互动科普

利用计算机缓解交通堵塞

KennethR.Howard*

任何一位曾在拥挤不堪的公路的快车道上象蜗牛般慢慢爬行的驾车者都能够证明，交通已经变成了一场灾难。涌向公路的汽车与日俱增，使公路基础设施受到了越来越沉重的压力。尽管投入了大笔大笔的钱来寻求解决这个问题的办法——单是联邦政府的公路信托基金会在5年中就投人了1400亿美元——人们却始终难于见到显著的成效，而公路的规划则仍然象一场毫无胜算把握的赌博。

交通问题可能因车辆行驶速度放慢或停下而引起，有时行驶放慢或停下是山交通事故造成的。但最常见的原因却是太多的人想要同时赶到同一个地方。公路系统的局限性或驾车人行为细小的不协调则可使问题进一步恶化，导致汽车行驶速度放慢到令人难以忍受的地步。规划人员和科学家们常常把这。个问题称为人太多，路不够。

以前预测车流模式的方法依赖于把车流看作是均匀流动的流体的统计模型，却忽了驾车入个人之阿的差别。对交通网络中各个部分的，分析常常是完全孤立地进行的，没有考虑到各因素之间的相互作用，然而，山于处理复杂性问题的数学方法有了各种改进，再加上计算机能力的大幅度提高，使交通分析发生了命性的变化。

存洛斯阿拉莫斯国家实验窜研究交通问题的ChristopherL．B．arrett解释说：“交通好在介于社会系统和物质系统之问的一个极为绝妙的位置上。它处丁中闸地位。它超越了物理学的范畴而涉及到人的问题。交通问题的物质一面包括了其数量和种类多得令人眼花缭乱的各种车辆和道路系统，而每种车辆和道路系统都有它自己的与众不同之处，此外它还包括了天气以及其它各种环境因素。交通问题的社会和行为学的一面则不仅包括了驾车者个人的爱好和随时作出的反应，而且也包括了社会的其它部分所采取的行动——．从公司总部的选址决策到体育代表队的比赛策略(此类策略对)I!Il看运动会的人数有影响)。为了了解对交通流起作用的各种因素，交通规划人员必须分析这一复杂不堪的决策网的许多可能结果。

表面上看来合乎逻辑的解决交通问题的方案有时却会产生与人们直觉帽矛盾的结果，这就使问题更加复杂了。例子之一是所谓Bracss悖论。德国运筹学家DietrichBraess在1968年首次注意到这一现象，因此该悖论就以他的名字命名。他发现，提高一个交通网络的通过能力有时反而会使平均行驶速度放慢。洛克菲勒大学的数学家和群体学教授JoelE．Cohen指出：“在设计交通网络时，你必须当心这个问题。Cohcn解释说，在道路系统中，人们增加一条新的车道或路线的本意是设法缓解堵塞，但这样却可能产生一些意想不到的“卡脖子地段，从而使行驶时问增加。例如，当过多的驾车者争先恐后地拥一条新的捷径从而引起堵塞(O．ek)时，就会出现这种情况。

洛斯阿拉莫斯国家宴验窒的SteenRasmassen指出：“当你设计道路时，你希望使交通流的通过能力达到最大。但是事实证明，在通过能力最大时，预测能力却下降了。这就意味着如果一味提高通过能力，交通系统的可靠性就成问题。他说，随着交通系统内的易变性的迅速增大，该系统越来越多的组成部分正存向“临界区”发展，而在临界区中，“很小的扰动就能导致整个系统瘫痪。”凶此，H标应当是没计刚好在低于通过能力的水平上运转的交通系统。

交通模型

釜为实现这一日标，最近进行的计机摸拟已模拟运输系统广泛的动态特性方l取得了很晕要的进展。许多交通研究人员现在把交通系统视为复杂性理论家们所谓的“自组织系统——也就是一种虽然没有中央控制机构、但却仍然显示出连贯而协调的行为的实休。Ra．smasscn认为，可以把交通看成是一个山广泛分布在空间中的多种成分组成的系统。他说：“这些彼此相互作用的成分类似于生物系统。它们是在许多不同层次上——例如细胞器、细胞、组织、人，等等——拥有各自的控制功能的动态多层结构。交通模拟人员面临的问题是要把各个不同的成分分离出来并对其进行模拟，然后再让它们互相结合起来成一个整体地运行。

使复杂性研究人员能够把数不胜数的组成部分和结构层次综合为交通系统的一种实时摸型(或速度更快的计算机模型)的数学工具常常被称为单元自动机。单元自动机是一种计算机模拟方法。它最有名的一个例子是JohnConway1970年发明的、“生命游戏”(GameofLife)。此游戏要求在一个方格网t布置各种“代理人”(艮j】具有确定性质的单元)，并给它们规定一个初始状态。(例如，汽车代理人的初始状态可以是“行驶”或“停着。)随着时间的推移，每个代理人都根据一套行为规则和它周罔的代理人的当前状态采改变它目已朐状态。一条典型的规则可以是这样：如果一个代理人与其它两个或两个以下的代理人相邻，那么它就在行驶，而如果它周围的代理人多于两个。那么它就处于停止状态。Barrett说，时钟每滴答一响，计算机便观察每个代理人周围的所有代理人的状态。并据此对每一代理人的状态进行更新。从这些相互作用中将产生出一整个系统。

Barrett使用洛斯阿拉莫斯国家实验室的超级计算机建立了一个交通状况模型，称为。交通分析模拟系统(TRANSIMS)。圣菲研究所的复杂性理论家JohnL．Casti说，TRANSIMS是“用硅来复现一个大城市地区的交通情况并把它实时显示出来，就好象是坐在一架直升飞机上俯瞰下面道路上车流一秒一秒的变化情况。

这个模型提供了一个检验车流状况的实验室。借助此模型，交通规划人员可以以一定的精度预测修建一座桥梁或增加一条车道会产生何种效果一一在现实世界中试验这些比较方案的费用过于高昂，实际上不可能进行。通过这种方法，人们能及时察觉出可能存在的Braess现象，从而避免规划上的失误最终铸成圈，无可挽回的大错.模拟也使交行通规划拥有了科学方快!一种用试验状态是可以精确地重现的

由美国交通部和环境保护局赞助的TRANSIMS系统在1993年首次用于模拟新墨西哥州阿尔布克尔克的交通系统.这项工作成功地模拟了实际观察到的交通状况.TRANSIMS的第二次实际应用是在1995年后期，用于模拟得克萨斯州达拉斯/福特沃思地区的交通.该地区面积为3600平方英里，有23。万居民.1998年将开始对俄勒冈州波特兰进行更先进的模拟，此项模拟工作将尝试把人们改变交通方式的实际情况考虑进去.(例如乘汽车到一个火车站坐火车，然后再坐公共汽车以完成一段上班路程.)

TRANSIMS还只是处于研究开发阶段，但是了解地方公路状况的专家可以研究这些模拟的结果并找出为什么会Lll现某些交通模式的根本原因oCasti说."进化生物学中有一个类似的例子.在进化生物学中很难预测变化，但是事后观察则可以很好地解释为什么生物会象这样进化·"

与此同时，交通规划λ虫正在从麻省理工学院智能交通系统这个项目所进行的模拟研究中受到启发.该系统不依赖于单元自动机，而是用数学方法棋职且到驾车者个人习惯的各种行为一一-也就是建立一些喜欢拦住别的汽车、沿车道飞速行驶以及一般说来具有在波士顿市内及郊区的公路上天天都能见到的各种驾车习惯的数字式汽车。波士顿耗资80亿美元的中央干道／三码头隧道工程目前正使用该程序进行模拟。除了在动工前检验各种道路布置方案外，这些模拟研究还协助设计旨在使车流保持畅通的交通管理系统(例如交通信号算法以及驾驶员信息系统等)。据麻省理工学院的土木工程和环境工程学教授MosheBen—Akiva说，他们的方针是通过设计一种能够指导驾车者作出较明智选择的物理系统来缓解公路上的交通堵塞。

除了驾车者的个人习惯、车流密度以及诸如此类的因素外，使用计算机模拟方法来寻求解决交通问题的最佳方案最终将要求把其它许多因素也考虑进去。可能采取的改进措施包括按交通拥挤程度收取道路使用费一一也就是在交通高峰期间收取较高的道路使用费一一以及发展公共交通工具等。污染分析则是另一个按照法律规定应当考虑的重要问题，而在这个问题上存在着一些不合常理的矛盾现象。(例如，缩短汽车的行驶距离看起来可能是一个减少废气排放量的好措施。但是，当行程较短时，汽车的发动机和它的催化转化器就保持在过低的温度上，使其不能高效运转，从而相应地排放山豆多的污染物.)理想的交通模拟系统应当考虑空气的化学特性及建筑模式等问题，因为建筑物的几何布局将会影响空气的流动.

所有这各种因素综合起来是非常复杂的，目前还不能比较容易地模拟或预测这样一种复杂性.因此，规划人员还必须耐心地等待更完整的计算试验.但是，在这期间，模拟仍然可能为我们提供使车流保持顺畅行驶所需的基本认识.