交通擁堵和管理并不是新話題
      1868年英國(guó)倫敦出現(xiàn)第一盞交通燈；大約一個(gè)世紀(jì)之前機(jī)動(dòng)車開始量產(chǎn)。大量出現(xiàn)的機(jī)動(dòng)車革新了陸路交通，也帶來了前所未見的交通大擁堵。實(shí)際上，早在古羅馬時(shí)代的龐貝城，交通管理就已經(jīng)出現(xiàn)了。
      近年來，許多不同領(lǐng)域的研究者都投入到解決交通擁堵問題的研究之中，其中包括了數(shù)學(xué)、物理學(xué)和工程方面的專家。他們從不同的角度入手，建立了許多種數(shù)學(xué)模型，但至今尚未找到公認(rèn)的建模過程中的首要法則。
      美國(guó)密歇根大學(xué)安娜堡分校的機(jī)械工程專家蓋博·奧羅茲（Gábor orosz）在10月13日的英國(guó)《皇家學(xué)會(huì)自然科學(xué)會(huì)刊A輯》上發(fā)表了一篇綜述，總結(jié)了目前主要的交通擁堵模型及它們遇到的挑戰(zhàn)。
      他在文章開頭即引用了普林斯頓高等研究院物理學(xué)教授弗里曼·戴森（Freeman Dyson）的故事。那是在1953年，戴森任教于康奈爾大學(xué)，他和他的研究生們花費(fèi)大量精力計(jì)算介子-質(zhì)子散射，得出的結(jié)果與著名物理學(xué)家費(fèi)米的實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得很好。他就很高興地帶著自己的計(jì)算結(jié)果去見費(fèi)米。費(fèi)米卻問他：“你在計(jì)算中用了多少任意參數(shù)？”戴森想了一下說：“四個(gè)?！辟M(fèi)米于是說：“我記得我的朋友約翰·馮·諾依曼過去常常說，有四個(gè)參數(shù)我就能擬合一頭大象，有五個(gè)參數(shù)我就能讓象鼻子擺動(dòng)。”后來物理學(xué)的發(fā)展的確證明了戴森當(dāng)年做的是無用功。
      交通擁堵的模型中同樣存在許多參數(shù)。奧羅茲想用這個(gè)例子說明，目前的研究方式很容易抓住交通上的某些特性，但也同樣很容易遺漏一些必要的特性?！痘始覍W(xué)會(huì)自然科學(xué)會(huì)刊A輯》10月13日這期雜志是“交通擁堵”?？?，其中文章從動(dòng)力學(xué)角度探討交通問題，代表了世界上當(dāng)前從該角度研究交通擁堵的最高水平。
汽車構(gòu)成的波浪
      十幾年前，研究人員就提出，本來通暢的道路上會(huì)忽然莫名其妙地出現(xiàn)擁堵，而擁堵的傳播是以“激波”的形式進(jìn)行的。2008年，一組日本物理學(xué)家在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)上重現(xiàn)了車流中的激波。
      研究人員讓22輛汽車均勻間隔，在一條230米長(zhǎng)的單車道環(huán)路上行駛，并且告訴司機(jī)以30公里的時(shí)速駕駛。起初，車輛之間相安無事，行駛通暢。但沒過多久，車輛之間的距離就開始發(fā)生變化，一些車“擠壓”在一起，道路上車的密度變得不再均勻。隨著時(shí)間的推進(jìn)，情況變得越來越糟，有幾輛車一度甚至幾乎停了下來。前面的車一旦停下，后面的車也跟隨停下。這種車輛密度的變化沿行駛方向的反方向傳播，形成了所謂的“激波”。
      實(shí)驗(yàn)中可以清楚地看到，一輛車難以察覺的微小變化就能導(dǎo)致一場(chǎng)顯著擁堵。實(shí)驗(yàn)測(cè)量出來的激波傳播速度是每小時(shí)20千米。
      這個(gè)實(shí)驗(yàn)向人們解釋了，為什么開車時(shí)遇到擁堵，常常以為前方發(fā)生了交通事故，但是當(dāng)駛離擁堵路段的時(shí)候卻發(fā)現(xiàn)“什么都沒有發(fā)生”。最初可能僅僅是因?yàn)槟齿v車減速或者改道，便形成了向后傳播的激波。隨后即便始作俑者早已絕塵而去，激波卻還在傳播，因而后面的車輛會(huì)“莫名其妙地”遭遇堵車。
      有趣的是，系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，交通擁堵時(shí)車輛一停一走式的“振蕩”的傳播速度接近于一個(gè)常數(shù)，這個(gè)常數(shù)大約為每小時(shí)21千米，上述實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與此非常接近。在擁堵向后傳播的過程中，“停-走”振蕩的周期也保持不變。這些現(xiàn)象并不超出科學(xué)家的理論預(yù)計(jì)。
      但令科學(xué)家驚訝的是，“停-走”的振幅發(fā)生顯著的變化。2008年的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，車輛排隊(duì)在入口匝道處與主路上的車輛匯流時(shí)，振蕩在匝道傳播時(shí)其振幅會(huì)減小，而在接近出口匝道的地方，振幅則會(huì)加大。
      最近發(fā)表在英國(guó)《皇家學(xué)會(huì)自然科學(xué)會(huì)刊A輯》的另一項(xiàng)研究以一組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具體分析了振蕩出現(xiàn)和傳播的過程。
      根據(jù)美國(guó)佐治亞理工學(xué)院城市環(huán)境工程學(xué)院?jiǎn)讨巍だ郀枺↗orge Laval）等人的這項(xiàng)研究，車輛在振蕩發(fā)生之前很久就開始減速，在他們的數(shù)據(jù)中，這個(gè)“先兆期”持續(xù)1分鐘。先兆期過后便進(jìn)入振蕩期，振蕩以前述的速度逆著車流傳播。當(dāng)振蕩傳播到大約第20輛車時(shí)，車輛便完全停步，這個(gè)停步大約持續(xù)30秒。
      在減速發(fā)生之前，駕駛員處于平靜狀態(tài)。而減速發(fā)生之后，一些駕駛員的平靜狀態(tài)便被打破，這時(shí)他們分為兩類，一類是膽小的，一類是激進(jìn)的。在拉瓦爾等人的統(tǒng)計(jì)中，40%的駕駛員變?yōu)槟懶〉模?0%的變?yōu)榧みM(jìn)的，另外40%保持不變。前兩者中的大部分駕駛員只占其一，但也有大約5%的人會(huì)在兩種狀態(tài)之間變化。
      在膽小者和激進(jìn)者兩類駕駛員中，前者對(duì)振蕩的惡化起了更大的作用。因?yàn)楫?dāng)前面的車慢下來的時(shí)候，膽小者會(huì)選擇“回避”，他們會(huì)把車開得更慢，以拉開與前方車輛的距離。這一行為使得后方的車輛進(jìn)一步減速。激進(jìn)者則會(huì)繼續(xù)向前沖，但是好景不長(zhǎng)，當(dāng)他們獲得目標(biāo)車距的時(shí)候，卻發(fā)現(xiàn)前方的車并沒有加速，這時(shí)被迫把速度降下來。因而，不管是膽小者還是激進(jìn)者，都會(huì)形成一道向后傳播的“減速波”?！耙煌Ｒ蛔呤降鸟{駛對(duì)世界各地的汽車駕駛員來說都是件討厭的事?！崩郀栒f。僅僅在英國(guó)，據(jù)估計(jì)到2025年，所有駕駛員一年中將會(huì)在交通擁堵中累計(jì)度過6.56億小時(shí)，這相當(dāng)于75000年。
      在拉瓦爾的這項(xiàng)研究之前，研究者們并不知道振蕩惡化的確切機(jī)制，即便他們不考慮車輛改道造成的影響。他們也不明確知道為什么振蕩的周期通常都固定在2分鐘到15分鐘之間。
      車流如何流動(dòng)
      很多研究者在研究車流時(shí)，會(huì)套用其他類型的流動(dòng)，比如液體流、氣體流和顆粒流。于是許多對(duì)車流的研究采用的是流體力學(xué)的方法。研究者也確實(shí)發(fā)現(xiàn)，在車流量很大但并不擁堵的道路上，一個(gè)很小的事件就會(huì)觸發(fā)堵塞，比如某個(gè)司機(jī)突然做了一個(gè)轉(zhuǎn)向動(dòng)作。這個(gè)狀況與流體力學(xué)中過冷液體的突然凍結(jié)非常相似。
      德國(guó)漢堡大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院的因格溫·加瑟（Ingenuin Gasser）教授將目前的研究模型分為三類，分別是微觀、運(yùn)動(dòng)和宏觀模型。微觀模型描述的是單個(gè)駕駛員的動(dòng)力學(xué)；運(yùn)動(dòng)模型是用氣體動(dòng)力學(xué)的方法來考察概率分布；而宏觀模型討論的則是車流密度和速度等宏觀物理量。
      科學(xué)家建立這些模型的目的當(dāng)然是為了理解復(fù)雜的車流現(xiàn)象并最終對(duì)其做到影響或控制。但在奧羅茲看來，“盡管這些類推可能會(huì)幫助科學(xué)家獲得對(duì)車輛系統(tǒng)的理解，但也越來越明顯地可以看到，車流與牛頓宇宙中的任何流動(dòng)都不一樣?！?br />      最明顯的不同之處就在于，車流是會(huì)遇到各種指示牌、紅綠燈和交叉路口的。
      開車的人常常會(huì)有這樣的經(jīng)歷：行至十字路口，遇到前方排隊(duì)等紅燈的車輛而被迫停下，自己所在的道路上擠滿了車，而交叉的那條道路上卻車輛稀少。
      當(dāng)然，交叉路口不是一定要有紅綠燈，早在19世紀(jì)就有法國(guó)建筑師設(shè)計(jì)出了環(huán)島。車輛遇到有環(huán)島的交叉路口便不必再等待，而是可以直接并入車流。但是環(huán)島有兩個(gè)重要的缺點(diǎn)。一方面，它們需要較大的半徑，才能讓車輛以高速匯入；另一方面，由于匯入的車輛優(yōu)先，環(huán)島周圍常常會(huì)由于匯入過多的車輛，超出其承載能力，而出現(xiàn)交通擁堵。
     到1960年代，現(xiàn)代環(huán)島的出現(xiàn)終于解決了以前環(huán)島所存在的問題?，F(xiàn)代環(huán)島在進(jìn)入環(huán)島的路口處建設(shè)一個(gè)三角形地帶，這使得車輛開到這里就會(huì)被迫減速，這樣一來環(huán)島也就不再需要那么大的占地面積。另外在交通規(guī)則上，重新規(guī)定正在繞行環(huán)島的車輛優(yōu)先，于是大大降低了環(huán)路的車流密度。
     加拿大瑞爾森理工大學(xué)的研究人員調(diào)查了24處改造，他們?cè)诮衲暝缧r(shí)候發(fā)表的論文中指出，在把十字路口改作現(xiàn)代環(huán)島之后，撞車的數(shù)量總體減少了39%，車禍致傷的數(shù)量減少了76%，車禍致死和致殘的數(shù)量減少了90%。
      而且這種變化并不是以行駛速度為代價(jià)的。在改成現(xiàn)代環(huán)島之后，交通造成的時(shí)間延誤縮減了75%。盡管車輛需要以低速進(jìn)入環(huán)島，但由于不存在等待和擁堵，車輛是自由流動(dòng)的，花費(fèi)的時(shí)間反而降低了。
      改進(jìn)交通管理
      改善交通的方法也正在被從不同的領(lǐng)域提出，這些研究或基于數(shù)學(xué)上的計(jì)算，或基于實(shí)驗(yàn)。
      在設(shè)計(jì)交通控制算法的時(shí)候，三種模型中最有效用的是宏觀模型。今年發(fā)表的另一篇論文指出，在高速路上，交通控制的目標(biāo)應(yīng)該是讓車輛達(dá)到自由流動(dòng)的狀態(tài)，這可以通過控制上下高速路的匝道的車流量以及用信息標(biāo)志來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，這首先需要可靠的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，然后是數(shù)學(xué)計(jì)算。目前實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是科學(xué)家研究交通擁堵時(shí)所普遍欠缺的。
      正在發(fā)展中的信息技術(shù)也可以從微觀層面入手對(duì)改善交通提供幫助。已經(jīng)在汽車上獲得應(yīng)用的自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)（ACC），能夠通過雷達(dá)測(cè)量前方車輛的距離和速度，然后計(jì)算出己車需要做出的反應(yīng)?！痘始覍W(xué)會(huì)自然科學(xué)會(huì)刊A輯》?？幸豁?xiàng)實(shí)驗(yàn)得到了量化的結(jié)果：在某些特定條件下，安裝了ACC車的比例增加1%，就會(huì)使道路的承載量隨之提高0.3%。
      瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的一組研究人員今年9月份發(fā)表一項(xiàng)研究，質(zhì)疑了當(dāng)前的交通燈的運(yùn)行方式。交通燈在設(shè)計(jì)時(shí)往往體現(xiàn)的是對(duì)一天車流量預(yù)計(jì)值之下設(shè)定的“最優(yōu)”時(shí)間周期。但這種設(shè)計(jì)的問題在于，即便是在最普通的一天里，車流量和車流方向都存在巨大的變化。如果讓太多的車等待太長(zhǎng)的時(shí)間，便可能出現(xiàn)交通擁堵。
      研究者說，目前的自上而下的控制方式并不是最優(yōu)的，因?yàn)樗O(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)的那種平均狀況在實(shí)際中很少出現(xiàn)。他們提出的新想法是，在每個(gè)路口實(shí)時(shí)測(cè)量流入和流出的車流量，交通燈依車流量而變，每一個(gè)交通燈只與距其最近的燈進(jìn)行協(xié)調(diào)，這樣便能夠達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的流暢。
      生活中常常能夠看到，人群從兩個(gè)方向走過一扇小門時(shí)，往往是一個(gè)方向上的人先過，片刻之后便自動(dòng)停止，另一個(gè)方向的人再通過，如此輪換，就好像門上有一盞交通燈。但實(shí)際上那里并不存在指示。當(dāng)一個(gè)方向上人群形成的交通壓力超過另一方向時(shí)，轉(zhuǎn)換便會(huì)發(fā)生。瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員于是想到，何不把這種方式運(yùn)用到十字路口，讓車流來控制交通燈，而不是相反。
       由此能夠達(dá)到的最理想狀態(tài)是，一個(gè)人開車時(shí)一路遇到的都是綠燈。前述一條路上塞滿車，另一條路上車輛稀少的狀況也會(huì)大大得到改善?！斑@非常有趣。這種方法具有適應(yīng)性，系統(tǒng)是可以做出反應(yīng)的?！眾W羅茲評(píng)論說，“事情就應(yīng)該是這樣。而且這也是我們能從現(xiàn)有系統(tǒng)中做到的最大程度?！?/p>