1.2 城市道路交通拥堵的本质

1.2.1 交叉口交通拥堵概述

1.交叉口常发拥堵的概念及空间特性

交通拥挤是指某一时段道路系统局部产生的车辆排队和延误等现象。目前，由于各国交通情况不同，所以定义也不尽相同。日本相关部门将道路拥挤长度在1km以上或拥挤时间在10min以上定义为交通拥挤 ^［1］ ；美国相关部门将车速在22km/h以下的不稳定车流定义为拥挤流。我国相关部门则对拥挤路口给出了定义：车辆在无信号控制的交叉路口的车行道上受阻且排队长度超过250m，或者车辆在信号控制的交叉路口3次绿灯显示时间内未通过路口的状态定义为拥挤。

一般而言，严重交通拥堵现象的形成与传播过程可以分成以下三个阶段：首先，拥堵最初发生在路网的关键部位，或者仅在某些路段或交叉口相互独立地出现交通堵塞；之后，交通拥堵在网络上进行传播蔓延，影响到路网的其他区域；最后，由于得不到及时有效的控制，就很有可能在路网结构中形成拥堵闭环（Gridlock），导致大范围交通瘫痪。交叉口的交通拥堵在网络中的空间分布归纳为以下三种类型 ^［2］ ：

• 点拥堵，指交通拥堵发生在一个独立的交叉口，只对与其相连接的几条路段产生影响，而未影响到与其相邻的交叉口，表现为一个或多个路段拥堵，但相互独立，如图1-2a所示。

• 线拥堵，指由于交通流量的激增（如流量高峰期）或局部交通堵塞未得到及时解决，而使得拥堵发生在相互关联的路段上，并主要分布在一条城市主干道上，表现为多个路段拥堵，且相互影响，形成线状主干道为主的拥堵，如图1-2b所示。

• 面拥堵，指交通拥堵分布于相互关联的路段，从而构成区域性交通拥堵，表现为多个路段拥堵互相关联，形成区域性的拥堵或堵塞。拥堵闭环是一种典型的面拥堵现象，如图1-2b所示。

2.交叉口常发拥堵的典型情况分析

导致城市交叉口常发拥堵的原因主要有以下两个 ^［3］ ：

1）道路自身的通行能力不足。通常这类交通拥堵是道路线形不佳、道路由宽变窄、道路标志不明显等因素严重影响车辆通行速度而造成的。

2）交通流在道路中一个特定地区的随机波动（如大型活动、节假日出行等）或驾驶人驾驶行为的不规则性，导致排队延伸及后溢。

以上原因造成的交叉口常发拥堵的典型情况可分为以下三类：

情况一，供需不平衡

如图1-3所示，对于给定的交叉口，在 k 时段内路段交通流量大于该方向交叉口的通行能力。这类拥堵的发生具有时空特性，时间上经常发生在高峰时段，空间上经常发生在城市主干线、次干线或普通道路的关键交叉口。

情况二，交通流运行不稳定

如图1-4所示，对于交叉口的上游路段，在 k 时段内交通流运行的不稳定，导致路段平均车速降低、密度增加、通行车流量减少。这类拥堵的发生具有空间特性，当交通流运行不稳定情况发生在路段上时，将会造成路段通行能力降低；当交通流运行不稳定情况发生在靠近交叉口停车线时，将会降低相关相位的通行能力。造成交通流运行不稳定的主要原因是，在正常运行的交通流中当车头间距和车头时距较小时车辆出现了急加减速行为或换道行为 ^［4］ 。

情况三，多车种混合交通流短时聚集

如图1-5所示，在 k 时段交叉口连接路段内出现包括紧急车辆、公交优先车辆、过饱和社会车辆等多车种混合交通流 ^［5］ 短时聚集。传统交通控制通常将不同车种进行分割和分级，通过采用具有针对性的控制策略实现控制。其中，分级靠后的车种交通流产生了控制响应的时间滞后，致使由于某车种交通流的剧增导致了交叉口交通拥堵的产生。

1.2.2 交叉口交通拥堵的本质

1.问题与真相

作者虽然入行时间不长，然八载光阴也不算短，对于耳熟能详的一些结论总是有些疑惑。

• 城市道路交通拥堵的本质到底是不是需求大于供给，如果答案是否定的，那应该是什么？

• 现阶段交通拥堵是否能被解决，未来又如何？

• 智能交通方兴未艾，但城市交通的初心到底是什么？

交通管理始于安全！繁荣于效率！无奈于舒适！能耗与排放亦不能放过！那么，交通拥堵的本质到底如何呢？回归交通管理的初心去找原因，在只需要考虑安全的时代，好像并不需要关心是否拥堵，也就无关效率了；与效率相伴而行，拥堵也走上了历史舞台。

（1）为什么会不安全呢

因为交通参与者不同，有行人、驾驶人、骑车者；车也不一样，有大车、小车、自动驾驶的车、人机共驾的车、人驾驶的车；驾驶人也不一样，有熟练的，也有不熟练的；就算同一辆车，在不同时空下表现也会不一样。这些不一样，就叫异质性（Hetergeneity）吧，这里说的异质性比学术范畴的异质性更广泛，不但包括多车之间物理上的异质性（如大车和小车等），还包括单辆车自身的异质性表现（如速度的突然变化等）。

在全时空序列下，人们并不知道会发生什么，有多少车会走这条路，路上是不是有事故，是不是有车突然变速、哪些车左转等，这些就叫不确定性（Uncertainty）吧。

（2）为什么会效率不高呢

因为异质性表征，而且存在不确定性，人们不知道发生了什么？但这也不对，如果一条10车道的路上就两辆车，怎么可能效率不高呢？所以引发效率不高应该还有两个条件——积聚性（Accumulation）和受限性（Limitation）。也就是说，虽然是10车道，但是一下在有限时间内来了1万辆车，其中一些车表征了异质性，但人们对于来了多少车、是否有车表征了异质性、在什么地方表征的一概不知，这样效率就降下来了，换句话说拥堵发生了。

所以产生交通拥堵应该满足以下四个性质（见图1-6）：

• 异质性（Hetergeneity）。

• 不确定性（Uncertainty）。

• 积聚性（Accumulation）。

• 受限性（Limitation）。

其中，异质性是本质，不确定性、积聚性和受限性是条件。

【 例1-1 】

✧ 追尾事故（四个性质都表征了，即异质性、不确定性、积聚性和受限性）。

✧ 发生原因：A、B两车，前车异质性表征（异质性），后车未能及时同步表征以使两车达到同质，如图1-7所示。

✧ 引发交通拥堵：当系统处于不确定性或确定程度不高（不确定性）时，后续车辆无法及时收到确定信息而改变行驶路径，且后续车辆流量较大（积聚性），发生事故处道路空间受限（受限性），后续车辆无法有序换道通过，且事故的处理时间较长，故会引发交通拥堵。

当车辆出现异质性表征时，后车通过快速异质性表征，向前车一致性转化，从而使得后车与前车达到同质性，这样能够快速消除异质性的影响和后续不良的演化。也就是说，车辆间的同质性或异质性并不是一成不变的，而是在一定的条件和范围内可变的，也可以相互转化。这与传统城市道路交通研究中的异质交通流是不同的（学术上，如“大车-小车”“CACC-ACC”“人-自动驾驶车”等的异质性一般认为是绝对异质或一成不变的异质）。

【 例1-2 】

如图1-8所示，单个车辆有固有的性质，在微观视角下（单个车辆本身）不存在同质性或异质性，只有在中观、宏观视角下才具有同质性或异质性。但是需要说明，微观视角下单个车辆本身存在“异质性表征的能力”。

【 例1-3 】

如图1-9所示，智能网联汽车可以进行人工驾驶、人机协同、机器驾驶这三种驾驶模式的切换，可描述为微观视角（或称为纳观）下存在“异质性表征能力”。

也就是说，当在系统中（或中观、宏观的多车中），车辆的“异质性表征能力”得以发挥。但要注意，同质性或异质性的表征具有条件和范围的约束，即只有车辆在一定时空范围内才能表征出同质性或异质性，超过该范围则不能表征，如图1-10所示。

讲到这里，对于第一个问题“城市道路交通拥堵的本质到底是不是需求大于供给，如果答案是否定的，那应该是什么？”应该可以回答了——城市道路交通拥堵的本质是异质性、不确定性、积聚性和受限性的综合表达，而交通需求大于交通供给仅是对积聚性和受限性的现象的描述。

2.交通流理论、交通控制和智能交通

（1）交通流理论

交通流理论中的建模工具一般包括概率论模型、流体力学模型（如LWR模型）、动力学模型（元胞自动机、跟驰模型等）。图1-11所示的研究过程符合人们认识事物的一般方法，先宏观再中观后微观，先全局再局部。

（2）交通控制

交通控制变量和车辆控制变量，如图1-12所示。交通控制变量丰富多样，包括时间变量（绿灯时间）、空间变量（相序、相位、车道属性）和时空变量（车速、空间属性）。但目前，交通控制变量的应用程度大多还比较初级——绿灯时间、相序、特定车道、车速。对于车辆控制变量的过去、现在和未来，都是纵向控制（速度）和横向控制（方向）这两个。这首先是由于车辆占用物理空间这一实体不变性，其次是物体移动的本质决定的。所以更深程度的交通控制变量代表了道路或宏观的智能化程度，同时也是需要更高的车辆自动化程度来匹配，所有的控制最终都将归为对车辆的横纵控制（这里先不说行人、非机动车）。

交通控制与交通流理论的发展是相向而行的：一个是从宏观到微观，从大体到全貌再到细节；一个是从微观到宏观，从单点到干线再到区域。

（3）智能交通

以交通流和交通控制为理论基础的，以信息技术、网络化技术、自动化技术、人工智能技术等为技术支撑的智能交通能否真正解决交通拥堵呢？下面将一步步解答。

智能交通的技术和措施在干什么？答：包括如检测技术、定位技术、自动驾驶技术、智能交通技术、车路协同技术、信号控制技术、交通诱导技术等的智能交通技术，好像都在做三件事——①增加确定性；②减少积聚性；③降低受限性。

比如检测技术，有断面检测、区域检测、低精度移动检测、高精度移动检测，那么把检测弄这么精准是为什么呢？是为了知道有多少车，车在哪里，车是什么状态。这是典型的增加确定性。

又比如交通诱导技术，为啥推荐车辆路线呢？是为了让车在有限时间内不扎堆、不聚集。这是典型的减少积聚性。

再比如车道展宽，为什么要展宽呢？是因为路口存车空间不足。这是典型的降低空间受限性。

还有如绿灯时间延伸，为啥要延伸呢？是因为相位绿灯时间不够。这是典型的降低时间受限性。

可以说过去和现在几乎所有的智能交通技术都是围绕这三件事开展的。也需要注意的是，如自动驾驶中的编队控制、车路协同中的速度引导、绿波控制中的速度推荐、超级时间表预约等在内的一些智能交通技术在关注上述三件事的同时，也隐约关注了异质性，只是有时并未意识到。所以，智能交通所有一切的研究、方法、技术、措施及存在的问题，都与四个性质（见图1-13）有关，并且都是围绕本质点引发或进行的。

讲到这里，第二个问题“现阶段交通拥堵是否能被解决，未来又如何？”应该可以回答了——由交通参与个体间的异质性无法改变，过去和现在出现的交通拥堵不能被解决，只能被缓解（以后但凡遇到说能解决交通拥堵，可用这个观点反驳）；而未来的交通拥堵能够被解决，是由于交通参与个体的同质性（异质的同质性转化）决定的。

具体说来，道路交通拥堵产生的本质原因是，交通拥堵是由交通参与个体间的异质性导致的。过去和现在出现的交通拥堵现象是不能被消除的。也就是说，最根本的是人作为交通参与的主要个体的本质的异质性是不能消除的，这是由其基本属性决定的；交通参与个体行为的不确定性增加了交通拥堵发生的可能性和频率；积聚性和受限性，成为条件和约束。

对于未来交通，交通参与个体的本质属性将发生变化（自动驾驶），即人虽然仍作为交通参与个体，但是不再作为实际驾驶人。交通参与个体的异质性将逐渐消失，而个体之间的属性逐渐趋同（但不可否认，物体自身的异质性表征，在环境或其他因素影响下可能被激发）。因此，在未来中交通拥堵能够被消除，是由于交通参与个体的同质性（异质的同质性转化）决定的。

下面再说说为什么未来的交通拥堵现象能被消除。未来如果所有车辆均为自动驾驶车辆，且车辆的性能、尺寸等都在相同范围内，可以认为车辆具有同质性。此时，人作为乘客而不是驾驶主体，车辆的所有行为均由决策中心完成，即车辆行驶所需的时空资源完全基于有序的设计，什么时间应该在什么地点完全由决策中心控制。车辆自身不再表征异质性，车辆之间也不存在异质性，因此便不会出现交通拥堵。同时，由于车辆均属中心管理，因此交通参与个体的不确定性完全转化为确定性，也增加了消除交通拥堵的条件，并且由于所有车辆的时空资源有序排列便也不再有积聚性和受限性问题（但当车辆脱离中心管理，则异质性将被表征，此时可能再次引发交通拥堵等现象）。 XyuC2ZH0BkP7pgRLyEez9MgShsWY9BRI7FkjWNDUofKGn0XJakpRt3sgpJR9GjA+