4交通流理论
36页1、第四章交通流理论交通流理论(Traffic Flow Theory)是研究交通流随时间和空间变化规律的模型和方法体系,被广泛应用于交通系统规划与控制的各个方面。前言部分是否过于简单,与其他章节不协调第一节 交通流理论的发展历程在本节中,我们一起回顾交通流理论的发展历程。交通流理论的兴起大致在20世纪30年代,在20世纪50年代到60年代经历了繁荣和快速发展,70年代以后,主要是对既有理论的发展完善和应用拓展。一、交通流理论的萌芽期萌芽期从20世纪30年代到第二次世界大战结束。由于发达国家汽车使用和道路建设的发展,需要探索道路交通流的基本规律,产生了研究交通流理论的初步需求。Adams在1936发表的论文中将概率论用于描述道路交通流,格林息尔治(Greenshields)在1935年开创性提出了流量和速度关系式(也就是格林息尔治关系),并调查了交叉口的交通状态。二、交通流理论的繁荣期繁荣期从第二次世界大战结束到20世纪50年代末。汽车使用显著增长和道路交通系统建设加快,应用层面对交通特性和交通流理论的研究提出了急切需求。此阶段是交通流理论最为辉煌的时期,经典交通流理论和模型几乎全部出自这
2、一时期。交通流理论中的经典方法、理论和模型相继涌现,如车辆跟驰(Car-following)模型、车流波动(Kinematic Wave)理论和排队论(Queuing Theory)。这一时期群星闪耀,许多在自然科学其他领域中的大师级人物(如数学家、物理学家、力学家、经济学家)都投入到交通流理论的研究中,其中不乏诺贝尔奖金的获得者,如1977年的诺贝尔化学奖获得者伊利亚普列高津(Ilya Prigogine)。著名人物有赫曼(Herman)、鲁切尔(Reuschel)、沃德卢普(Wardrop)、派普斯(Pipes)、莱特希尔(Lighthill)、惠特汉(Whitham)、纽维尔(Newell)、盖热斯(Gazis)、韦伯斯特(Webster)、伊迪(Edie)、福特(Foote)和钱德勒(Chandler)。距今六十多年过去了,前辈当初是如何创建交通流理论已经变得有些模糊,交通流理论的先驱之一Newell为此特意撰了一篇论文Memoirs on Highway Traffic Flow Theory in the 1950s,刊登在运筹学的顶级刊物Operations Resear
3、ch2002年第1期上(交通流理论的许多早期成果都发表于这本刊物),回顾大师们是如何投身到这一崭新的领域中来,沿用至今的方法和模型当初是如何建立的。以下我们摘录一部分。1952年,Wardrop在其论文中提出了“用户最优”与“系统最优”,也就是我们在交通系统规划四阶段法之交通分配中广为应用Wardrop第一平衡原理和第二平衡原理。1954年,美国Brown大学应用数学的著名教授William Prager,做了公路交通“流体理论”的讲演,他所描述的理论实质上是后来Lighthill和Whitham(1955)发表的著名论文中的内容。1954年,Edie 在Operations Research上发表了公路收费站延误的论文。1955年,Newell一篇关于低密度交通的论文发表在Operations Research。1955年,Lighthill (一位流体力学、空气动力学等领域的世界权威)和Whitham将交通流比拟为流体,提出了流体力学模拟理论(或称车流波动理论),而在1956年Richards提出了类似的激波理论。1955年,Daniel Gerlough发表了一篇用Poisson
4、分布描述交通的论文,倡议公路研究委员会(Highway Research Board(HRB),即后来的TRB)成立交通流理论学会。1958年,Chandler、Herman和Montroll共同发表了关于车辆跟驰模型的论文,Kometani和Sasaki同年在日本的运筹学杂志提出了类似理论。1958年,英国道路研究实验室(RRL)(即现在运输与道路研究实验室(TRRL)的Webster借助于数值模拟和曲线拟合得到了固定周期交通信号灯的延迟时间公式。而经济学家Beckmann等人则研究交通经济,推广了Wardrop的研究,并更注重收费政策,并在1955年由耶鲁大学结集出版。交通流理论的学术交流活动也日益频繁。许多交通流理论的早期论文都在Operations Research发表,Operations Research关于交通问题的特刊在1964年出版,而由美国运筹学会主办、Robert Herman任主编的高水平交通研究杂志Transportation Science也在1966年创刊。在Robert Herman的倡导和积极组织下,第一届交通流理论国际会议(First Interna
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