—漫话交通流动

 

王 振 东

 

 

现代的交通流动理论（Traffic  flow  theory）萌芽于20世纪30年代，起初是应用概率论分析交通流量和车速的关系。从40年代起，在运筹学和计算技术等学科发展的基础上又获得新进展。1959年12目在美国底特律召开了第一次国际交通流理论会议，有美、英、澳、西德等国的代表参加。这次会议被认为是交通流动理论形成的标志。之后，平均每三年召开一次会议。

 

唐宋诗词中的交通流动

 

有趣的是，在一千多年之前，我国的唐宋诗词中早就将车辆的运动比作为流体的运动，写出了脍炙人口的诗词：

多少恨，昨夜梦魂中。

还似旧时游上苑，车如流水马如龙，花月正春风。

这首《望江南》词，系南唐后主李煜（937-978年）在亡国入宋后所写。李煜在这首词中，刻意渲染了梦中对故国繁华的追恋，是一首典型的以乐写愁的词。往日繁华的生活，虽然内容纷繁，而在他的记忆中最清晰、印象最深刻的是“游上苑”（上苑是皇帝的园林）。而无数次上苑之游中，印象最深的热闹繁华景象，又正是“车如流水马如龙”。这里己很明确地将车辆的运动比喻成水的流动。

 

将车辆运动比作流体运动的说法，在李煜之前还有《后汉书·明德马皇后传》的：

 前过濯龙门上，见外家问起居者，

车如流水，马如游龙。

 

唐代王勃（约650-676年）《还冀州别洛下知己序》的：

风烟匝地，车马如龙。

 

以及唐代苏颋（670-727年）《夜宴安乐公主新宅》的：

车如流水马如龙，仙史高台十二重。

天上初移衡汉匹，可怜歌舞夜相从。

 

车络绎不绝，有如流水；马首尾相接，好像长龙，非常形象地以流体的运动，形容了车马往来不绝，繁华热闹的景象。

 

现代交通流动理论

 

在高速公路上各种类型的机动车一辆接一辆地飞驰而过，就像在江河中奔腾的水流一样。一股车流沿着公路滚滚向前，它启发人们将运动着的车辆看成是连续的流体，利用力学上处理流体运动的思路和方法，来分析和研究公路交通方面车辆运动的有关问题。

 

 

 

 

但还要注意的是，我们所讨论的交通流，与流体力学中讨论的连续介质仍有不同处。在一个车流中，每辆车的车身长度，以及车辆之间的距离是不能忽略不计的。因此，若将q，ρ理解为瞬间和很短距离内的车流特征，就会破坏其连续性，使后面的分析难以进行下去。所以这里应将它们理解为一定时间段或一定距离内的平均数值，以保证其必要的连续性。至于如何确定这个时间区间段及空间距离的大小，给出q和ρ的最好的估计值，则是一个统计学的问题。这里，我们已认为q和ρ满足了必要的连续性条件。

 

 

 

 

 

莱特希尔（M.J.Lighthill）和惠瑟姆（G.B.Whitham）在1955年成功地将行驶的车流，当作可压缩流体处理，在—定条件下求解了这一方程。

 

应用交通流动的观点和模型，可以解决许多交通管理方面的问题，如：交通灯或停车标记的设置；交通灯的转换周期长度；是否需要把一条双行线的街道改为单行线；新建—条高速公路需要多少条车道等等。

 

关于交通方面的发展方针和决策是否科学合理，也应从交通流动理论上加以研究。如在我们这个人口众多、人均可利用土地又较少的国家，大中城市的交通工具究竟是以发展小汽车为主，还是以发展大客流量的交通工具（如大巴、地铁、轻轨火车等）为主，就是一个应慎重考虑的问题。因为车流量大，并不等于货流（goods  flow）量大，也不等于客流（passenger  flow）量大。而人们希望的，是从我国的国情出发，以较少的道路占地面积，取得较大的客流量和货流量。

 

与汽车有关的力学问题

 

1、汽车空气动力学问题

 

20世纪20年代末期，美国克莱斯特汽车公司的工程师卡尔·比尔（Karl Beer）在俄亥俄州的代顿，建造了一个用来测量汽车模型风阻的风洞实验室，这个风洞就建在首次试飞飞机成功的莱特兄弟的实验室附近。风洞试验段高500mm，宽760mm，使用35马力的变速电机，用V型皮带驱动风扇，以产生不同速度的气流供测量用。

 

美国密执根大学流体力学研究中心的朗依（W.E.Lay）教授，在风洞实验室对不同形状的汽车模型测量了空气动力系数。试验表明，不同造型的车身所产生的空气阻力是截然不同的，流线型后背的车型与方方正正的车型相比，空气阻力可减少l/2，若汽车前端也呈流线造型，则空气阻力再次降低约l/2。

 

 

 

 

经过吸收许多汽车空气动力学专家的研究结果，1964年出现了“楔型”车身的福特GT40赛车。它有效地减少了空气阻力，更重要的是在高速运动下能产生较大的下压力，而不像普通流线型车身那样产生正升力。鸭尾形的造型凸起在车尾，起到后扰流扳的作用，进一步增强后轮的下压力，这种下压力加大了车轮与地面之间的附着力，增强了车辆的操纵性和横风稳定性，并有助于提高车速。GT40接连获得了好几项大赛的冠军，一时名声大噪。

 

 

  

 

 

现在汽车外形的空气动力学设计，可以用计算流体动力学软件（如Fluent软件）计算，再配合汽车风洞的实验，已能进行得相当好了。

 

2、与汽车安全有关的力学问题

 

目前在世界的公路上，奔驰着2亿辆以上的汽车。虽然公路交通事故没有像空难、海难和铁路交通事故那样引起媒体的关注，但实际上空运、海运和铁路等交通事故遇难人数的总和，还到不了公路车祸的零头。自1886年德国奔驰造出了世界第一辆汽车以来，一百多年中，累计已有2000多万人被车祸夺去了生命。据统计，目前世界上每年死于公路交通事故的有50多万人，已成为当今世界非疾病的第一杀手。

 

所谓车祸，不管是发生了碰撞、翻车，还是跌落到沟下，无非是车子突然改变了原来的运动状态。从力学上说，就是突然产生了异乎寻常的加（减）速度。所以，对车祸的研究是与力学有关的课题。

 

最常见的事故是两车相撞，或汽车与障碍物相撞。这时，汽车突然停止前进，而坐在车里的人，由于惯性仍以汽车原来的速度向前。以一辆速度90㎞/h前进的汽车来说，车因碰撞停下时，人却还以25m/s的速度继续前进，这大约相当于人从10层楼跳下来落地时的速度。而从楼上跳下落地时，地一般是平的，但惯性前进的人要碰到的却是驾驶盘、车窗等物体，造成的结果一般是头颅被前玻璃窗撞破，或司机向前撞在驾驶盘上，肋骨和心脏受到伤害。

  

  

（1）安全带

为减少这类伤害，人们早就釆用系安全带的措施，来保护驾驶员和乘车者。安全带的作用主要有三：1﹚增长人体的受力时间。因为安全带紧贴身体，当汽车因意外突然减速时，人体即己开始受安全带的拉力，由于安全带具有弹性，能增长受力时间，所以减小了人体所受的冲力。2﹚安全带和人体有足够的接触面积A，由p=F/A 一式可见，安全带可减小对人体的压强。3﹚安全带束缚着人体肩胛骨和盘骨，这是人体易受伤的部分，故能发挥保护人体的功效。

 

根据香港运输处的调查结果，汽车前座乘客若不使用安全带，其意外伤亡机会是8.7﹪；而使用安全带者则为3.3﹪   。

 

对安全带的力学性能，人们开展了许多研究。安全带不能太宽也不能太窄，太宽了会妨碍人驾驶操作，太窄了撞车时人和带间的压强过大，会勒伤人的身体；安全带的弹性要适当，不能太刚也不能太软，太刚了，安全带好似固壁会伤害人，太软了，碰撞时又会拉得过长、易让人碰到其他物体而致伤害；安全带的强度要足够，最好还要能够吸收能量，即被拉长后、回弹的力量尽量小，以避免回弹时的二次伤害。有人曾设想，最好能研制一条智能安全带，即要求在撞车时，安全带的伸长是根据人受的力量来控制的，使人受的力量总是处于不致伤害的最大力，从而可最大限度地减少伤害。

 

为减少碰撞对的伤害，人们还考虑将驾驶盘及其支撑系统做成柔性的。当人因为撞车按惯性向驾驶盘撞去时，驾驶盘及其支撑系统又可以吸收一部分能量。

 

（2）安全气囊

从20世纪70年代开始，人们又开始用安全气囊在碰撞时减缓人和驾驶盘之间的冲击。安全气囊是美国机械工程师约翰·赫缀克（John Hetrick）于1953年发明的。他原先在鱼雷修理厂工作，有一次看到鱼雷中释放出的压缩空气吹入覆盖在鱼雷上的帆布袋，使其突然膨胀起来，立即顶到了天花板上，为他提供了灵感。1953年他设计了气袋垫在驾驶员面前作缓冲装置，申请了专利，并于当年得到批准。安全气囊在20世纪70年代才得到应用。当装在车上的传感器，测得汽车的加（减）速度超过某设定的数值时，便自动将预先放置好的气囊迅速充气，使气囊在人和驾驶盘间形成软垫，减少人碰撞部位的局部压力，以避免伤害。汽车碰撞是瞬间的事，气囊充气就须在更短时间内完成。以90km/h（25m/s）速度行进的汽车为例，如突然停止，人仍以此速度前进，如果人与驾驶盘间距离有25cm，则人只需要0.01s 时间就要与驾驶盘相碰。所以从传感器捡测到加（减）速度的门限发出指令，到气囊完成充气，必须在几毫秒、甚至在若干微秒时间内完成。这只有在气囊内引入一个小爆炸，才能满足要求。而这在力学上又须仔细研究，爆炸小了不能充足气，大了则有可能会将人炸伤。

 

据统计，气囊与安全带的联合作用，确实可进一步减少汽车碰撞对人的伤害。现在，已有的汽车不仅在前面安装了安全气囊，在两侧车门内也装有安全气囊，以减少侧面冲击给乘客带来的伤害。侧面气囊隐藏在座椅旁边，当侧面出现撞击时，触及座椅侧面底部的感应器时，气囊会自动弹出，保护乘坐人的肩膀。瑞典富豪是第一家采用侧面安全气囊的公司。1995年款的美国通用别克汽车配备了8个气囊，前面4个，侧面4个。

 

（3）能量吸收装置

另一方面，若能设计汽车的刚度，使碰撞的过程适当延长，加大碰撞后的变形量，也可成倍地减小碰撞时汽车的加（减）速度，从而成少伤害。这种设计思想，是尽可能增加在碰撞过程中汽车变形所吸收的能量，使碰撞时的动能（包括乘车人运动的动能），尽可能多地被汽车的变形部件吸收。汽车前边的保险杠是碰撞时与别的车辆最先接触的部件，其变形过程需要认真地研究，使符合以上的要求。近年来，能量吸收装置是应用固体力学研究的一个热点，它不仅在汽车碰撞问题上有应用，在船体、飞机、军事防护工程中都有重要的应用。新材料的使用，也可为汽车的能量吸收装置提供好处。如可再生的热塑料保险杠，其重量只有5-7公斤，但却能大量吸收冲击能量。

 

对汽车碰撞所致车祸的研究，现场考查自然是一种方法，但为了取得完全的数据，往往需要做大量的模拟实验。试验时，汽车里坐有一个模型人，其质量分布、刚度和关节活动程度，都尽量做得和真人一样。模型人身上装有各种传感器，以测量各种所需要的数据。事故对人体的可能伤害、安全带和气囊的有效性、车身结构的强度、刚度和能量吸收性能等，都需要通过这类试验反复地进行验证。

 

 

  

 

 

 

 

 

汽车引起的环境保护问题

 

自1886年1月29日德国人本茨（Karl Benz）发明“奔驰l号”机动车以来，世界已累计生产了拾几亿辆汽车。汽车的发展使人们的生活方式发生了很大的变化，甚至影响了整个世界的变革。但是，汽车工业的发展也给人类带来了前所未有的难题，首当其冲的就是汽车的排放污染对人类生存环境的破坏。

 

 

  

汽车的排放物主要有一氧化碳（C0）、碳氢化合物（HC）、氮氧化合物（NO）、细微颗粒及硫化物。一氧化碳侵入人体，会很快与血液中的血红素结合，形成对人有害的一氧化碳血红素。当人们长期生活在一氧化碳含量为百万分之十的大气中时，就会慢性中毒。碳氢化合物中包括200多种有机物成分，已证明其中部分成分是致癌物质，如苯等多环芳烃类物质。危险的是，这些致癌物质在人体内还具有长期的积累效应。汽车排放的氮氧化合物包括二大部分，较多的一氧化氮和较少的二氧化氮，尽管低浓度的一氧化氮毒性不大，但二氧化氮则是毒性很强的气体，对人的呼吸系统和免疫功能有很大的危害。此外，碳氢化合物与氮氧化物在强烈的日光作用下会进一步发生光化学反应，形成毒性很大的光化学烟雾污染。光化学烟雾是一种白色或淡棕色的烟雾，会使大气能见度降低，具有特殊气味，刺激眼睛和喉粘膜，使呼吸困难，给人体健康和生态环境带来严重的危害。这种由于汽车排放造成的极为严重的大气污染事件，近半个多世纪以来，已在世界上发生过多起。

 

20世纪40年代，美国洛杉矶发生了世界上第一个由于汽车排放造成的严重光化学污染事件；70年代末期，希腊首都雅典也经常出现光化学烟雾；1992年11月，墨西哥城发生了以臭氧为标志的光化学污染。1998年冬天北京天空“灰蒙蒙”、“白茫茫”，看着太阳像是月亮的“黑锅盖”现象，经北京环保局采用最新的大气监视仪器进行监测，发现正是汽车尾气污染物和煤烟污染物，两者在大气物理化学的作用下生成的新污染物一细粒子所造成的。这种分布于地面到800m高空的细粒子，对阳光有很强的消光作用，同时也是细菌微生物、病毒和致癌物的载体，极易通过人的呼吸系统，沉积于人的肺中，对人体有极大的危害。

 

20世纪80年代以来，各国科技人员对汽车排放物进行了大量的研究，证明汽车排放物不仅会对局部环境造成不利影响，而且还会扩散到大气层中很远的地区，持续时间也很长。科技人员首先从改进发动机做起，使燃料燃烧得更充分，排污更少，如用电喷发动机取代传统的化油器，就属于这方面的努力。另一方面，科技人员又在研究如何最大限度地控制发动机向大气排污，如研制了三元催化器等装置，通过氧化与还原反应，尽可能地将发动机排出的一氧化碳、碳氮化合物、氮氧化物转化为无害的水、二氧化碳和氮气。

 

随着环境和能源形势的日趋恶化，世界范围内的环保呼声越来越高，汽车作为污染环境和消耗能源的大户，倍受人们关注。开发排污小的“绿色发动机”已成为各汽车公司的竞争热点。使用压缩天然气、液化石油气、醇类生物燃料的汽车均已出现，此外还有电动汽车以及太阳能汽车。

 

人们完全有理由希望发展和使用清洁能源的交通工具，使交通流动，使“车如流水马如龙”既快捷便利地服务于人民，为大众提供一个无污染、无噪音、节能、节约土地、收费低、乘坐时舒适宽敞、用最短的距离和最少的时间将乘客送到目的地的高效交通系统。

 

 

参考文献

1．王振东，车如流水马如龙—漫谈交通流动，力学与实践，1999，21（6）：70-71

2．武际可，与公路交通事故有关的研究，力学与实践，2003，25（4）：74-76

3．吕植中等编，飞轮载世界—汽车科技，北京：北京理工大学出版社，2002

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