论文--对交通流理论的认识及其发展展望.docx

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对交通流理论的认识及其发展展望

交通运输规划与管理刘训训2013021356

摘要：

对交通流理论的发展历史进行了阶段划分，归纳了经典交通流理论的研究内容和理论体系提出了新的交通流理论的体系框架总结了交通流理论研究的思想方法从交通运输工程发展的需求和科学技术发展的支持两个基本条件出发分析了交通流理论发展的趋势，指出了交通流理论发展方向。

关键词：

交通流理论；研究方法；发展趋势；理论体系；发展展望

交通流理论是运用物理和数学的定律来描述交通特性的一门边缘学科。

它的应用能更好地解析交通现象及其本质，使道路发挥最大功效。

作为交通工程学的基础理论，多年来交通流理论广泛应用于交通运输工程的许多研究领域，如交通规划、交通控制、道路与交通工程设施设计等方面应该说交通流理论是这些研究领域的基础理论。

尤其是随着智能运输系统的蓬勃发展，交通流理论涉及的范围和内容在不断地发展和变化，如控制理论、人工智能等新兴科学的思想、方法和理论已经被用于解决交通运输研究中遇到的复杂问题。

1交通流理论的沿革

交通流理论的发展与道路交通运输业的发展和科学技术的发展密切相关，在交通运输业的不同发展时期和科学技术发展的不同阶段，对交通流理论的需求和研究能力都不同，因此产生了交通流理论的不同发展阶段。

按照时间序列，交通流理论可以划分为三个阶段。

（1）创始阶段。

此阶段被界定为20世纪30年代至第二次世界大战结束。

在此期间由于发达国家汽车工业和道路建设的发展，需要摸索道路交通的基本规律，以便对其进行科学管理，道路交通产生了对交通流理论的初步需求，需要有人对其进行研究。

此阶段的代表人物为格林希尔治，其代表性成果是用概率论和数理统计的方法建立数学模型，用以描述交通流量和速度的关系，并对交叉口交通状态进行调查。

（2）快速发展阶段。

此阶段被界定为第二次世界大战结束至20世纪50年代末。

在这一阶段，发达国家的公路和城市道路里程迅猛增长，汽车拥有量大幅度上升，此时交通规划和交通控制已经提到日程，如何科学地进行交通规划和控制，需要交通流理论提供支持。

此阶段的特点是交通流理论获得高速发展并产生了多个分支和学术上的多个代表人物。

学术分支包括：

车辆跟驰理论、基于流体力学的交通波理论和排队理论等。

（3）稳步发展阶段。

此阶段被界定为1959年以后。

此阶段，由于汽车的普及已经使得交通成为世界各国大中城市越来越严重的问题，需要发展交通流理论来解决各种复杂的交通问题。

由于这种需求，使交通流理论得到了稳步发展。

近些年来又有许多交通运输领域的专题学术年会在世界各国举行，所有的这些年会都涉及到交通流理论。

按照研究手段和方法，交通流理论可划分为两类。

（1）传统交通流理论。

所谓的传统交通流理论是指以数理统计和微积分等传统数学和物理方法为基础的交通流理论。

其明显特点是交通流模型的限制条件比较苛刻，模型推导过程比较严谨，模型物理意义明确。

如交通流分布的统计特性模型、车辆跟驰模型、交通波模型、车辆排队模型等。

传统交通流理论在目前的交通流理论体系中仍居主导地位，并且在应用中方法相对成熟。

（2）现代交通流理论。

现代交通流理论是指以现代科学技术和方法（如模拟技术、神经网络、模糊控制等）为主要研究手段而形成的交通流理论。

其特点是所采用的模型和方法不追求严格意义上的数学推导和明确的物理意义，而更重视模型或方法对真实交通流的拟合效果。

这类模型主要用于对复杂交通流现象的模拟、解释和预测，而使用传统交通流理论要达到这些目的就显得很困难。

传统交通流理论和现代交通流理论并不是截然分开的两种交通流理论体系，只不过是它们所采用的主要研究手段有所区别，在研究不同的问题时它们各有优缺点。

在实际研究中常常是两种模型同时使用效果更好。

2交通流理论研究的内容

目前，对交通流理论的定义不尽相同，但归纳各家定义的主要思想，可以给交通流理论下一个定义:

交通流理论是研究在一定环境下交通流随时间和空间变化而变化规律的模型和方法体系。

根据上述定义，交通流理论涉及的范围非常广泛，其研究内容很难一言以蔽之。

根据《交通流理论专著》和《交通流理论》研究内容，可以把交通流理论研究内容划分成如下10个部分：

（1）交通流特性。

研究表示交通流特性的三个参数一一流量、速度、密度的量测方法和分布特性及其二者之间的关系模型。

（2）人的因素。

研究驾驶员在人、车、路、环境中的反应及其对交通行为的影响。

（3）车辆跟驰模型。

研究车辆的跟驰行为、加速度干扰和交通的稳定性等数学模型。

（4）连续流模型。

利用流体力学理论研究交通流三个参数之间的定量关系，并根据流量守恒原理重点研究交通波理论。

（5）宏观交通流模型。

在宏观上（在网络尺度上）研究流量、速度和密度的关系，重点研究路网的不同位置（相对市中心而言）的交通流特性。

（6）交通影响模型。

研究不同管制下交通的影响（包括交通安全、燃料消耗和空气质量等）。

（7）无信号交叉口理论。

主要利用数理统计和排队论研究无信号交叉口车流的可插车间隙和竞争车流之间的相互作用。

（8）信号交叉口交通流理论。

研究信号交叉口对车流的阻滞理论，包括稳态理论、定数理论和过渡函数曲线等。

（9）交通模拟。

研究模拟技术在交通流分析中的应用，介绍交通模拟模型的种类和建模步骤。

（10）交通分配。

研究交通分配的基本理论和方法以及这些理论和方法的应用。

上述10个方面的内容是交通流理论的经典内容，但不是交通流理论的全部内容。

近年来交通流理论的新的发展内容和新方法并没有反映出来，如，实时动态交通流预测的有关理论和方法没有明确提及。

这也正说明交通流理论发展需要不断地有人去整理和系统化，将新的内容不断地补充到交通流理论体系当中。

前面所提的专著基本上代表了目前经典交通流理论的内容和理论体系。

把研究个别车辆交通特性（如速度、车头时距等）的交通流理论称为微观交通流理论，把研究车队交通特性（如平均速度、密度、流量等）的交通流理论定义为宏观交通流理论。

强调宏观交通流的网络特性，只把网络交通流理论列为宏观交通流理论，而且研究内容仅限于网络平均流量、平均速度、平均密度等。

对交通流理论的这种划分存在着缺陷：

第一，如果这样划分交通流理论体系，那么以网络交通流特性为研究对象的交通流理论便被排除在这一理论体系之外，这不利于对网络交通流理论进行研究；第二，所定义的宏观交通流理论和微观交通流理论从研究范围看均不属于宏观范围，因为它们所研究的是某一点或某一路段的交通特性，与网络交通特性相比不具备宏观特点；第三，从目前需求来看，城市交通规划、城市交通面控、城市交通流诱导等都迫切需要以路网为研究对象的交通流理论，原有的交通流理论已经不能满足需求，因此，必须重新确定交通流理论体系。

根据交通流理论的定义，应该从时间和空间两个变量认识交通流的量测尺度问题。

从时间上可以把交通流划分为宏观、中观和微观，从空间上也可以把交通流划分为宏观、中观和微观。

另外，交通流理论研究内容可以划分成两大类：

一是交通流的生成规律，即科学地预测并描述从城市土地利用到居民分布，从居民分布到出行需求,从而产生交通流这一过程;二是交通流的运行机理，即运用模型、模拟的方法揭示路网点、线、面的交通流特性及其相互联系。

从空间角度，把研究某一点交通特性的交通流理论定义为微观交通流理论，把研究某一路段交通特性的交通流理论定义为中观交通流理论，而把研究路网交通流特性的交通流理论定义为宏观交通流理论；从时间角度，把研究较短时间范围（如1d以内）的交通流规律的交通流理论定义为微观交通流理论，把研究较长时间范围（如Id至la）的交通流规律的交通流理论定义为中观交通流理论，而把研究长时间范围（如1a以上）的交通流规律的交通流理论定义为宏观交通流理论。

这样，可以把交通流理论体系归纳如表1。

表1交通流理论体系

时间

空间

点

路段

路网

短

微观

中观

宏观

较长

中观

中观

宏观

长

宏观

宏观

宏观

对交通流理论进行上述归纳，有利于交通流理论体系的形成并促进交通流理论的发展O

3交通流理论研究的思想方法

真实交通流由于时间和空间两个变量和随机因素的影响，其变化规律是非常复杂的。

由于时间和空间可以无限分割，随机因素很难预测，事实上不同的时间和空间下的交通流状态很难相同，也就是说，精确的交通流规律很难找到。

因此，描述交通流真实状态的模型应该具备如下特点：

①是微分方程；②与时间和空间两个变量有关；③非线性；④随机性；⑤无穷维。

这样的交通流模型实际上是无法建立的。

由于条件的苛刻和解的复杂性，即便是建立了这样的模型也不会有实际意义。

在实际研究中，人们不得不根据实际需要建立抽象模型，即把真实交通流模型抽象成有穷维、时不变、确定性、线性的实用模型。

至于抽象的程度，主要取决于应用的目的。

比如，格林希尔治在研究速度和密度的关系时认为二者是线性关系，因此，建立了著名的格林希尔治线性k—U模型。

实际上这一模型在一般密度值范围内是能够表达这两个变量的关系的，是实用的。

但当密度值较大或较小时，模型的效果就明显变差，而格林伯的对数模型和安德伍德的指数模型恰恰解决了这一问题。

交通流理论是实践性很强的理论，建立交通流模型是为了解释交通现象和解决交通问题，因此，在建立交通流模型时不能脱离实际而追求形式上的完整和数学上的完善。

在这一过程中，应该充分重视两大环节：

一是模型结构建立；二是模型参数标定。

在第一个环节上重点研究设计什么样的模型才能对所关心的交通流现象有一个很好的描述，此环节的关键是对系统的识别，也即对所研究对象的充分认识。

这种认识越深刻，所建立的模型就越符合实际。

在第二个环节上重点研究如何确定模型中的参数使模型得以具体应用，参数的确定是一项非常具体、细致的工作，其好坏决定了模型的应用效果。

不论是模型结构的建立还是模型参数的标定，简单和适用是第一原则。

纵观交通工程领域所应用的交通流模型，绝大多数都比较简单且能解决实际问题，即便是推导过程比较复杂的模型，其应用模型形式也应比较简单，这样的形式有利于模型的推广。

如在著名的交通控制系统TRANSYT,SCATS和SCOOT中所应用交通模型和参数优化模型都不很复杂，但适用，这些模型表现出了很强的生命力。

相反，有些交通流模型，结构比较复杂，应用条件苛刻，尽管其对某些交通流现象具有良好的解释性，但由于其很难被人接受而失去其生命力或被应用的机会很少。

当然，推祟简单和适用并不等于拒绝复杂交通流模型，实际上在研究复杂交通流现象时简单的模型确实无能为力。

如用于城市交通流诱导的实时动态交通分配模型，用于描述城市路网点、线、面交通流相互关系的模型等，很难用简单模型表述。

实际上，随着计算手段的改善和交通工程技术人员素质的提高，复杂交通流模型的推广和应用的可能性越来越大，人工智能、控制理论等方法和手段在交通监控中的应用已经证实了这一点。

4交通流理论的研究进展

随着现代科学技术和方法的日趋完善，模拟技术、神经网络及模糊控制等研究手段也逐渐被应用于现代交通流理论中来。

其特点是所采用的模型和方法不追求严格意义上的数学推导和明确的物理意义，而更重视模型或方法对真实交通流的拟合效果。

这类模型主要用于对复杂交通流现象的模拟、解释和预测，而使用传统交通流理论要达到这些目的就显得比较困难。

（1）车辆跟驰模型新发展

随着交通科技进步，智能交通运输系统ITS、驾驶员信息诱导系统和车辆自动巡航系统AICCS的开发建立，传统的跟驰模型显然已不符合时代发展，分别针对ITS和AICCS适时开发了新的模型，提出了基于可变跟驰时间和随机因素的车辆跟驰模型。

跟驰模型作为ITS模拟论证与实际运营的基础理论，再次成为研究热点，其研究呈现出内容的细致化、深入化，手段和方法的多样化以及应用的专门化。

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