用物理的眼光看交通

在物理学家眼中，交通现象更加丰富多彩。他们认为交通系统是由多个自动驾驶粒子组成的复杂系统。他们认为行驶的车辆和行人是自动驾驶的“粒子”。交通流像光一样，既有粒子特性，又有波动特性。因此，可以从宏观和微观两个角度进行描述。物理学家还指出，运输网络是一个复杂的网络。由于部件(公共汽车、汽车、非机动车、行人)的多样性和运行的随机性，其复杂性不亚于一般的大型网络。道路交通状况大致可分为三种类型:低密度顺畅交通(即*流)、高密度同步交通(所有车道的车辆齐头并进)和高密度拥挤交通。在物理学家的眼里，它们可以类比为气相、液相和固相三个相，并且“相变”可以发生在每一个相之间。在一定的临界密度下，会发生相变。人们在旅行时经常会遇到相位变化，他们最不希望遇到的就是从平稳交通相位(通过同步交通相位)到拥挤交通相位的相位变化。相变正是凝聚态物理学家的研究对象。他们发现在运输系统的相变中也存在滞后、聚集、分相等现象。从物理学的角度来看，交通运行往往远离平衡状态，制约它们的是复杂的非线性动力学规律。因此，非平衡统计物理和非线性动力学可以被广泛应用。交通系统充满了自组织(系统自身进入最优临界状态)、混沌、分岔、不稳定(进入拥挤状态)等非线性现象。当流体力学考察交通系统时，他们自然地把交通流视为流动的流体，其中充满了各种密度波:交叉口拥挤的车队就是“交通冲击波”。绿灯一亮，车队就放松了，出现了“交通稀疏波”,通常以固定的速度向后传播。在交通拥堵发生之前，非线性不稳定性肯定会发生，然后各种“交通孤立波”就会出现:KdV孤立波、mKdV孤立波(扭结-反扭结孤立波)等等，这些在力学和物理学中都是众所周知的。经过几十年的努力，交通科学家已经建立了数百种交通模型。对于道路交通流，有宏观运动学模型和流体动力学模型、微观车辆跟驰模型和元胞自动机模型(俗称粒子跳跃模型)、细观空气动力学模型等。对于路网交通流，有早期的用户均衡原则和等价的路径选择数学规划模型、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、拥挤定价理论和模型等。交通科学家使用各种数学工具来寻找这些模型的解，这些模型已分别成功地应用于交通工程实践中。方兴未艾的交通科学是一门方兴未艾的年轻科学。20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。50年来，人们对交通系统的运行规律逐渐有了更清晰的认识。人们认识到交通系统是一个具有明显随机性、动态性和复杂性的复杂巨系统。为了研究和控制这一系统，有必要开展一项综合性交叉学科，涉及非线性动力学、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、信息科学、经济学、社会学、心理学等。广义而言，交通科学包括交通动力学(或交通物理学)、交通控制、交通工程、交通经济学和交通心理学等分支学科。它是自然科学和社会科学的伟大融合，是技术科学和数学科学的伟大融合。