車輛流理論

車輛流理論也稱交通流理論，是分析研究道路上交通流(單個的或成佇列)的運行規律，探討車流流量、流速和密度之間的關係，以求減少交通延誤、降低事故和提離道路交通設施使用效率的理論。交通流理論萌芽於20世紀30年代，起初是套用機率論分析交通流量和車速的關係。

基本介紹

• 中文名：車輛流理論
• 外文名：Traffic flow theory
• 別名：交通流理論
• 定義：探討車流流量、流速和密度的關係
• 時間：20世紀30年代
• 學科：交通工程

理論及其分類

交通流理論是研究交通流隨時間和空間變化規律的模型和方法體系。交通流理論是不斷發展中的科學，涉及的範圍及其研究內容：咋常廣泛，常常運用數學、物理學與控制論等科學思想與方法，建立能描述實際交通一般特性的交通流模型，以揭示控制車輛行為的基本規律，從而更好地為指導交通工程部門規劃、設計和完善交通網路與交通控制服務，從而有效地利用交通資源，改善交通供求關係，以科學的交通理論來指導交通規劃、建設和交通運營。

按照研究手段和方法，交通流理論可劃分為以下兩類。

1．傳統交通流理論

所謂的傳統交通流理論是指以數理統計和微積分等傳統數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，模型的物理意義明確，如交通流分布的統計特性模型、車輛跟馳模型、交通波模型、車輛排隊模型等。傳統交通流理論在日前的交通流理論體系中仍居主導地位，並且在套用中相對成熟。

2．現代交通流理論

現代交通流理論是指以現代科學技術和方法（如模擬技術、神經網路、模糊控制等）為主要研究手段而形成的交通流理論。其特點是所採用的模型和方法不追求嚴格意義上的數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。這類模型主要用於對複雜交通流現象的模擬、解釋和預測，具有很好的前瞻性和動態實時擬合性。

傳統交通流理論和現代交通流理淪並不是截然分開的兩種交通流理論體系，只不過是它們所採用的主要研究手段有所區別，在研究不同的問題時它們各有優、缺點。在實際研究中常是兩種模型同時使用效果更好。

傳統的實時交通流管理方法均存在不同的局限，不能適應現時迅猛增長的城市交通流量和日益複雜的城市道路網路系統—近年來，隨著計算機技術的發展，創造並發展了交通模擬技術，為交通流理論的發展提供了新的思維空間，人下智慧型和現代控制理論越來越多地被用來描述和分析交通流的某些過程或現象，並用以解決交通系統最佳化等問題。除了計算機，現代的檢測技術、通信技術、控制技術和衛星定位技術等也為交通流理論的發展提供了廣泛的思維空間和技術保障。可以說，未來交通流理論的發展與交通運輸工程的需要和科學技術的發展緊密相關、而目前ITS技術的研製開發和人工智慧在各行業的廣泛套用，為實時動態交通流分配理論的提出和實現提供了良好的內外部環境。

現狀及發展趨勢

任何理論的發展都離不開客觀需求和支持其發展的客觀環境。交通流理論的發展也是一樣。

經過幾十年的發展，可以說基於數理統計和微積分等經典數學、物理方法的微觀交通流理論已經趨於成熟。現階段及在今後相當長的一段時間內，從交通流理論研究手段和方法上看，交通流的發展表現為兩種趨勢：一是利用計算機模擬技術；二是套用現代理論方法（如人工智慧、神經網路、模糊控制）；利用計算機模擬技術研究交通流理論不僅可以使研究對象和結果更加形象生動，而且可以把那些用數學模型難於精確表達的複雜交通流現象進行快速處理和歸納，為交通控制和實時動態交通分配提供依據。

最近，美國公路交通部門研製開發了一種實時路線決策支持系統。此系統採用了基於實例推理系統( CBR)和隨時搜尋算法的人工智慧(Al)方法。用於實際交通管理後可及時將交通信息採集系統反饋情報提供給學習模組，以判斷決策成功與否。同時，通過對交通系統的仿真研究，可以得到交通流狀態變數隨時間與空間的變化分布規律及其與交通控制變數間的關係，從而實現對現有和未來系統的行為進行再現或預先把握。到目前為止，國內外已推出了幾百種交通仿真軟體，套用較多的有VISSIM、PA-RAMICS、AIMSUN等。

我國城市交通流的低速混合現狀不可能迅速改變，行人、非機動車和機動車的混合所造成的複雜性，遠比國外交通情況複雜很多。建立符合我國國情的交通流理論模型，開發套用軟體，用於指導工程實踐是擺在我們面前的迫切問題。我國現代交通流研究起步較晚，但研究成果顯著+ 20世紀90年代以來，部分力學界、物理學界學者投入到交通流的理論研究，他們在元胞自動機模型、流體力學模型和跟馳模型的研究中取得了一些成果，在國際上產生了一定的影響。近年來，國家自然科學基金委員會支持了一批交通流基礎研究項目，越來越多的人開始關注和投入相關的研究。

主要內容

交通流理論的主要內容有機率論的套用、排隊論的套用、車流波動理論和跟車理論。

機率論的套用

主要套用機率論方法研究車流的分布規律。車流的統計分布是用機率論方法研究交通現象的基礎，同時也直接套用在轉彎車道長度的設計、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。常用機率論方法研究的車流分布有車流計數分布、間隔分布和車速分布三種。①車流計數分布：在每個時間區間內到達某地車輛數的機率分布，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,計數分布符合泊松分布；交通擁擠、車輛連續行駛時，計數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（前後到達車輛車頭間相隔距離，以秒表示）的機率分布。計數分布屬泊松分布時，相應的間隔分布符合於負指數分布；計數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各種車速的機率分布。轎車在緩坡路段上自由行駛時，車速分布符合常態分配；高速幹道上車流的車速分布符合對數常態分配。

排隊論的套用

排隊論是研究分析服務對象發生排隊擁擠現象的一種數學理論。是運籌學的一個重要內容。排隊論主要研究等待時間，排隊長度的機率分布，以便合理協調“服務對象”與“服務系統”之間的關係，使之既能滿足“服務對象”的要求，又能最大限度地節省服務系統的經費。1936年亞當斯首先套用排隊論研究無信號道路交叉口的行人延誤問題。以後，在交通工程領域內，把信號交叉口、停車場、加油站等交通設施都看作“服務系統”，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套用。近來用排隊論研究信號交叉口前的車輛排隊現象及其所造成的車輛延誤，並根據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，或根據整個地區各交叉口上車輛延誤時間總量最小的目標來實現區域交通控制的最優方案，這是排隊論在交通工程中套用的一個重要方面。

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係的一種理論。這種理論把整批車輛作為考察對象，所以是一種巨觀的分析方法。車流波動理論假定車流中各單個車輛的行駛狀態完全一樣，所以有遠離實際的缺點。儘管如此,這種理論在“流”的狀態較為明顯的場合,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。

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，後車跟隨前車的行駛狀態，並用數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係，所以是一種微觀的分析方法。在連續行車情況下，後車要與前車保持一定的安全距離而經常隨著前車改變車速，這種改變可簡略地表達為：

後車車速變化－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係的表達式。因此，只要有了某一車流的速度、流量的觀測統計數據，就可套用上述理論，建立表征該車流行駛狀態的數學模型。跟車理論常用於考察高速公路上車輛尾撞事故、交通信號的自動控制等。

機率論方法適用於研究低密度車流，而流體力學和動力學方法則適用於研究高密度車流。由於交通流理論的研究成果與實際交通現象還有差距，尚難於套用。今後交通流理論的研究應轉向套用方面發展。在一些國家存在大量腳踏車與機動車在道路上混合行駛的情況下，研究腳踏車流以及與機動車流的相互關係，是交通流理論研究的新課題。