混沌理论在交通领域中的应用前景初探.pdf

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混沌理论在交通领域中的应用前景初探1混沌理论与交通系统刘力军1一，马红霞2中图分类号：u文献标识码：A交通系统是一个复杂的大系统，也是一个时变非线性系统．随着经济的快速发展、城市空间布局结构的调整以及人的观念的变化，使交通系统运行中的不确定因素越来越多，矛盾越来越突出．交通系统的发展过程，不仅仅涵盖了城市道路网等基础设施以及车辆等交通工具的发展过程，更重要的是人的观念与科学技术理论的发展过程[1|．纵观交通系统发展史，运筹学、图论等学科为交通规划、设计优化奠定了理论基础；通信技术、计算机科学理论、自动控制理论已经广泛地应用在交通诱导与控制系统中，各种统计学方法更是扩展了交通评价体系，并提高了它的科学性和系统性．随着当今社会交通系统的复杂性日益增大，交通需求与交通能力增长越来越不均衡，交通系统的各个环节也出现了许多亟待解决的新问题．相应地，在交通系统中也需要引入新的理论和方法，通过改善调控技术，优化资源配置，来缓解社会面临的日益尖锐的交通压力．混沌现象是自然界客观存在的重要运动形式．任何系统都是不断运动变化的，系统的运动形态分为有序运动和无序运动，而有序运动又包括简单有序运动和混沌运动两种类型．简单有序运动指平衡态(周期或准周期)运动；混沌不是简单的无序，而是没有明显的周期与对称，但同时具备丰富内涵的有序运动．混沌的主要特征可表现为：非线性，初值敏感性，自组织性．1．2混沌理论应用到交通系统的可行性从理论上讲，数以千万计的人群使用各种交通工具不断在道路网上运动构成的交通流系统，显然是一个复杂巨系统，尤其在中国，大量的自行车和机动车构成了更为复杂的一个混合交通流系统，其各要素之间存在着高于3维复杂的非线性关系，必然会存在混沌．人们观察到的实际交通流现象，诸如道路上车辆的时走时停、交通事件引起的交通阻塞和交通阻塞的消散，道路上交通流在稀少、密度加大、拥挤、饱和、堵塞这些状态之间不断变化，说明交通流的运动状态不断地从有序到无序再到有序反复转化，已经有一些学者通过定性或定量分析得出了在这个转化过程中确实存在着混沌现象∞J．另外，混沌现象的一些特点也常常渗透在实际交通的种种现象中．比如在某些临界时段，一些重大的交通拥阻可能是由车流中单个驾车人一刹那按住刹车时间长了点这么小的事情造成的．这种车流的不稳定性也正是混沌理论中对初值极大敏感的实际体现．又如公交系统是交通的重要组成部分，国外针对公交车周而复始行驶行为的一系列研究表明，由于交通信号灯、客流以及司机反应等因素的影响，混沌运动与周期运动会交第30卷第4期摘要：将交通系统看作具有高度复杂性和长期行为不可预测的混沌系统，论述了混沌理论与交通系统之间的关系，分析了混沌理论在交通领域中应用的可行性，并从系统建模、交通流预测、交通控制等几个方面对混沌理论的应用前景进行了探讨，说明混沌理论为交通流管控系统提供了新的手段，有着良好的应关键词：交通工程；交通流；混沌；预测；混沌控制混沌理论综述[24]基金项目：国家自然科学基金(50478088)资助项目．作者简介：刘力军(19r71．)，男，河北石家庄人，博士生，主要从事系统工程与智能交通系统的研究2006年7月江西师范大学学报(自然科学版)JIANGⅪNORMAI．UNⅣERs]ⅡY(NATURALSCIENCE)文章编号：1000—5862(2006)04．0346-04(1．天津大学系统工程研究所，天津3000r72；2．河北经贸大学信息学院，河北石家庄050061)用前景．’收稿日期：200803．18JOURNAL0FV01．30Jul．2006491．21．1No．4，
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2混沌理论在交通领域中的应用替出现，而且对某些参数的变化非常敏感【确J．交通系统内部由于人的因素存在，使其本身具有一定的自稳能力，同样人一车作为交通主体，它的行为是一种理性驾驶行为，因而个体之间存在相互合作、协同并在宏观上形成一种有序结构的可能性，而且交通系统本身属于开放系统，它可以从外部获得消除无序程度的“负熵流”，从而具有保持并回复其有序状态的能力，所以交通系统具有非常明显的自组织特征旧』．由上面分析可知，我们可以把交通系统视作混沌的复杂系统．从有序到混沌出现是由于系统受到系统内部的时变与外部各种不确定因素扰动的影响，而从无序到有序是由于交通流的组织特性与正确的管控作用而形成的，如果能及时发现交通中的混沌现象并加以疏导，可避免系统本身进一步向无序方向发展，所以说把混沌理论运用于交通系统，就是将交通环境看作是具有高度复杂性和长期行为不可预测性的混沌系统，去发现隐含在复杂系统内普遍适用的简单决定性准则．这样，混沌理论提供了一个全新的观念和手段揭示看似复杂、无序的交通流背后隐藏的规律性，可见运用混沌理论来研究交通流混沌，寻求其规律，进而为交通管理服