物理眼光看交通

概要： 在物理学家的眼中，交通现象更是五光十色、流光溢彩。他们认为，交通系统是一个由多个自驱动粒子组成的复杂系统，他们把行进着的车辆和行人看成自行驱动的“粒子”，交通流与光线一样，既有粒子性又有波动性，因此，可以从宏观和微观的视角加以描述；物理学家还指出，交通网络是一种复杂网络，由于构成成分的多样性（客车、轿车、非机动车、行人）和运行的随机性，与一般的大网络相比，其复杂性绝不逊色。 道路交通状态大致可以分成3种：低密度的畅行交通（即自由流）、各车道的车辆齐头并进的高密度同步交通、更高密度的拥堵交通。在物理学家眼里，它们可类比为气相、液相、固相这三个相，各相之间可以发生“相变”，到了某个临界密度，相变就要发生。人们出行时就经常遇到相变，最不愿意遇到的是从畅行交通相（经同步交通相）到拥堵交通相的相变。而相变正是凝聚态物理学家的研究对象。他们发现，交通系统的相变中也存在着回滞（hysteresis：交通流量随密度变化的回路特性）、成簇（clustering：拥堵集簇的形成）、相分离（phase separation：交

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    在物理学家的眼中，交通现象更是五光十色、流光溢彩。他们认为，交通系统是一个由多个自驱动粒子组成的复杂系统，他们把行进着的车辆和行人看成自行驱动的“粒子”，交通流与光线一样，既有粒子性又有波动性，因此，可以从宏观和微观的视角加以描述；物理学家还指出，交通网络是一种复杂网络，由于构成成分的多样性（客车、轿车、非机动车、行人）和运行的随机性，与一般的大网络相比，其复杂性绝不逊色。

    道路交通状态大致可以分成3种：低密度的畅行交通（即自由流）、各车道的车辆齐头并进的高密度同步交通、更高密度的拥堵交通。在物理学家眼里，它们可类比为气相、液相、固相这三个相，各相之间可以发生“相变”，到了某个临界密度，相变就要发生。人们出行时就经常遇到相变，最不愿意遇到的是从畅行交通相（经同步交通相）到拥堵交通相的相变。而相变正是凝聚态物理学家的研究对象。他们发现，交通系统的相变中也存在着回滞（hysteresis：交通流量随密度变化的回路特性）、成簇（clustering：拥堵集簇的形成）、相分离（phase separation：交通流态时断时续）等现象。从物理学的角度看来，交通运行经常远离平衡态，而制约它们的是复杂的非线性动力学规律，因此，非平衡态统计物理学和非线性动力学正可以大行其道，交通系统中充满着自组织（系统自行进入最佳临界状态）、混沌、分叉、失稳（进入拥堵）等非线性现象。当流体力学家审视交通系统时，自然地把交通流看作运动流体，其中充斥着各种密度波：在交叉口出现的拥堵车队就是“交通激波”，绿灯一亮，车队疏解，就出现了“交通稀疏波”，一般以固定速度向后传播；在形成交通拥堵之前，一定会出现非线性失稳现象，然后涌现各种各样的“交通孤立波”：为力学、物理学界熟知的KdV孤立波、mKdV孤立波（纽结－反纽结孤立波）等等。

    经过几十年努力，交通科学家们建立了数以百计的交通模型。对于道路交通流而言，有宏观的运动学模型和流体动力学模型、微观的跟车模型和元胞自动机模型（通称为粒子跳跃模型）、介观的气体动力论模型等。对于路网交通流而言，有早期的路径选择的用户均衡原理与等价数学规划模型、随机效用模型、组合网络模型，以及近期的随机均衡分配模型、动态交通分配模型、拥挤道路使用收费理论与模型等。交通科学家动用各种数学工具求出这些模型的解案，从而在交通工程实践中分别得到了成功的应用。

    方兴未艾的交通科学

    交通科学是一门方兴未艾的年轻科学。上世纪50年代，随着汽车工业的发展，交通拥堵开始出现，现代交通科学应运而生。近50多年来，人们对交通系统的运行规律逐渐有了较为清晰的了解。人们认识到，交通系统是复杂的巨系统，具有明显的随机性、动态性和复杂性。要研究和控制这种系统必须实行学科的综合交叉，所涉及的学科有非线性动力学、流体力学、统计物理学、应用数学、系统科学、管理科学、交通工程学、信息科学、经济学、社会学、心理学等等。广义地说来，交通科学包括交通动力学（或称交通物理学）、交通控制学、交通工程学、交通经济学、交通心理学等分支学科，是自然科学与社会科学的大集成，技术科学与数理科学的大交融。

    交通科学的基础是交通动力学（交通物理学），专门研究分析交通系统四要素（人、车、路及环境）的相互作用，发现制约交通系统运行的基本规律。

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