一、执行计划要点及执行情况概况

本项目旨在通过开展对城市道路网络交通流的观测和理论研究，基于复杂网络理论，结合经典交通流研究成果，建立城市交通流模拟模型，对城市交通流进行模拟和分析，认识城市交通拥堵和疏导的机理。围绕以上目标，针对城市道路网络交通流的建模、模拟、解析以及路由策略优化等问题，从城市网络交通、高速公路交通、非对称排他过程（ASEP）在交通流中的应用和解析分析、自适应巡航控制（ACC）车辆对交通流的影响四个方面展开研究。

由于目标明确，组织得力，投入的研究人员较多，又有良好的研究基础，本项目执行顺利。在其他课题的共同支持下，超额完成了研究计划，取得了一系列有特色的创新性成果。三年来，共完成 SCI 检索期刊文章 25 篇（其中13篇 EI 同时检索），另有 EI 检索的会议论文 3 篇，ISTP 检索的会议论文 2 篇。SCI 检索期刊论文中：《Europhysics Letters》 1 篇，《Phys. Rev. E》 8 篇, 《J. Stat. Mech.》,《J. Stat. Phys.》,《Transportmetrica》,《Chin. Phys. Lett.》各 1 篇，《J. Phys. A》,《Eur. Phys. J. B》,《I. J. Mod. Phys. C》各 2 篇,《Phys. Lett. A》,《Physica A》各 3 篇。

三年中，课题组共培养硕士研究生 5 名，博士研究生 1 名。课题组负责人分别被邀请在 2007 年法国的 《Traffic and Granular Flow ‘07》会议、2008 年澳大利亚的《Third International Symposium of Transport Simulation》会议上作口头邀请报告。

二、研究工作主要进展和所取得的成果

下面，我们从城市网络交通流、高速公路交通流、非对称排他过程（ASEP）在交通流中的应用和解析分析、自适应巡航控制（ACC）车辆对交通流的影响四个方面报告我们的研究成果。

（一）城市网络交通

在“点边互换”的城市道路“双映射”网络上，建立城市道路网络交通流模拟模型，重现城市车辆交通流的一些宏观特性，并在网络交通流量评估、导航策略提出、提高车辆交通系统效率等方面做出了一系列突破性的研究结果。具体如下：

1、在“点边互换”的城市道路“双映射”网络中，克服“双映射”网络把单条道路抽象成为一个点，没有距离的概念这个问题，在模型上提出创新，恰当地模拟了车辆的运行，建立起“双映射”网络下的城市交通流模拟模型。相比于传统的城市网络交通配流模型，此模型能对大规模网络进行快速有效的模拟，模拟结果能重现城市道路交通的一些基本特性。论文发表在《European Physics Journal B》上 [附录文1]

图、城市道路“双映射网络”的生成过程：（a）原始的城市道路网络；（b）将直路看成一条道路；（c）经过“点边互换”后，单条道路抽象为图中的一个节点，而交叉口抽象为连边。

2、考虑实际情况，采用泊松过程模拟车辆进入城市系统的过程，发现系统中会出现比较剧烈的波动，在将要发生拥堵的临界状态，会出现局部拥堵然后消散的现象。系统整体通行能力受网络拓扑结构、道路通行能力、交叉口转向能力、车辆导航策略四个因素的影响。规则网络的系统通行能力明显高于自组织的网络。鼓励车辆优先选择“非主干道”运行可以提高整体通行能力。论文发表在《Physics Letters A》上 [附录文2]

图、自组织无标度的城市网络和规划好的网格状城市网络中，在将要发生拥堵的临界状态，会出现局部拥堵然后消散的现象。

3、研究了带宽（交叉口转向能力）对网络交通系统的影响。模拟发现带宽会同时影响交通系统的整体通行能力，以及交通参与者的最佳导航策略。论文发表在《Europhysics Letters》上 [附录文3]

图、考虑带宽的影响后，网络整体通行能力 Rc 明显下降，并且最优导航策略参数发生偏移。（a） 节点处理能力均匀的情况下，最优导航参数由 -1.0 转移到 -0.5，表示选择非主干道的倾向减弱；（b）节点处理能力不均匀的情况下，最优导航参数由 0.0 转移到-0.5，表示选择非主干道的倾向加强。

4、提出一个考虑节点容量（道路容量）和处理能力（道路通行能力）的交通流模拟模型，研究等密度交通情况，首次发现了网络交通系统中的迟滞环现象，研究结果对理解城市网络交通、因特网交通、电力网交通等系统中的拥堵发生和疏散机理有重要意义。论文发表在《Phys. Rev. E》上 [附录文4]

5、提出一个在高负载情况下断边（关闭入匝道）提高整体通行能力的新方法。模拟表明该方法对系统采用全局最短路由策略和局域路由策略情况下都有显著提高通行能力的效果。论文发表在《Phys. Rev. E》上 [附录文5]

图、全局最短路由条件下，随着断边条数 Lc 的增加，网络交通系统的整体通行能力 Rc 的变化。（a）网络规模N=1000的情况；（b）网络规模N=5000的情况。从图中可见，断边以后网络整体通行能力大大提高。

6、系统地研究了交通系统的动态迟滞现象。在无标度、小世界、规则网三种网络结构下，采用全局路由策略，迟滞现象都会出现。而在采用局域路由策略时，在小世界和规则网络中迟滞现象可能消失。论文发表在《Phys. Rev. E》上 [附录文6]

图、局域路由策略下在三种不同网络交通系统上出现的迟滞环现象。（a）在自组织的无标度网络中，始终会出现迟滞环；（b）在小世界网络中，当连边处理能力超过一定值时，迟滞环消失；（c）在规则网格中，连边处理能力超过一定阀值，迟滞环消失。

7、提出了一个基于蚁群算法的新局域路由策略。交通参与者在系统中运行时，会在经过的路径上留下信息素，而路由的确定是根据信息素的浓度。模拟表明该策略相对其他局域路由策略，能达到更大的系统整体通行能力。论文发表在《Phys. Rev. E》上 [附录文7]

8、提出了基于排队长度的“全局动态路由策略”。最优路由不但要考虑网络拓扑信息，也要考虑排队长度信息。模拟表明，采用该策略时，系统能力比采用最短路由策略提高20倍，比 G. Yan 等提出的“有效路由策略”提高一倍。论文发表在《Phys. Rev. E》上 [附录文8]

图、全局动态路由策略、有效路由策略和最短路由策略下网络交通系统的整体通行能力比较。（a） 保持网络规模 N 不变，增大节点平均度 <k>；（b）保持节点平均度 <k> 不变，增大网络规模 N。由图中可见，全局动态路由总是能得到最高的系统通行能力 Rc。全局动态路由的 Rc 一般是最短路由的 20 倍，是有效路由的 2 倍。

9、提出了一个加权网络上的基于当地局域信息的导航模型。模拟表明，优先使用权重较大的边可以提高整体通行能力，对应于“双映射”的城市网络交通，则表明鼓励车辆优先使用处理能力高的“主要交叉口”。论文发表在《Physica A》上 [附录文9]

10、提出了一个基于局域路由和全局最短路的混合导航策略。目的地为度大节点（重要道路）时采用局域路由，而目的地为度小节点（次要道路）时采用全局最短路导航。系统通行能力比单纯采用局域路由或者全局最短路有显著提高。研究结果对城市车辆导航、Internet 数据交通等有指导性意义。论文发表在《Physica A》上 [附录文10]

11、研究了加权网络上基于权重导航策略对系统通行能力的影响，发现了控制连边能力的两个重要临界参数。该工作在《Traffic and Granular Flow ‘07》 会议上作 Poster 交流报告，并且被收入论文集（ISTP检索） [附录文11]

12、考虑道路通行能力和交叉口通行能力，模拟发现网络交通流的相变和迟滞现象，可以采用车辆临界产生率来表征系统的整体通行能力。该研究解决了在“双映射”网络的框架下如何衡量道路网络的整体通行能力的问题。该工作在2007年全国复杂网络会议上作分组报告，论文发表在《Dynamics of Continuous, Discrete and Impulsive Systems B》上 [附录文12]

（二）高速公路交通

对城市交通主干道、高架环行道和高速公路上的交通流进行建模和模拟，对三相交通流理论、上匝道交通系统设计、城市混合交通流中的复杂动态问题进行了研究。具体如下：

1、导出了 Kerner-Klenov 三相交通流速度适应模型的宏观表达形式，并采用此表达形式研究了上匝道附近的时空堵塞状态。模拟表明该宏观表达形式能很好地重现三相交通流中的大部分现象。论文发表在《Phys. Lett. A》上 [附录文13]

2、提出了一个能提高交通系统通行能力的上匝道交叉口设计方案和相应的红绿灯控制方法，在此设计下可以显著减少主道车辆和匝道车辆的相互作用，从而提高匝道系统的整体通行能力。论文发表在《Transportmetrica》上 [附录文14]

图、新的上匝道设计方案。（a）一般的上匝道系统由主路、匝道、加速道组成；（b）新的上匝道系统增加红绿灯控制交通流，显著减少车辆相互作用，从而提高整个匝道系统的通行能力。

3、提出司机的预测效应可能是导致同步流产生的机制之一。研究表明，考虑预测效应后，上匝道系统的交通流态与三相交通流理论预测的一致。论文发表在《Chin. Phys. Lett.》上 [附录文15]

4、对经典的 Nagel-Schreckenberg 元胞自动机模型进行细化，研究了车辆的加速和随机慢化效应。模拟表明，当加速度小于随机慢化概率时，车流呈现三相交通流的特征。论文发表在《吉林大学学报工学版》上 (EI检索) [附录文16]

5、研究了的士随时停车效应对双道交通系统的影响，对空的士率、乘客上车率、客运能力、换道频率等进行了较为详尽的考察。该工作在《Traffic and Transportation Studies Congress 2008》 会议上作邀请报告，并且被收入论文集（EI检索） [附录文17]

（三）非对称排他过程（ASEP）在交通流中的应用和解析分析

非对称排他过程(Asymmetric Simple Exclusion Process)是一类简单的元胞自动机模型，可以描述车辆交通流、分子马达、行人等自驱多粒子系统，具有规则简单、动态行为丰富、容易进行解析分析等特点，并且作为一种研究非平衡系统的简单模型，近年受到交通科学、生物学等领域的重视。我们开展了一系列结合或针对城市交通系统特点的 ASEP 系统模拟研究和解析分析。研究结果对道路及城市网络的拥塞控制和疏导具有指导性意义。具体如下：

1、研究了双道 ASEP 系统的弱耦合和强耦合效应对交通系统的影响。在弱耦合条件下，换道概率反比于系统长度，此时系统中会出现激波，解析得到了系统的密度分布和相图。在强耦合条件下，换道概率与系统长度无关。研究各条道路上的车辆密度激波和自由流-阻塞流的相转变情况。论文对道路交通系统、生物交通系统的拥塞控制和疏导有意义。论文发表在《Phys. Rev. E》上 [附录文18]

图、双道 ASEP 在弱耦合和强耦合情况下的相图。（a）弱耦合；（b）强耦合。由图中可见，强弱两种耦合条件下双道系统的行为有本质的差异。

2、研究了多道 ASEP 系统在窄入口情况下的自发对称破缺现象。研究发现，系统行为与ASEP链的条数 n 有关。若 n 为偶数，系统呈现对称破缺现象；n 为奇数，系统呈现周期性现象。采用平均场论进行解析，结果与模拟吻合。论文发表在《Phys. Rev. E》上 [附录文19]

3、研究了 ASEP 系统中存在周期性运动率的情况，对 Lakato 等的Phys. Rev. E 文中的平均场分析作出修正，不至于出现冗余方程。Comment 发表在《Phys. Rev. E》上 [附录文20]

4、研究了多道 ASEP 系统中的完全非对称耦合导致的系统行为。在完全非对称耦合条件下，只能向一个方向换道，此时系统的行为与 ASEP 链的条数 N 相关，系统中可能出现的相的数目也与 N 相关。论文发表在《J. Stat. Mech.》上 [附录文21]

5、研究了双向双道 ASEP 系统中的相分离现象。在双道粒子发生相互影响时，系统的基本图出现一个平台，此时系统中有相分离现象。采用平均场论进行了解析，结果与模拟一致。论文发表在《J. Stat. Phys.》上 [附录文22]

6、研究了同步更新 ASEP 系统中节点缺陷导致的系统相变行为。模拟表明系统中会出现四种不同的相，提出了一个唯象的域墙模型分析了相变点上的系统行为。该工作对理解交通系统中存在瓶颈、限速、故障等情况下的行为有意义。论文发表在《Phys. Lett. A》上[附录文23]

7、研究了并行更新的双道 ASEP 系统在窄入口条件下的自发对称破缺现象，系统中会出现两种对称破缺现象，并且平均场论分析结果与模拟结果吻合得很好。论文发表在《J. Phys. A》上 [附录文24]

8、研究了捷径对 ASEP 系统的影响。对分子马达和车辆交通流采用稍微不同的模型进行分析，结果表明虽然系统相图都可以分成三个区域，但两者行为是有差异的。该工作对理解交通捷径和交通参与者行为的互相作用有意义。论文发表在《J. Phys. A》上 [附录文25]

9、研究了具有分叉点的 ASEP 系统的相变特性。结果表明系统相图可以划分为 3 个区域，系统的行为与分叉点能力相关。模拟结果和平均场论分析的结果一致。该工作对下匝道和道路分叉系统的研究有意义。论文发表在《I. J. Mod. Phys. C》上 [附录文26]

10、研究了双道 ASEP 合并的系统在入流条件不同时的相变特性。结果表明考虑不同入流时，系统会出现新的相，并且相图结构发生变化。该工作对上匝道和道路合并系统的研究有意义。论文发表在《I. J. Mod. Phys. C》上[附录文27]

11、使用具有附着、脱附和源约束的 ASEP 模拟了线性城市系统的交通流特性。结果表明，在上下班高峰期间，会出现明显的相分离现象，系统的相变行为受源约束的影响。论文发表在《吉林大学学报工学版》上(EI检索) [附录文28]

（四）自适应巡航控制（ACC）车辆对交通流的影响

自适应巡航控制 (Adaptive Cruise Control) 车辆能够通过车上的雷达设备感知前车的距离和速度，并通过自动控制设备调整本车的行驶速度，从而达到自动驾驶的目标。国外已经对 ACC 车辆已经进行了试验，可能在近期装备一些车辆。在 ACC 车辆大量投入使用之前，研究 ACC 车辆对城市交通系统的影响，是很有必要的。我们针对 ACC 车辆的特点，设计了一系列模拟模型和运行环境，研究了 ACC 车辆对交通流的影响。具体如下：

1、研究了 ACC 车辆对交通流相变行为的影响。研究表明，一般情况下，ACC 车辆可以提高自由流态的车流稳定性，并且可以减少车流从同步流到拥塞态的转变，在某些情况下可能会增加拥塞的发生。论文发表在《Eur. Phys. J. B》上 [附录文29]

图、对不同 ACC 车辆比例 R，随着车辆密度的变化，道路交通流从自由流到同步流发生相转变概率。ACC 车辆设计时间车头距为：（a）T=1.0秒；（b）T=1.5秒。由图可见，一般情况下 ACC 车辆可以提高自由流态的稳定性，某些情况下可能出现稳定性降低的现象。

2、提出了 ACC、普通车混合车流的混合模拟方法。对普通车采用元胞自动机模型进行模拟，对ACC 车辆采用跟驰模型进行模拟，克服了虚假速度波动问题。论文发表在《Physica A》上[附录文30]

3、研究了 ACC 车辆对道路交通流相变行为、时空模式、速度分布等特征的影响。该工作在《Traffic and Granular Flow ‘07》 会议上作邀请报告，并且被收入论文集 （ISTP检索） [附录文28]

三、学术交流和研究生培养情况

（一）参加国内外学术会议和学术交流情况

依托本项目和其它课题的共同资助，参加国内学术会议 5 次，参加国际学术会议 2 人次，并接待国外专家来访 2 人次。

参加国内会议情况：

1、2007 年 11 月，课题组成员 5 人参加了在杭州召开的《第三届海峡两岸统计物理会议》，共做了 6 人次的口头报告（未出版论文集）

2、2007  年 11 月，课题组博士生凌翔参加了在上海召开的《第三届全国复杂网络学术会议暨 2007 年复杂网络研讨班》

3、2008 年 10 月，负责人参加了北京大学主办的《第四届全国复杂网络学术会议》

4、2009 年 2 月，负责人和博士生凌翔参加了上海理工大学主办的 《First International Conference on Complex Sciences: Theory and Applications》 国际会议，并提交 Poster 交流报告 1 篇

5、2009 年 6 月，课题组 10 人参加了上海大学主办的《Traffic and Granular Flow ‘09》国际会议，做了 20 分钟口头报告 2 人次，并提交 Poster 交流报告 2 篇，全部收入会议论文集 （ISTP检索）

参加国际会议情况：

1、2007 年 6 月，负责人赴法国参加了《Traffic and Granular Flow ‘07》 国际会议，做 20 分钟口头报告 1 次，并提交 Poster 交流报告 2 篇，全部收入会议论文集 （ISTP检索）

2、2008 年 7 月，负责人赴澳大利亚参加了《Third International Symposium of Transport Simulation》国际会议，在会议中做 20分钟口头报告 1 次

接待国外专家情况：

1、2008 年 10 月，课题组接待了日本东京大学工学院的陈昱副教授前来交流访问，在复杂系统和博弈论方面开展交流和合作。

2、2009 年 7 月，课题组接待了东京大学的 K. Nishinari 教授前来交流，在交通流复杂性研究方面开展合作。

所有这些活动，促进了本课题组成员与国内外学者广泛的学术交流，扩展了课题组研究生的科研视野，也提高了课题组研究工作在国内外的影响程度。

（二）研究生培养情况

围绕城市交通流问题的研究，截止 2009 年底，课题组已培养硕士研究生 5 名，博士研究生 1 名。课题组现还有 2 名硕士研究生和 4 名博士研究生在读，他们都在交通流相关方面继续开展工作，有的已经取得较好的科研成果。具体情况如下：

已毕业研究生情况表

在读研究生情况表

四、存在的问题及其它

本项目执行中存在的主要问题是受客观条件限制，未能实现比较系统的城市交通流观测。城市交通现象十分复杂，其系统、精细的观测需要较多的设备和人力，还需要社会力量和交通管理部门的密切配合和大力帮助。我们缺少足够的经费购置相关器材和设备，也未组织起足够的人力开展相关的观测，只能依靠简单的摄像机捕捉一些不太完整的图像用以定性分析，并以国外学者的观测结果作为比较的依据。如何获得比较完整的国内城市交通流数据，这是我们进一步工作需要努力解决的问题。

五、附件材料目录

1、代表性论文全文复印件（6篇）：附录文 1 至 6

2、其他已发表期刊和会议论文首页和标注资助页：附录文 7 至 31

3、研究生学位论文封面复印件

（1）赵博涵硕士学位论文封面

（2）王  雄硕士学位论文封面

（3）蔡中盼硕士学位论文封面

（4）刘  哲硕士学位论文封面

（5）汤昌福硕士学位论文封面

（6）袁耀明博士学位论文封面

附表1、基金项目研究成果目录