堵车实验室交通流 · 实时模拟

车往前开,
堵车往后退。

没有事故也会堵车。下面六种情况都在实时模拟:拖动参数、踩一脚刹车,看一团堵车怎么冒出来,又怎么一路往后走。

怎么读时空图

    图 1时空图 · 幽灵堵车模拟

    幽灵堵车

    00:00

    三句话搞懂堵车

    上面六种情况,背后都是这三件事。

    一条车道的通过量有上限

    一条车道一小时最多过两千辆车左右。车不多时,车越多,每小时过的车也越多;车密到一定程度后,再加车反而过得更少。堵起来以后,队头放车往往比堵之前还慢一点。

    车一多,扰动就会被放大

    车距近时,每个人都反应慢半拍,又刹得比前车狠一点,一脚轻刹就会被一辆辆放大成停车。车少时,同样的扰动会被慢慢吸收掉。

    堵车是往后走的波

    车往前开,堵车团往后退。高速上的宽堵车团大约每小时退 15 到 20 公里。瓶颈决定在哪儿堵,车流密度决定会不会堵。

    各种堵车对照

    前六种上面有模拟,后四种只有文字说明。

    类型怎么触发堵车团怎么走常见地点有用的办法本页

    这个模拟是怎么做的

    • 每辆车用智能驾驶员模型(IDM)决定加减速:想开多快、想离前车多远、加速和刹车有多猛。
    • 在此基础上加了反应时间:司机根据零点几秒之前看到的路况做决定;停稳的车起步时还要再愣一下。
    • 每辆车的油门有一点随机波动。快要追尾时,司机会立刻急刹,这一下不受反应时间限制。
    • 简化之处:除了匝道和施工并道,路上只有一条车道,不能超车,也没有自由变道。小车长 4.5 米,货车长 12 米。
    • 环路上司机想开 60 km/h,车头时距 1.2 秒,最大加速度 1.6 m/s²;开放道路上想开 108 km/h,车头时距 1.3 秒,司机之间有 8% 的差异。
    • 标着"模拟"的数字都来自这个模型,量级可信,但不对应任何一条真实道路。已知的偏差有三处:环路上的堵车波比高速上退得快;模拟没有重现"堵过之后放车变慢";拉链式并道的优势在模拟里比不出来。

    资料

    1. Sugiyama 等(2008). Traffic jams without bottlenecks: experimental evidence for the physical mechanism of the formation of a jam. New Journal of Physics 10, 033001. 全文 PDF
    2. Stern 等(2018). Dissipation of stop-and-go waves via control of autonomous vehicles: Field experiments. Transportation Research Part C. arXiv:1705.01693
    3. 美国联邦公路管理局(FHWA). 明尼苏达州双城地区匝道信号评估案例. ops.fhwa.dot.gov
    4. 明尼苏达州交通部(MnDOT). Zipper merge. dot.state.mn.us/zippermerge
    5. McTrans(HCS 软件). 关于排队放行流量比通行能力低 7% 的默认设置. mctrans.ce.ufl.edu;Zhang & Levinson(2004). Some properties of flows at freeway bottlenecks. conservancy.umn.edu
    6. 日本国土技术政策综合研究所(NILIM)2014 年报. 坡底路段拥堵对策. nilim.go.jp