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1、第一章 绪论交通流理论是研究交通流随时间和空间变化规律的模型和方法体系。多年来，交通流 理论在交通 运输工程的许多领域，如交通规划、交通控制、道路与交通工程设施设计等都 被广泛地应用着，应该 说交通流理论是这些研究领域的基础理论。近些年来，尤其是随着 智能运输系统的蓬勃发展，交通流 理论所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 论已经用于解决交通运输研究中遇到的复杂 问题，又如随着计算机技术的发展，模拟技术和方法越来 越多地被用来描述和分析交通运 输工程的某些过程或现象。第一节 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
2、密切相关，在交通运输 业发展的不 同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。按照时间顺序，交通流理论可以划分为三个阶段。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（ Bruce D.Greenshields） , 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
3、交通状态进行调查。正是 由于其奠基性工作，人们常常称格林希尔治为 交通流理论的鼻祖。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（car following ）理论、基于流体力学的交通波理论（traffic wave theory）和排队理论（queuing theory）等。此时期造就的本领域
4、的代表性人物有：沃德洛尔（Wardrop ）、鲁契尔（Reusche）、 派普斯（Pipes）、莱特希尔（Lighthill ）、惠特汉（Whitham）、纽厄尔（Newel ）韦伯斯特（Webster）伊迪（Edie）佛特（Foote）张德勒（Chandler）赫尔曼（Herman）等。 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，交通已经 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加以解决。正是这种需 求，使交通流理论得到 了稳步发展。 1959年举行了第一次国际研讨会（ The First InternationalSymposium on t
5、he Theory of Traffic Flow ），并确定本次会议为三年一次的系列会议 （ Series of Triennial Symposia on the Theory of Traffic Flow and Transportation ）的首次会议。除了 这一系列 会议以外，近些年来在世界各国又举行了许多交通运输领域的专题学术年会，这 些年会都涉及到了 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。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，模型的物
6、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， 并且在应用中相对成熟。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
7、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。第二节 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 论下这样 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 美国的 交通流理论专著 （ MONOGRAPH ON TRAFFIC FLOW THEORY ）1975 年版（以 下称书 一） 和 1996年版（以下称书二） 的研究内容以及阿道夫 ?梅 （May, Adolf D. ）
8、的交 通流理 论（ TRAFFIC FLOW FUNDAMENTALS ）1990年版（以下称书三）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 （ Traffic S tream Characteristics ） 研究表示交通流特性的三个参数： 流量、速度、密度的调查方法、分布特性及三者之间关系的模型。（ 2 ）人的因素（ Human Factors） 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（ Car Following Models） 研究车辆的跟驰行为、交通的稳定性 和加速 度干扰等数学模型。（ 4 ）
9、连续流模型（ Continuous Flow Models） 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（ Macroscopic Flow Models ） 在宏观上（即在网络尺度上）研 究 流量、速度和密度的关系，重点研究路网不同位置（相对城市中心而言）的交通流特性 （书二）。（ 6 ）交通影响模型（ Traffic Impact Models） 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（ Unsignalized Intersection Theory ） 主要利用数
10、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 （the Theory of Traffic Flow at Signalized Intersections ） 研究信号交叉口对车流的阻滞理论，包括交通状态分析、稳态理论、定 数理论和 过渡函数曲线等。（ 9 ）交通模拟（ Traffic Simulation ） 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（ Traffic Assignment） 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。上述这 10 个方面的
11、内容是前面所提的三部专著中的主要内容，是交通流理论的经典 部分，但 还不是交通流理论的全部内容，近年来交通流理论发展的新内容和新方法并没有 反映出来，如对实 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 理论的发展需要不断地有人 去整理并加以系统化，将新的内容不断地补充到交通流理论体 系当中来。作为教材，本书并未涉及那些未成体系的部分，仍然以上述内容为核心，包括了上述 内容的前八个部分，舍去了交通模拟和交通分配两部分，这两部分内容已在专门的教材中 编写。第三节 交通流理论的理论体系关于交通流理论的专著并不多见，国内到目前为止还未见到这类专著，前面所提的三 本国外专著 基本上代
12、表了目前美国经典交通流理论的内容和理论体系。就理论体系而言， 书一不划分宏观交通流 理论和微观交通流理论，而书二和书三划分宏观交通流理论和微观 交通流理论， 但这两本书中宏观 和微观的含义有所不同。 书三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。而书二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。编者认为书三对交通流理论的划分存在着缺陷： 第一，如果这样划分交通流理论体系， 那么以 网络交通流特
13、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、城市交通控制、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。对于书二，只把网络交通流理论看作宏观交通流理论，并没有说明宏观交通流理论到 底包括哪 些内容或具有什么特征，也没有说明什么是微观交通流，缺乏对比性，使人无法 理解宏观和
14、微观的 真正含义。根据交通流理论的定义，应该从时间和空间两个变量来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 是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，即是通过运用模型和模拟的方法揭示路网点、线、 面的交通流特性及其相互联系。编者的观点是：从空间角度，把研究某一点或断面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
15、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内 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内交通流规律的交 通流理论定义为中观交通流理论，而 把研究长时间范围内交通流规律的交通流理论定义为 宏观交通流理论。这样，我们可以把交通流理 论体系归纳如下表：空间时间占八、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和促进交通流理论的发 展。由于只 是编者本人的观点，并未作为本书的理论体系，在此提出本观点仅供读者参考 和讨论。第四节 交通流理论研究的思想方法真实交通流具有时间、
16、空间两个变量，同时还受随机因素的影响， 变化规律非常复杂。 由于时间和空间可以无限分割，随机因素很难预测，导致不同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。 描述交通流真实状态的模型应该具备 如下特点：1）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，而且由于条件的苛刻和求解的复杂性，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，由此建立了著名的格林希尔治k u线 性模型。经检验，这一模型在一般密度值范围内能够表达这
