Mechanics 版 (精华区)

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标  题: 物理眼光看交通
发信站: BBS 哈工大紫丁香站 (Sun May 29 18:55:35 2005)

 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。 

    （作者系上海大学上海市应用数学和力学研究所教授、博士生导师）
 

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我始终无法想通，这个世界竟然有这样一些决策者，他们会使用最为轻率的，愚蠢的，对自 
己的统治毫无益处可言的方式，把那些花费相当长的时期，和相当多的代价培养的，已经对 
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会让我们失去对自己的祖国和民族的信心，贫穷不会，饥饿不会，甚至欺骗、蒙蔽和尚可容 
忍的不公正都慢慢变得不会。但是，有一种简单而直接的方式可以做到——赤裸裸地侵入我 
们温和的生活，告诉我们从此以后连幻想和互相安慰的空间也不会留下。——inking@SMTH 


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