交通拥堵问题研究 毕业论文

交通拥堵问题研究

追究城市交通拥堵的原因，比照国际交通研究和建设的状况，人们发现，关键还是在于观念、认识上的差距。具体来说，是由于交通建设中的“大经验，小科学”做法在作怪。当前，交通拥堵问题已成为制约社会、经济发展的瓶颈。解决交通问题的关键在于大力开展交通科学研究，促进交通科学与交通技术的协调发展，使交通工程实践立足于更科学、更有效的基础上。

触目惊心“交通难”

2003年全国因交通阻塞导致经济损失2000亿元，约占当年GDP的2%。目前，居住在大中城市的人们莫不饱受“交通难”之苦。1991年上海市的航测资料表明：交通高峰期，市中心区域的机动车平均速度为每小时15公里，而最低速度为每小时4公里，即低于正常的步行速度；最新的统计资料表明：北京市和上海市中心城区的平均车速为每小时20公里。据统计分析，世界上每个“城里人”在一生中，无谓地耗费在拥堵的车流中的时间平均达10昼夜之久！

交通拥堵造成严重的经济损失。根据美国的资料，交通要道上拥挤的车流造成的时间耽搁每年达50亿小时，交通拥堵带来的经济损失每年超过1000亿美元；据我国有关部门的统计分析，2003年全国因交通阻塞导致的经济损失为2000亿元，约占当年GDP的2%。交通拥堵引起车辆频繁减速和加速，交通运输效率随之下降，额外消耗大量能源，并且使得废气排放剧增。研究表明，当汽车的时速从40公里/小时降至10公里/小时之时，燃料消耗量增加一倍，环境负荷增加2～4倍。1998年，北京市机动车排放NOx、CO的分担率高达46%和63%；上海市机动车CO的排放分担率在1996年就高达61%。机动车废气是低空排放，对人类健康威胁更大。

交通的拥堵和混乱还使得交通事故更加频繁地发生。2004年，我国发生交通事故567753起，造成99217人死亡（几乎占全球总数的一半），451810人受伤，直接经济损失高达27.7亿元。改变现状路何在？最根本的出路在于发展交通科学研究如今，上至政府官员，下至平头百姓，都迫切希望“交通难”问题能早日得到解决。大而言之，此举直接影响社会、经济的发展，且关乎国家和城市的形象。例如，美国亚特兰大市在1996年奥运会期间，严重的交通拥塞曾经恶名远扬，“交通大国”的形象大大受损；而悉尼奥运会期间畅通的交通使得举办国备受赞扬。现在，北京为办好“科技奥运”，正不遗余力地着手解决北京的交通问题。小而言之，长期的出行不便，会使百姓苦不堪言、怨声载道。那么，解决问题的出路何在？

加大交通设施建设力度当然是一种出路。我国的大中城市近年来投入交通建设的资金成倍增长。据统计，近年来，我国城市交通建设方面的投资每年逾3000亿元。以上海市为例，每年交通建设投资已超过百亿元，“申”字形高架路网已然形成（目前正计划在内环线与外环线之间兴建中环线），交通状况有所改善，但依然存在诸多问题：有些新建的高架路成了“高架停车场”，经常出现“大动脉比较畅通，微血管更加堵塞”的情形等等。更何况，交通建设不仅费钱费时费力，而且存在着土地资源、环境控制等方面的限制，不能无约束地发展路网。

挖掘现有交通资源的潜力是很好的出路。即使有了蛛网般的道路，如果管理不善，交通会拥堵依旧。例如，北京市四环路的设计通行能力是每小时1500辆机动车，但如今当交通流量达到每小时500辆车时就出现拥堵，其中的问题令人深思。而如何使现有的交通资源得到充分利用则是一个科学问题。

最根本的出路在于发展交通科学研究，用以指导交通工程实践。物理学家乔杜里等人在2000年《物理学报告》上发表的一篇权威性评论中指出：“交通科学基础研究的目的是发现制约交通系统的基本规律；交通工程的主要目的是交通网络和交通控制系统的规划、设计和实施。物理学家对交通科学的贡献在于建立交通模型，得出关于制约交通现象的基本原理的重要结论；也有人投身研究快速在线仿真和交通控制战略，以优化交通流。”这方面的一个范例是：纽约市原来准备投建连接曼哈顿与新泽西的第二条隧道。有些交通科学家建议：加强交通灯管理，使交通一直处于高效的同步交通流状态，这样一来，原有隧道的运能提高了20%，省却了新建隧道的费用。

他山之石可攻玉

二战时期研究原子弹的美国洛斯阿拉莫斯国家实验室里，如今有一批科学家在全力研究交通流

据了解，各个发达国家在交通科学基础研究的投入每年数以千万美元计。例如，上世纪90年代，美国公路局斥资6000万美元，设立TANSIMS（交通仿真系统）项目，收到了立竿见影之效，交通科学家们利用1992年刚提出来的元胞自动机交通流模型，很快地将基础理论实用化，并选择达拉斯和波特兰这两个中等城市作为试点，进行了可靠的交通分析和交通规划；美国还提出了ISTEA法案（也称“冰茶”法案），专门发展智能交通系统；英国和澳大利亚的交通科技专家研制出了交通分析、监控软件包SCOOT和SCAT，并广泛投入使用。

在巨额经费资助下，大批优秀科学家进入交通研究领域。二战时期研究原子弹的美国洛斯阿拉莫斯国家实验室里，如今有一批科学家在全力研究交通流，他们通过研究发现，交通流问题并不比他们以往研究的现代物理学问题简单。许多闻名遐迩的科学家做了开创性的工作，其中，物理学家普利高津（诺贝尔奖获得者）和赫尔曼（美国科学院院士）率先提出了气体动力论交通流模型，并撰写了相应的专著；流体力学家赖特希尔（英国皇家学会会员）和他的学生惠瑟姆于1955年发表了里程碑式的论文《论运动学波》，提出了交通流的运动学模型；经济学家维克利（诺贝尔奖获得者）建立了著名的交通瓶颈排队模型，麦克法登（诺贝尔奖获得者）则创建了交通行为离散选择理论。在他们的带动下，各个学科的后起之秀纷纷脱颖而出，做了大量的独创性工作。

在政府机构和企业部门的资助下，许多大型交通科技计划纷纷出台，除了前面提及的美国TRANSIMS计划以外，欧洲有EURECA计划，德国有ATTS/ ATMS计划，日本有SMARTWAY/VICS计划。这些大型项目以交通科学为基础，动用大量高科技手段，研制出上百种软硬件，直接用于改善交通状况，已收到明显的效果。值得一提的是，发达国家近年来特别关注交通智能化和一体化的研究，充分利用信息科学的新成果，将交通系统的运行置于更为科学、先进的基础上。

由于采取了上述措施，发达国家大中城市的交通拥堵状况要比我国缓和。例如，东京、巴黎这样的国际性大都市，机动车拥有量远大于北京、上海，交通运行状况则要好得多。

“大经验，小科学”害人不浅

在我国交通发展过程中，交通科学没有赢得其应有的地位，我国交通建设（特别是道路建设）的预研经费偏少。现在要回答的问题是：近年来，我国在城市交通领域的投入可以说不少，为什么收效不够理想？过去人们说：“交通堵到哪里，路就修到哪里。”现在人们则常说：“路修到哪里，交通就堵到哪里。”到底原因何在？追究城市交通拥堵的原因，表面上看来，是由于我国经济腾飞，促使交通需求快速增长，导致供需失衡；加上基于历史的原因，原有交通系统的结构、布局不合理，改造起来费时费力；再加上公民的交通法规意识较弱，降低了交通系统的运行效率。但是，如果追究深层次的原因，比照国际交通研究和建设的状况，人们发现，关键还是在于观念、认识上的差距。具体来说，是由于交通建设中的“大经验，小科学”做法在作怪，也就是说，在交通发展过程中，交通科学没有赢得其应有的地位。说得更具体一些，“大经验，小科学”的表现形式是：重技术，轻科学；重现象，轻机理；重施工，轻预研。

在许多人的脑海里，“科技”不分家，一谈到改善交通状况，马上想到要利用什么技术，实施什么工程。实际上，科学和技术是有紧密联系的两回事，科学是技术的基础，技术则是科学发展的推动力；一切技术的发展必须以科学的发展和应用为基础。笔者听过一个报告，论及科学、技术与工程的关系，其中指出：科学、技术、工程的投入比大致为1:10:100，而科学方面的投入不可或缺，但还是有不少人没有想清楚这一点。笔者了解到，每上一个工程（例如道路建设工程），一定会进行预可行性研究和工程可行性研究，通常邀集相关的工程界人士，绝少想到邀请科学家参加。也就是说，科学家对交通工程建设很少有发言权。而目前交通工程界中有不少人比较崇尚经验，对许多具体问题较少上升到交通科学的理论高度来认识；而且，他们经常疲于奔命地投入各种工程项目，“充电”时间较少，对上世纪90年代以来交通科学蓬勃发展的成果知之甚少，工程实施就难免观念陈旧，顾此失彼，难以达到先进水平。

一般来说，我国交通建设（特别是道路建设）的预研经费偏少。实际上，在计算机技术高度发达的今天，待建工程的交通运行状况完全有可能在计算机上预先实现仿真！只要掌握了真实的或可预测的交通数据，并采用恰当的物理、数学模型，这种仿真可以做到惟妙惟肖的程度，可是，目前这样的工作少之又少。于是，有的立交桥建了拆、拆了建，往复循环，不知道浪费了多少民脂民膏！笔者还了解到，某段高速路建成后，忘了开辟中途的进出通道，只得事后改建。假若进行充分的科学预研，这类情况就不会发生。

应该承认，我国的交通科学研究现状远不能令人满意。最近，中国科技大学教授吴清松做过一次SCI论文检索，以“交通”（“traffic”）为关键词，检索了从1990年到2005年这16年间的状况。检索到的论文总篇数为28230篇，其中美国9891篇（约占35％），中国大陆461篇（约占2％）、香港特区538篇、台湾省755篇。从中大致可看出我国交通科学发展的落后态势。这种落后态势带来的后果是：交通的规划、建设、管理和控制缺乏先进的、科学的理论指导，交通建设效率不能充分提高，现有交通资源难以充分利用，交通路网结构不合理的现状难以迅速改变。总的结果是：尽管投入大量人力物力，交通拥堵的现状难以迅速改变。

因此，我们认为，要增加交通建设的有效性，当务之急是改变目前的“大经验，小科学”的现状，把发展交通科学放到首要的位置。

三大误区要消除

主管部门应区分交通科学和交通工程，努力促进两者的协调发展，尽快地将先进的科学理论转化为生产力由于国内很多人对交通科学了解得不多，要大力发展交通科学，有三个误区必须消除。

一是“交通非科学”。

不少人认为，交通过程中，没有多少科学问题，要有，也是社会科学或行为科学问题。其实，交通过程中蕴涵了大量科学问题，交通科学是一个朝气蓬勃的新兴科学学科。现在我们就看看交通拥堵问题。试问：交通拥堵的形成和演化机理是怎样的？已形成的拥堵如何疏解？这其中就有数不清的科学问题。从微观上，需要用适当的数学物理方法，建立路段交通流模型；用统计数学工具进行参数辨识；用先进的算法进行仿真和模拟；用数理科学知识分析仿真结果。从宏观角度看来，运用运筹、控制、系统科学的方法，分析路网交通流对拥堵的影响；用复杂性科学分析路网拓扑结构的效应。可以毫不夸张地说，穷一位交通科学家的毕生精力，也难以完整地给出上述问题的圆满答案。当然，交通问题往往也涉及行为科学，合格的交通科学家会经常注意这些因素。笔者认为，交通科学是一种非常典型的技术科学，它有极强的应用背景，它的任何发展都是为了实际应用，而“纸上谈兵”式的所谓交通理论没有什么生命力。

二是“发展交通主要是政府行为”。

有人认为，交通规划、建设和管理的决策权主要掌握在政府主管部门手里，交通工程师的权限有限，更谈不上交通科学家了。这是一种误解。现在的问题是，政府要多倾听交通科学家的真知灼见，交通科学家也应与工程师们通力合作，在解决交通问题的过程中发挥应有的作用。当然，交通界人士也要用先进的交通科学知识去影响有关决策者。

三是“交通科学远水解不了近渴”。

有人认为，交通科学家的理论发挥不了什么直接作用，这是一种偏见。最好的解决办法是：交通工程师努力学习交通科学理论，而交通科学家要不断参与交通工程实践，为交通工程师不断提供解决问题的工具。主管部门应区分好交通科学和交通工程，努力促进两者的协调发展，尽快地将先进的科学理论转化为生产力。

尽管交通科学目前仍处于发展阶段，但已经能为当前的交通工程实践提供科学的理论依据。只要遵循“以交通科学来指导交通工程实践，以交通工程实践引导交通科学的发展”这一原则行事，解决“交通难”问题决非可望而不可及的事情。理想的做法是，进行城市交通规划和建设时，交通工程师与交通科学家通力合作，充分了解交通的总体供需关系，对交通运行状况做全面的预测和分析，设计科学合理的交通网络，对可能的拥堵及其演化机理有透彻的认识，通过全面的预研、仿真，事先消除可能的交通瓶颈，并对交通拥堵给出控制对策。总之，宏观地做出科学决策，避免可能出现的问题。在整治交通时，对各种交通方式做出全面分析，科学地确定问题的症结。在整个过程中，必须以先进的交通科学原则来引领。

科学引路保畅通发展具有中国特色的交通科学是我国交通科学家的重任

我们欣喜地注意到，我国的许多部门已逐渐认识到发展交通科技的重要性，“十五”期间，投入发展智能交通系统研制的经费就数以十亿计；国家自然科学基金委员会近年来为交通科学基础研究立项的强度逐年增长，至今已资助了数以百计的交通科学的基础研究项目。以作者熟悉的基金委数学物理科学部为例，5年来，设立了十几个相关的项目，其中包括国家自然科学基金重点项目“城市交通流研究”。这些项目对发展我国的交通科学和交通工程起了很大的作用。近年来，科技部在确立“973”基础科研项目时，也注意到了交通科学项目的立项。

应该注意的是，我国是一个发展中国家，历史条件决定了我国的交通系统明显地有别于发达国家，因此，我们不能照搬国外的交通流理论，必须在学习、调研、借鉴的基础上，发展具有中国特色的交通科学，这是我国交通科学家的重任。

为了更好地发展交通科学，作者提出如下建议：

1）充分认识发展交通科学研究的重要性。以此为基础，才有可能以高屋建瓴的目光，做出科学的交通决策，提出可靠的建设方案；

2）大力提倡交通科学与交通技术的密切结合，在解决交通问题时自觉地实现两个“拳头”出击，做到交通科学与交通工程的协调发展；

3）认清在交通科学方面我国与先进国家的差距，急起直追。首先要大大增加这方面的投入。尽管近年来已设立了一些研究项目，但与我国近万亿的交通基础建设投资相比、与缓解交通拥堵的迫切需要相比、与交通大发展对基础科学研究的呼唤相比，无论是资助项目数量，还是资助强度，都还显得远远不够。

物理眼光看交通

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