用物理的眼光看交通 由歷史網(wǎng)資料整理

在物理學(xué)家的眼中，交通現(xiàn)象更是五光十色、流光溢彩。他們認(rèn)為，交通系統(tǒng)是一個(gè)由多個(gè)自驅(qū)動(dòng)粒子組成的復(fù)雜系統(tǒng)，他們把行進(jìn)著的車輛和行人看成自行驅(qū)動(dòng)的“粒子”，交通流與光線一樣，既有粒子性又有波動(dòng)性，因此，可以從宏觀和微觀的視角加以描述;物理學(xué)家還指出，交通網(wǎng)絡(luò)是一種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，由于構(gòu)成成分的多樣性(客車、轎車、非機(jī)動(dòng)車、行人)和運(yùn)行的隨機(jī)性，與一般的大網(wǎng)絡(luò)相比，其復(fù)雜性絕不遜色。

道路交通狀態(tài)大致可以分成3種：低密度的暢行交通(即自由流)、各車道的車輛齊頭并進(jìn)的高密度同步交通、更高密度的擁堵交通。在物理學(xué)家眼里，它們可類比為氣相、液相、固相這三個(gè)相，各相之間可以發(fā)生“相變”，到了某個(gè)臨界密度，相變就要發(fā)生。人們出行時(shí)就經(jīng)常遇到相變，最不愿意遇到的是從暢行交通相(經(jīng)同步交通相)到擁堵交通相的相變。而相變正是凝聚態(tài)物理學(xué)家的研究對(duì)象。他們發(fā)現(xiàn)，交通系統(tǒng)的相變中也存在著回滯(hysteresis：交通流量隨密度變化的回路特性)、成簇(clustering：擁堵集簇的形成)、相分離(phase separation：交通流態(tài)時(shí)斷時(shí)續(xù))等現(xiàn)象。從物理學(xué)的角度看來，交通運(yùn)行經(jīng)常遠(yuǎn)離平衡態(tài)，而制約它們的是復(fù)雜的非線性動(dòng)力學(xué)規(guī)律，因此，非平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)和非線性動(dòng)力學(xué)正可以大行其道，交通系統(tǒng)中充滿著自組織(系統(tǒng)自行進(jìn)入最佳臨界狀態(tài))、混沌、分叉、失穩(wěn)(進(jìn)入擁堵)等非線性現(xiàn)象。當(dāng)流體力學(xué)家審視交通系統(tǒng)時(shí)，自然地把交通流看作運(yùn)動(dòng)流體，其中充斥著各種密度波：在交叉口出現(xiàn)的擁堵車隊(duì)就是“交通激波”，綠燈一亮，車隊(duì)疏解，就出現(xiàn)了“交通稀疏波”，一般以固定速度向后傳播;在形成交通擁堵之前，一定會(huì)出現(xiàn)非線性失穩(wěn)現(xiàn)象，然后涌現(xiàn)各種各樣的“交通孤立波”：為力學(xué)、物理學(xué)界熟知的KdV孤立波、mKdV孤立波(紐結(jié)-反紐結(jié)孤立波)等等。

經(jīng)過幾十年努力，交通科學(xué)家們建立了數(shù)以百計(jì)的交通模型。對(duì)于道路交通流而言，有宏觀的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和流體動(dòng)力學(xué)模型、微觀的跟車模型和元胞自動(dòng)機(jī)模型(通稱為粒子跳躍模型)、介觀的氣體動(dòng)力論模型等。對(duì)于路網(wǎng)交通流而言，有早期的路徑選擇的用戶均衡原理與等價(jià)數(shù)學(xué)規(guī)劃模型、隨機(jī)效用模型、組合網(wǎng)絡(luò)模型，以及近期的隨機(jī)均衡分配模型、動(dòng)態(tài)交通分配模型、擁擠道路使用收費(fèi)理論與模型等。交通科學(xué)家動(dòng)用各種數(shù)學(xué)工具求出這些模型的解案，從而在交通工程實(shí)踐中分別得到了成功的應(yīng)用。

方興未艾的交通科學(xué)

交通科學(xué)是一門方興未艾的年輕科學(xué)。上世紀(jì)50年代，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，交通擁堵開始出現(xiàn)，現(xiàn)代交通科學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。近50多年來，人們對(duì)交通系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律逐漸有了較為清晰的了解。人們認(rèn)識(shí)到，交通系統(tǒng)是復(fù)雜的巨系統(tǒng)，具有明顯的隨機(jī)性、動(dòng)態(tài)性和復(fù)雜性。要研究和控制這種系統(tǒng)必須實(shí)行學(xué)科的綜合交叉，所涉及的學(xué)科有非線性動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、管理科學(xué)、交通工程學(xué)、信息科學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會(huì)學(xué)、心理學(xué)等等。廣義地說來，交通科學(xué)包括交通動(dòng)力學(xué)(或稱交通物理學(xué))、交通控制學(xué)、交通工程學(xué)、交通經(jīng)濟(jì)學(xué)、交通心理學(xué)等分支學(xué)科，是自然科學(xué)與社會(huì)科學(xué)的大集成，技術(shù)科學(xué)與數(shù)理科學(xué)的大交融。

交通科學(xué)的基礎(chǔ)是交通動(dòng)力學(xué)(交通物理學(xué))，專門研究分析交通系統(tǒng)四要素(人、車、路及環(huán)境)的相互作用，發(fā)現(xiàn)制約交通系統(tǒng)運(yùn)行的基本規(guī)律。

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