籌學(xué)教材編寫組.運(yùn)籌學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1990.310-348.[18]FritzcheHT.Amodelfortrafficsimulation[J].TrafficEngineeringControl,1994,35(3):317-321.[19]何民,劉小明,榮建.交通流跟馳模型研究進(jìn)展[J].人類工效學(xué),2000,6(2):46-50.[20]榮建,劉小明.基于可變跟馳時(shí)間和隨機(jī)因素的通行能力理論計(jì)算模型[J].中國公路學(xué)報(bào),2001,14(4):81-85.[21]陳建陽.交通流微觀模型與宏觀模型的統(tǒng)一[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),1997,25