《城市交通流研究的现状与趋势》.ppt

城市交通流研究的现状与趋势 （2004年6月16日，武汉） 黄海军 北京航空航天大学管理学院，100083 国家自然科学基金委员会管理科学部 hjhuang@ 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，交通流的形成过程非常复杂。 研究方法论和目的： 综合运用数学、力学、行为科学、经济学、交通工程和信息科学等知识，用模型刻画人的出行决策、车辆跟驰和网络分布，揭示与预测城市交通流的自组织演变规律与拥堵突现轨迹。 为正确诱导和管理交通流、优化交通系统资源使用、科学规划交通网络打下坚实的理论基础。 根据交通需求的属性 交通流：客流和货流 载运体：各种交通工具 研究对象：交通工具的时空分布 对于城市交通，在完成了交通工具选择的方式划分之后，重点研究城市交通网络中车辆的 微观流动特性和宏观分布规律 微观流动特性： 司机的驾驶行为（以动量方程描述的加减速反应），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过程： 比如，因扰动（并线、换线、抛锚、追尾）产生的拥堵的形成与消散过程，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 。 宏观分布规律： 交通需求在网络上的实现过程，出行者是如何决定出发时间的、如何选择路径的、最后导致怎样的路段流量分布。 将巨大的微观离散个人决策结果转化为网络宏观聚集现象，即从微观拥堵到宏观拥挤的转变过程。 研究难度： 自适应、动态、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发现，交通流问题丝毫不比他们研究的现代物理学问题简单。 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Science和Nature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-B、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）、Arnott（美国著名经济学家）等。 研究现状与趋势：（I）道路交通流 研究的目标：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。 道路交通流模型研究方法：微观和宏观 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等人提出了速度优化模型。最简单的元胞自动机交通流模型是Wolfram于1983提出的，Nagel和Schreckenberg极大地改进了这个模型，提出了著名的NS模型。 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（如时走时停现象、相变转换过程）。 Payne在1971年从车辆跟驰模型出发，得到一个描述加减速的动量方程，该方程与连续方程一起构成著名的高阶连续模型，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）、Michaloupo