城市交通流研究的现状与趋势.ppt

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1、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http:/,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

2、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

3、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

4、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

5、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Gazi

6、s、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

7、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）、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。但二阶方程有时会出现后车影响前车的不合理行为，Daganzo等人对此进行了批评。,除了微观与宏观方法外，还有一种介于中间的、基于概率描述的气动理论模型（gas-kinetic

8、-based model），但由于模型中的未知参数太多，使用起来过于复杂，发展相对较慢。下面谈我国内地学者的研究。,1990年代前，清华大学、同济大学、东南大学等单位的学者作了一定的工作，侧重探讨经典的概率论和跟驰模型。此后，物理学界、部分力学界、数学界和系统科学界的学者，加入研究队伍。如戴世强、汪秉宏、吴清松、顾国庆、吴正、刘慕仁、姜锐等，他们在全速度车辆跟驰模型、速度效应元胞自动机模型和速度梯度连续模型等方面的工作，解决了一些国外模型存在的问题。姜锐和吴清松等人（2002）提出的速度梯度高阶连续模型，既可以得到交通流的非线性传播特性，又能够分析车流的小扰动失稳、幽灵塞车、时走时停和相变特性

9、，还不会出现后车影响前车的不合理行为，这篇理论性论文发表在著名刊物Transportation Research B上，是我国内地道路交通流研究成果第一次发表在该刊物上。国内学者在元胞自动机模型方面的研究成果主要发表在国际物理类刊物上。,Jiang&Wu,Zhang,Payne,LWR,我们用Jiang&Wu的动量方程研究两车道交通流问题：,x,t,t,t,x,x,x,慢车道,t,慢车道,快车道,快车道,小扰动的稳定性：,一阶波速（上：快车道；下：慢车道）,结论：,(II)网络交通流，从道路交通流发展而来，更具挑战性，更具现实意义。,城市交通网络是由节点通过有限长度的道路连接而成的，它是一个复

10、杂、开放、自适应和具有突变特征的系统，具体某条道路上的交通流具有前面介绍的小世界特征，而整个网络的特性却不等于小世界的简单之和。,比如：（1）从出发地到目的地的某条路径拥挤，并不需要该路径所包含的所有路段都拥挤，只要有一个路段拥挤甚至某一点拥堵就够了。（2）尽管我们判断这条路径是拥挤的，但出行者却可以通过选择别的路径或改变出发时刻来避免拥挤。因此，当把交通流研究扩展到网络范畴时，变数就更大了。网络交通流的形成机理研究更多地涉及人的行为。,科学家广泛使用随机效用理论对交通方式选择、出发时间决策、出行目的地选择和路径选择进行了大量的研究，提出了：logit模型、nested-logit模型概率模型

11、（McFadden,Benakiva,Van Zuylen,Daganzo,Fisk,Dial,Sheffi等）。,另一个著名的关于路径选择的理论就是用户均衡理论，由Wardrop提出、Beckmann等人进行数学化、Smith证明数学上的存在性和唯一性。它研究交通分配问题，即把交通需求分析阶段得到的出发地目的地需求矩阵（OD阵），按照一定的路径选择原则分配到交通网络的路段上，得到路径流和路段流。为体现拥挤效应，车辆在路段上的行驶时间或阻抗是路段交通流量的升函数。在大量的个体最优决策和长时间行为调整后，同一OD对之间所有被使用的路径的时间是相等的，并不大于任何未被使用路径的时间，这种流量分布状

12、态就是用户均衡态，在这种状态下，没有人能够通过单方面改变自己的路径来达到降低自己时间的目的。可以用等价的数学规划或变分不等式构造描述用户均衡态的数学模型。,系统最优原则：它假定所有人的出行能够令交通网络总时间最小，就是说，有一个中央组织者协调所有人的路径选择行为，大家也都听从该组织的指挥。如果假设出行者不完全了解整个交通网络的交通状况，只能凭经验选择对自己有利的路径，就导致随机交通分配模型。,国际上关于网络交通流形成过程研究的文献十分庞大，重要成果主要发表在Transportation Research B、Transportation Science和运筹学刊物上。有研究路段通行能力受限制的

13、（Yang、Patriksson）、有允许路段之间流量相互影响的（Dafermos、Smith）、有研究求解算法的（LeBlanc、Powell、Daganzo、Larsson）、有研究将OD阵与交通分配组合起来的（Evans、Boyce、Lam、Huang）、有研究时间/成本双准则交通分配的（Dial、Leurent）、有研究变分不等式的（Friesz、Tobin、Nagurney）、有用双层规划将交通流分配与交通政策结合起来的（Yang、Marcota，Gao），等等。这些都是研究网络交通流解析模型与算法的，另一个途径是用模拟方法（Mahmassani），不少商业软件都采用了模拟技术。,静

14、态网络交通流模型研究车辆交通行为的长期稳态结果，但交通流显然具有时变特征。动态交通分配模型就是解决这个问题的，但由于问题的极其复杂性，目前的研究主要还是在理论探讨上，但这方面的突破是发展智能交通系统的基础，所以具有非常重要的意义。Merchant和Nemhauser在这方面做了开创性的工作，他们发展出一个多起点、单讫点的动态、非线性、非凸的数学规划模型；Friesz和Wie等人用连续最优控制理论建立模型，Ran和Boyce也使用最优控制理论、但把模型推广至随机交通分配情形；Carey、Heydeck、Smith、Huang所做的动态交通分配模型基本上是基于数学规划理论之上的（数学规划、变分不等

15、式、互补问题和固定点问题，本质上是一致的，这些工具近年在动态交通分配模型上得到大量应用）；Daganzo、Lo则使用元胞机方法描述车辆在路段上的动态移动，但路径这类宏观选择则依动态均衡原理进行。,我国内地在网络交通流方面的研究：,始于1980年代，这个领域涉及的学科知识面比较广（交通行为、微观经济学、图论、最优化等），消化吸收国外成果的速度比较慢。静态交通分配模型与算法被王炜等人引入他们成功开发的城市交通规划软件中。黄海军、高自友、张宁、周晶等人在城市交通网络流方面做出一批国际先进水平的成果，1992年以来在著名刊物Transportation Research-B上发表了16篇论文，有的论文

16、被大量引用。所研究问提包括：多车种交通分布与交通分配的组合模型，动态交通分配模型，瓶颈排队模型，logit随机均衡分配模型，OD阵估计，公交车流分配模型，拥挤交通流收费模型，以及这些模型的求解算法。总的说，跟踪多、创新少，做出有国际影响的更少，还需要加倍努。,发展趋势：,未来的发展方向是两种交通流模型相互靠近，道路交通流模型要进一步放宽假设条件，考虑多车种混合交通流、路面条件和信号控制的影响，网络交通流模型中的路段阻抗函数要朝动态化、考虑密度变化方向发展，在两种模型融为一体以后，要研究有效的求解算法，因而对计算机的内存与计算速度提出了更高的要求。,道路交通流部分：,结合我国城市交通的特点（平面

17、、混合、低速），研究新的道路交通流模型，阐明道路交通拥堵形成的原因和过程，探寻疏解拥堵的措施和方法。通过对实测数据的统计与分析，确定新的道路交通流模型中的各种参数。研究并线和交叉口等场所的交通流，考虑超车因素。重点研究瓶颈交通流模型，由于在平面交叉路口处，机动车、非机动车、行人之间相互影响明显，出行者的心态千差万别，稳定均匀的自由车流到达瓶颈处就常常变得无序混乱，这使得建模工作异常复杂。交通流系统是一个典型的远离平衡态的自驱动多粒子复杂巨系统，其中车流的演化是一个复杂的非线性动力学过程，目前对许多现象还没有统一的理论解释。,网络交通流部分：,研究车辆出发时间和路径选择的规律，分析网络结构对交通

18、流时空分布的影响。建立不同环境下的新型路段阻抗函数，在网络意义下定量描述拥挤，用数值方法模拟网络交通流的自组织演变和拥挤突现现象。立足国际前沿，在静态网络模型、随机网络模型、动态交通分配模型以及算法方面，做出创新性成果。城市交通网络的节点和路段数量，成百、上千甚至数万，网络模型的变量数非常巨大，充分利用网络结构特点，发展有效的模型求解算法，也是一个非常关键的科学问题。,研究道路交通流与网络交通流的结合部，提出一体化模型，设计高效的并行算法。模拟方法与解析方法大有效结合，打通“结合部”。,国际交通科学期刊的影响因子 资料来源：SCI 的2002年版Science Journal Citation

19、 ReportSCI 部分：Abbreviated Journal Title Total Cites Impact Factor1IEEE T VEH TECHNOL 3149 1.2202TRANSPORT RES B-METH 1098 1.0503TRANSPORT RES A-POL 604 0.8684TRANSPORT SCI 1077 0.8145TRANSPORTATION 319 0.7576TRANSPORT RES E-LOG 63 0.5687TRANSPORT RES C-EMER 278 0.4788INT J VEHICLE DES 251 0.4329J TR

20、ANSP ENG-ASCE 445 0.38010P I MECH ENG D-J AUT 155 0.22411P I MECH ENG F-J RAI 60 0.20812JSAE REV 94 0.15713TRANSPORT RES REC 2899 0.13914TRANSPORT PLAN TECHN 39 0.12015J ADV TRANSPORT 94 0.09116P I CIVIL ENG-TRANSP 20 0.06217ITE J 152 0.04418HEAVY VEH SYST 4 0.02819ITS J 44 0.000SSCI 部分：Abbreviated

21、Journal Title Total CitesImpact Factor1TRANSPORT RES B-METH 10981.0502TRANSPORT RES A-POL 6040.8683ACCIDENT ANAL PREV 13330.8204TRANSPORT SCI 10770.8145TRANSPORT RES D-TR E 1470.6046TRANSPORT RES E-LOG 630.5687J TRANSP ECON POLICY 3870.4258TRANSPORT Q 1160.3829TRANSPORT REV 1050.29510J SAFETY RES 25

22、80.28811TRANSPORT J 880.054,两个著名的交通流与行为会议：,ISTTT：http:/www.mti.umd.edu/news/isttt16/index.htmThe 16th International Symposium on Transportation and Traffic Theory(ISTTT)will be held at the University of Maryland,College Park in Maryland,USA from July 19 21,2005.The ISTTT series is the main gathering

23、 for the worlds transportation and traffic theorists,and those who are interested in contributing to or gaining a deep understanding of traffic and transportation phenomena in order to develop effective approaches to plan,design and manage these systems.The Symposium deals primarily with the scienti

24、fic and fundamental aspects of transportation and traffic phenomena.IATBR：http:/www.ce.utexas.edu/iatbr/Moving through nets:The physical and social dimensions of travel10th International Conference on Travel Behaviour Research,Lucerne,10-14.August 2003,谢 谢！（以上内容纯属个人心得，遗漏或观点不准确之处，敬请批评指正！）2004年6月16日，武汉,