交通流理論再認識

交通流理論的再認識學專院：公路學院業(yè)：交通工程姓名：學號：指導教師：導師：完成時間：2010年12月二o—o年十二月1、 引言交通流理論是分析研究道路上行人和機動車輛（主要是汽車）在個別或成列行動中的規(guī)律，探討車流流量、流速和密度之間的關(guān)系，以求減少交通時間的延誤、事故的發(fā)生和提高道路交通設施使用效率的理論。始于50年代。是交通工程理論的基礎和其新發(fā)展的領(lǐng)域之一。交通流理論是研究交通流隨時間和空間變化規(guī)律的模型和方法體系。多年來，在交通運輸工程的許多研究領(lǐng)域、如交通規(guī)劃、交通控制、道路與交通工程設施設計等都在廣泛地應用著交通流理論，應該說交通流理論是這些研究領(lǐng)域的基礎理論。近些年來，尤其是隨著智能運輸系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展，交通流理論涉及的范圍和內(nèi)容在不斷地發(fā)展和變化，如控制理論、人工智能等新興科學的思想、方法和理論已經(jīng)被用于解決交通運輸研究中遇到的復雜問題。又如，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，模擬技術(shù)和方法越來越多地被用來描述和分析交通運輸工程的某些過程或現(xiàn)象，鑒于此，有必要對交通流理論進行重新認識，研究其研究內(nèi)容、理論體系研究方法的變化規(guī)律和發(fā)展趨勢，從而引導交通流理論沿著正確軌道快速發(fā)展。2、 交通流理論的發(fā)展過程交通流理論的發(fā)展與道路交通運輸業(yè)的發(fā)展和科學技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān).交通流理論的發(fā)展與道路交通運輸業(yè)的發(fā)展和科學技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，在交通運輸業(yè)的不同發(fā)展時期和科學技術(shù)發(fā)展的不同階段，對交通流的需求和研究能力都不同，因此產(chǎn)生了交通流的不同發(fā)展階段。按照時間序列，交通流理論可以劃分為三個階段。（1） 創(chuàng)始階段。此階段被界定為20世紀30年代至第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束。在此期間，由于發(fā)達國家汽車工業(yè)和道路建設的發(fā)展，需要摸索道路交通的基本規(guī)律，以便對其進行科學管理，道路交通產(chǎn)生了對交通流理論的初步需求，需要有人對其進行研究。此階段的代表人物為格林希爾治，其代表性成果是用概率論和數(shù)理統(tǒng)計方法建立數(shù)學模型，用以描述交通流量和速度的關(guān)系，并對交叉口交通狀態(tài)進行調(diào)查。正是由于其奠基性工作，人們常常稱格林希爾治為交通流理論的鼻祖。（2） 快速發(fā)展階段。此階段被界定為第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束至20世紀50年代。在這一階段，發(fā)達國家的公路和城市道路里程迅猛增長，汽車擁有量大幅度上升，此時交通規(guī)劃和交通控制已經(jīng)提到日程，如何科學地進行交通規(guī)劃和控制，需要交通流理論提供支持。此階段的特點是交通流理論獲得高速發(fā)展并產(chǎn)生了多個分支和學術(shù)上的多個代表人物。學術(shù)分支包括：車輛跟馳理論、基于流體力學的交通波理論和排隊理論等。此時期造就的本領(lǐng)域的代表性人物有沃德洛爾、派普斯、萊特希爾、惠特漢、紐厄爾、韋伯斯特、伊迪、赫爾曼等。（3） 穩(wěn)步發(fā)展階段。此階段被界定為1959年以后。此階段，由于汽車的普及已經(jīng)使得交通成為世界各國大中城市越來越嚴重的問題，需要發(fā)展交通流理論來解決各種復雜的交通問題。由于這種需求，使交通流理論得到了穩(wěn)步發(fā)展。1959年舉行了第一次國際研討會，并確定本次會議為3年一次的系列會議的首次會議。除了這一系列會議，近些年來又有許多交通運輸領(lǐng)域的專題學術(shù)年會在世界各國舉行，所有這些年會都涉及到交通流理論。按照研究手段和方法，交通流理論可劃分為兩類。（1） 傳統(tǒng)交通流理論。所謂的傳統(tǒng)交通流理論是指以數(shù)理統(tǒng)計和微積分等傳統(tǒng)數(shù)學和物理方法為基礎的交通流理論。其明顯特點是交通流模型的限制條件比較苛刻，模型推導過程比較嚴謹，模型物理意義明確。如交通流分布的統(tǒng)計特性模型、車輛跟馳模型、交通波模型、車輛排隊模型等。傳統(tǒng)交通流理論在目前的交通流理論體系中仍居主導地位，并且在應用中方法相對成熟。（2） 現(xiàn)代交通流理論。現(xiàn)代交通流理論是指以現(xiàn)代科學技術(shù)和方法（如模擬技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊控制等）為主要研究手段而形成的交通流理論。其特點是所采用的模型和方法不追求嚴格意義上的數(shù)學推導和明確的物理意義，而更重視模型或方法對真實交通流的擬合效果，這類模型主要用于對復雜交通流現(xiàn)象的模擬、解釋和預測，而使用傳統(tǒng)交通流理論要達到這些目的就顯得很困難。傳統(tǒng)交通流理論和現(xiàn)代交通流理論并不是截然分開的兩種交通流理論體系，只不過是它們所采用的主要研究手段有所區(qū)別，在研究不同的問題時它們各有優(yōu)缺點。在實際研究中常常是兩種模型同時使用效果更好。3、 交通流理論研究內(nèi)容目前，交通流理論的定義不盡相同，但歸納各家定義的主要思想，可以給交通流理論下一個定義：交通流理論是研究在一定環(huán)境下交通流隨時間和空間變化而變化規(guī)律的模型和方法體系。根據(jù)上述定義，交通流理論涉及的范圍非常廣泛，其研究內(nèi)容很難一言以蔽之。根據(jù)美國的《交通流理論》專著1975年版和1996年版的研究內(nèi)容以及梅?阿道夫的《交通流理論》（1990年版）研究內(nèi)容，可以把交通流理論研究內(nèi)容劃分成如下10個部分：（1） 交通流特性。研究表示交通流特性的三個參數(shù)——流量、速度、密度的量測方法和分布特性及其三者之間的關(guān)系模型。（2） 人的因素。研究駕駛員在人、車、路、環(huán)境中的反應及其對交通行為的影響。（3） 車輛跟馳模型。研究車輛的跟馳行為、加速度干擾和交通的穩(wěn)定性等數(shù)學模型。（4） 連續(xù)流模型。利用流體力學理論研究交通流三個參數(shù)之間的定量關(guān)系，并根據(jù)流量守恒原理重點研究交通波理論。（5） 宏觀交通流模型。在宏觀上（在網(wǎng)絡尺度上）研究流量、速度和密度的關(guān)系，重點研究路網(wǎng)的不同位置（相對市中心而言）的交通流特性。（6） 交通影響模型。研究不同管制下交通的影響（包括交通安全、燃料消耗和空氣質(zhì)量等。（7） 無信號交叉口理論。主要利用數(shù)理統(tǒng)計和排隊論研究無信號交叉口車流的可插車間隙和競爭車流之間的相互作用。（8） 信號交叉口交通流理論。研究信號交叉口對車流的阻滯理論、包括穩(wěn)態(tài)理論、定數(shù)理論和過渡函數(shù)曲線等。（9） 交通模擬。研究模擬技術(shù)在交通流分析中的應用，介紹交通模擬模型的種類和建模步驟。（10） 交通分配。研究交通分配的基本理論和方法以及這些理論和方法的應用。上述10個方面的內(nèi)容是前面所提的三部專著中的主要內(nèi)容，是交通流理論的經(jīng)典內(nèi)容，但不是交通流理論的全部內(nèi)容。近年來交通流理論的新的發(fā)展內(nèi)容和新方法并沒有反映出來，如，實時動態(tài)交通流預測的有關(guān)理論和方法沒有明確提及。這也正說明交通流理論發(fā)展需要不斷地有人去整理和系統(tǒng)化，將新的內(nèi)容不斷地補充到交通流理論體系當中。4、 交通流理論主要研究方法其研究的主要方法有：①概率論方法。假定道路上行駛的車輛互相獨立，車輛分布隨機，并假定各個車輛行駛是一種概率過程而用概率的理論加以分析的方法;②流體力學方法。即交通波動理論,假定交通流是具有特定性質(zhì)的一種流體，應用氣體運動或聲波、洪水波理論，宏觀地表現(xiàn)這種現(xiàn)象的變化、演進的方法；③動力學方法。即跟車理論，就是在交通流中追隨前車的后車，假定其向前移動有某種規(guī)律性，據(jù)此可求得各車輛動力學狀態(tài)的微分方程式。后兩種方法較有前途，主要應用于道路服務水平與通行能力評價，交通量與交通事故預測，交通信號控制和消除汽車排隊和等候等方面。交通流理論的主要內(nèi)容有概率論的應用、排隊論的應用、車流波動理論和跟車理論。（1） 概率論的應用主要應用概率論方法研究車流的分布規(guī)律。車流的統(tǒng)計分布是用概率論方法研究交通現(xiàn)象的基礎，同時也直接應用在轉(zhuǎn)彎車道長度的設計、行人過街控制信號的設計、通行能力及車速標準的確定等方面。常用概率論方法研究的車流分布有車流計數(shù)分布、間隔分布和車速分布三種。①車流計數(shù)分布：在每個時間區(qū)間內(nèi)到達某地車輛數(shù)的概率分布，又稱到達分布。車流密度不大,且不受其他干擾因素的影響時,計數(shù)分布符合泊松分布；交通擁擠、車輛連續(xù)行駛時，計數(shù)分布符合二項分布或廣義泊松分布；交通受周期性干擾（如受交通信號的干擾）時，計數(shù)分布則符合負二項分布。②間隔分布：到達車輛彼此車頭時距（前后到達車輛車頭間相隔距離，以秒表示）的概率分布。計數(shù)分布屬泊松分布時，相應的間隔分布符合于負指數(shù)分布；計數(shù)分布屬廣義泊松分布時，相應的間隔分布則符合厄蘭分布。③車速分布：車輛在路上行駛時出現(xiàn)各種車速的概率分布。轎車在緩坡路段上自由行駛時，車速分布符合正態(tài)分布；高速干道上車流的車速分布符合對數(shù)正態(tài)分布。（2） 排隊論的應用排隊論是研究分析服務對象發(fā)生排隊擁擠現(xiàn)象的一種數(shù)學理論。是運籌學的一個重要內(nèi)容。排隊論主要研究等待時間，排隊長度的概率分布，以便合理協(xié)調(diào)“服務對象”與“服務系統(tǒng)”之間的關(guān)系，使之既能滿足“服務對象”的要求，又能最大限度地節(jié)省服務系統(tǒng)的經(jīng)費。1936年亞當斯首先應用排隊論研究無信號道路交叉口的行人延誤問題。以后，在交通工程領(lǐng)域內(nèi)，把信號交叉口、停車場、加油站等交通設施都看作“服務系統(tǒng)”，把到達的車輛看作“服務對象”，因而排隊論在這些交通設施的設計和管理方面得到廣泛的應用。近來用排隊論研究信號交叉口前的車輛排隊現(xiàn)象及其所造成的車輛延誤，并根據(jù)交叉口上車輛延誤時間量最小的目標來確定交通信號的配時方案，或根據(jù)整個地區(qū)各交叉口上車輛延誤時間總量最小的目標來實現(xiàn)區(qū)域交通控制的最優(yōu)方案，這是排隊論在交通工程中應用的一個重要方面。（3） 車流波動理論將交通流比擬為流體，把車流密度的疏密變化比擬成水波的起伏而抽象為車流波。車流波動理論就是假設車流因道路或交通狀況的改變而引起車流密度的改變時，在車流中產(chǎn)生車流波的傳播，分析車流波的傳播速度可尋求車流流量和密度同車速之間的關(guān)系的一種理論。這種理論把整批車輛作為考察對象，所以是一種宏觀的分析方法。車流波動理論假定車流中各單個車輛的行駛狀態(tài)完全一樣，所以有遠離實際的缺點。盡管如此,這種理論在“流”的狀態(tài)較為明顯的場合,例如在分析瓶頸路段的車輛擁塞等問題中，還是有其獨特的用途。（4） 跟車理論運用動力學方法研究車輛列隊在無法超車的單一車道上行駛時，后車跟隨前車的行駛狀態(tài)，并用數(shù)學模式表達而且加以闡明的一種理論。因考察的對象是單輛車輛在行駛過程中的相互關(guān)系，所以是一種微觀的分析方法。在連續(xù)行車情況下，后車要與前車保持一定的安全距離而經(jīng)常隨著前車改變車速，這種改變可簡略地表達為：后車車速變化－駕駛員反應靈敏度＊前車車速變化改變這個表達式，可得出多種車流速度和密度關(guān)系的表達式。因此，只要有了某一車流的速度、流量的觀測統(tǒng)計數(shù)據(jù)，就可應用上述理論，建立表征該車流行駛狀態(tài)的數(shù)學模型。跟車理論常用于考察高速公路上車輛尾撞事故、交通信號的自動控制等。概率論方法適用于研究低密度車流，而流體力學和動力學方法則適用于研究高密度車流。由于交通流理論的研究成果與實際交通現(xiàn)象還有差距，尚難于應用。今后交通流理論的研究應轉(zhuǎn)向應用方面發(fā)展。在一些國家存在大量自行車與機動車在道路上混合行駛的情況下，研究自行車流以及與機動車流的相互關(guān)系，是交通流理論研究的新課題。5、 交通流理論發(fā)展趨勢任何理論的發(fā)展都離不開該理論發(fā)展的客觀需求和支持其發(fā)展的客觀環(huán)境。交通流理論的發(fā)展也是一樣，其所處的每一個發(fā)展階段都對應著相應的交通運輸工程的需求和科學技術(shù)發(fā)展水平。這里，交通運輸工程需求和科學技術(shù)發(fā)展水平是交通流理論發(fā)展的兩個非常重要的條件。應該說需求是交通流理論發(fā)展的動力沒有汽車工業(yè)的發(fā)展就不會有交通流理論的產(chǎn)生，沒有交通擁擠和交通事故劇增就不會有交通控制理論的發(fā)展，也不會有智能運輸系統(tǒng)的發(fā)展，也就不會產(chǎn)生對實時動態(tài)交通分配理論的強烈需求。同時，科學技術(shù)的發(fā)展，為交通流理論的發(fā)展和應用創(chuàng)造了條件。如果沒有計算機，就很難進行大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理，也很難對復雜模型進行計算，因此，計算機的發(fā)展為交通流理論的發(fā)展和應用提供了有利的保證，也為交通流理論的發(fā)展提供了新的思維空間。如，由于有了計算機，才創(chuàng)造并發(fā)展了交通模擬技術(shù)；由于有了計算機，人們才能用人工智能理論、現(xiàn)代控制理論等科學技術(shù)理論和方法去認識和解決復雜交通問題。除了計算機，現(xiàn)代的檢測技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)和衛(wèi)星定位技術(shù)等也為交通流的發(fā)展提供了廣泛的思維空間和技術(shù)保障。因此，可以說，未來的交通流理論的發(fā)展與交通運輸工程的需要和科學技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)。根據(jù)上述理由，基于數(shù)理統(tǒng)計和微積分等經(jīng)典數(shù)學，物理方法的微觀交通流理論已經(jīng)趨于成熟，而宏觀交通流理論體系尚未形成。在今后相當長的一段時間內(nèi)，交通流理論研究將在以下兩個方面形成熱點：（1）從研究內(nèi)容看，宏觀交通流理論是未來的研究重點。理由是：（i）目前中國的城市化水平還很低，未來幾十年內(nèi)城市的急劇外延發(fā)展和內(nèi)涵改造已成必然，這就需要對未來的城市進行科學的規(guī)劃，而城市交通規(guī)劃是其中的重要內(nèi)容。在發(fā)達國家，由于大規(guī)模的城市規(guī)劃和建設時期已經(jīng)過去，交通規(guī)劃理論已經(jīng)不是熱點研究內(nèi)容，似乎這方面的理論已經(jīng)成熟。實際上，這是一個錯覺，發(fā)達國家有些城市土地利用與交通不協(xié)調(diào)"有些城市出現(xiàn)空心化等問題，說明原有的規(guī)劃理論存在很大問題，需要改進。而在中國，大規(guī)模的城市規(guī)劃和建設剛剛開始，城市交通規(guī)劃必須面向未來，為了不重犯發(fā)達國家所犯過的錯誤，不能簡單地應用原有的理論去規(guī)劃未來。因此，必須從宏觀協(xié)調(diào)的角度去研究和發(fā)展規(guī)劃理論，而宏觀交通流理論是交通規(guī)劃的基礎理論，必須對其進行重點研究，尤其要研究城市土地利用對交通的生成、流量、流向的影響。（ii） 現(xiàn)代城市交通管理與控制的重點已經(jīng)從微觀管理（單個交叉口的管理）轉(zhuǎn)移到宏觀管理（城市整體協(xié)調(diào)管理），即在加強城市交叉口的管理和控制的同時，更重視城市路網(wǎng)總體效益的發(fā)揮，如交通面控系統(tǒng)追求區(qū)域整體控制效果最佳，又如交通流誘導追求在動態(tài)交通狀態(tài)下車輛行駛路徑最佳，等等。這些都要求研究以路網(wǎng)為研究范圍的交通流理論，揭示路網(wǎng)點、線、面的交通流特性的相互聯(lián)系及交通流狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)律。（2）從研究手段和