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黄海军:道路交通流与网络交通流的研究现状与发展趋势

时间:2011-05-13 15:34:02  来源:  作者:

黄海军
北京航空航天大学经济管理学院

 

摘要:黄海军,湖南望城县人,工学博士,教授,1986年在北航参加工作至今,曾经分别在香港理工大学、香港科技大学、英国Newcastle大学工作一至两年,主要研究领域为交通运输系统建模与分析、拥挤道路使用收费,1998年获国家杰出青年科学研究基金资助。本文简要介绍了道路交通流与网络交通流研究的国内外研究现状,分析了该领域的发展趋势,对学科发展提出了若干建议。

关键词:交通流,连续模型,元胞自动机模型,网络均衡分配模型,交通规划与管理

 

一、前言

城市是经济、文化、政治活动的中心,城市交通系统是承载这些活动的基本构件。我国城镇化的步伐越来越快,但落后的城市交通系统已经成为制约城市可持续发展的主要瓶颈,城市交通拥堵、交通环境污染和交通事故已经引起社会的广泛关注,成为全社会面临的老大难问题。北京市、上海市中心区高峰期的道路平均车速不到20km/h,最低时仅为4km/h。北京市机动车排放NOx、CO的分担率已经高达46%和63%,上海市机动车CO的排放分担率在1996年就高达61%。科学地“诊治”城市交通“病”是我国社会、经济发展过程中提出的重大需求,是科学界义不容辞的责任。“诊治”城市交通“病”的第一步应该是全面系统、深刻入微地研究城市交通需求和交通流的形成机理,机理清楚了,就可以从本质上发现交通拥堵、交通环境污染和交通安全事故的产生原因和规律,为科学地制定城市交通规划、设计和发展先进的交通管理与控制技术打下坚实的理论基础。

交通流是交通需求的实现结果,是交通需求在有限的时间与空间上的聚集现象。由于涉及人车路三者之间的相互关系,交通流的形成过程是极其复杂的,其中蕴涵着大量的基础科学问题。综合运用行为科学、交通工程和信息科学知识,用数学物理模型刻画人的出行决策、车辆跟驰和交通流量的网络分布,揭示城市交通流的自组织演变规律与拥堵突现轨迹,是交通流研究的核心内容。

根据交通需求的属性,可以将交通流分为人员流和货物流两种,他们的载运体是各种交通工具。本文主要介绍城市交通网络中车辆的微观运动特性和宏观分布规律方面的研究现状与方向。“微观”指的是对司机驾驶行为的研究,揭示速度、密度和流量三个参数之间的瞬态和稳态关系,再现各种交通拥堵现象的发生和发展过程,比如,因扰动(并线、抛锚、追尾)产生的拥堵,因不合理信号控制产生的路口拥挤,因基建施工和临时社会活动产生的拥挤,还有因非线性、奇怪吸引子产生的拥挤“幽灵”等等。“宏观”指的是研究交通需求在网络上的实现过程,研究出行者是如何决定自己的出发时间的、是如何选择路径的、最后导致怎样的路段流量分布,要将巨大数量的微观离散个人决策结果转化为宏观网络聚集现象,即研究从微观拥堵到宏观拥挤的转变过程。

自适应、动态、随机、反馈、多行为主体、非线性是交通流的基本特征,积累效应、奇怪吸引性、开放性进一步加深了交通流问题的复杂程度,不仅使交通科学家绞尽脑汁,也引起数学家、物理学家和经济学家的关注。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的物理学家们在研制交通分析模拟系统TRANSIMS的过程中发现,交通流问题不比他们所研究过的物理学问题简单。物理学家Kerner、Helbing、Nakayama、Bando等1990年代以来在Physical Review E、Physical Review Letter、Transportation Research B等著名刊物上发表了许多关于微观交通流研究的论文,有的论文还发表在Nature、Science上。交通科学家、数学家和经济学家关于交通流、特别是网络宏观交通流分布研究的论文则主要发表在著名刊物Transportation Research-Part B和Transportation Science上,如Herman(美国科学院院士)、Allsop(英国皇家工程院院士)、Newell(美国科学院院士)、Vickrey(诺贝尔经济学奖获得者,提出了著名的交通瓶颈排队模型)、McFadden(诺贝尔经济学奖获得者,发展了著名的离散选择理论)Arnott(美国著名经济学家)等。

二、国内外研究现状

我们按照道路交通流和网络交通流的顺序,分别介绍其中的科学问题和研究现状。道路交通流理论研究的目标是建立能够描述实际交通一般特性的交通流模型,加深人们对复杂多体系统平衡态和远离平衡态时演变规律的认识,指导交通系统的规划设计、管理和控制。对道路交通流的研究可以促进统计物理、流体力学、非线性动力学、行为科学和交通工程学等多学科的交叉渗透和相互发展。道路交通流模型的研究正在迅速发展,取得了不少成果,但还远未达到可以准确描述和模拟交通过程的目标,一些交通拥堵的形成机理还没有被完全认识清楚。

建立道路交通流模型的方法又进一步分为微观和宏观两种。微观方法处理车辆相互作用下的个体行为,包括跟驰模型和元胞自动机模型(或粒子跳跃模型),车辆跟驰理论模拟道路上前后车跟随的单车运动规律,假定驾驶员只对前方车辆的变化做出反应,主要参数是本车速度、与前车的距离和两车的速度差,最基本的跟驰模型是Gazis、Herman和Rothery于1961年给出的,是本领域的奠基文献,1995年Bando等人提出了优化速度模型。最简单的元胞自动机交通流模型是Wolfram于1983提出的184号规则模型,Nagel和Schreckenberg极大地改进了这个模型,提出了著名的NS模型,洛斯阿拉莫斯国家实验室研制的TRANSIMS就使用了以NS模型为基础的改进元胞自动机模型。其它比较著名的元胞自动机模型有,可以一步加速至最大速度的FI模型,考虑车辆慢启动行为的VDR模型,可以模拟车道变换的双车道模型等等。宏观方法视交通流为大量车辆构成的可压缩连续流体介质,研究许多车辆的集体平均行为,经典的工作是Lighthill和Whitham(1955)与Richard(1956)独立提出的交通流连续模型,被称为LWR理论。这一理论建立了密度和流量之间的连续方程,可以捕捉交通流激波形成和阻塞疏导等特性,但该理论认为车辆速度始终满足平衡关系,所以它不能揭示非平衡态的车辆运动(如时走时停、相变换等现象)。Payne在1971年从车辆跟驰模型出发,得到一个以密度梯度作为期望项的描述加减速的动量方程,该方程与连续方程一起构成所谓的高阶连续模型,可以用来研究交通流的许多非线性传播特性。随后,学者们改进了动量方程,包括Ross(1988)、Michaloupolos(1993)、Zhang(1998)等。Kerner(1993)在动量方程里加入粘性项,导出二阶动量方程,可以考虑交通流中的串现象。但由双曲型方程组控制的所有Payne类型的高阶连续模型,因为存在不合理的特征速度而会导致后车影响前车的不合理行为,违背了交通流各向异性的基本性质,Daganzo等人对此进行了批评。

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