十一等節假日高速路堵車的科學解決_風聞

汪涛_纯科学-自由撰稿人-纯科学创始人，致力于将完善的科学方法引入社会领域2020-10-06 13:26

2020-10-06

一、節日堵車快樂！

一到十一假日，吐槽高速公路大堵車就成了如春晚一樣的節目。中國人很擅長於把糟心的事情變成樂趣，堵車的段子不斷花樣翻新。例如，堵車現場成相親現場，從車牌看常駐地，從車的品牌型號看家庭財力，從憋尿看腎功能。“青蜂俠Bee”今年十一放出一段視頻“男子高速堵車堵一夜還在原地，轉眼一看鄰車直接放棄掙扎掏魚竿釣魚！”，網友留言吐槽這是用月餅餡的魚餌嗎？

今年十一和中秋同一天，鬼使神差我也踏上十一中秋回老家的堵車行程。9月30日下午3點從紹興出發，到晚上10點開了7個小時，只跑了不到200公里，還沒出杭州市，用導航軟件查詢前面堵車路段還漫無邊際，只好在杭州臨安住下。第二天10月1日早上10點從臨安出發，跑到晚上快9點，還沒出黃山市，只好又在黃山市祁門縣桃源村住下，10個多小時正常情況下應該在高速上跑至少七八百公里的，只跑了270公里左右。不過，堵車會帶來大量意外的行程變化，也會堵出很多意外的收穫。先説説第一個意外的收穫。

10.1白天下午4點鐘左右，杭瑞高速路徹底堵死了，大家只好在高速路上下車活動一下。儘管我不太快樂，但還是要藉此機會在微信羣裏給朋友同事發一發中秋國慶雙節快樂的問候。一抬頭突然發現我停車的位置正對着“香港科技大學IEMBA校友紀念中學”，位於安徽省黃山市歙縣杞梓里鎮。為什麼我對這事這麼敏感呢？這地方不僅是馬克思在《資本論》中提到的唯一中國人，著名貨幣理論家、理財家王茂蔭的故里，而且更因為前一天我還剛給我的好朋友、香港科技大學的副校長汪揚教授發過雙節問候，他剛好就是10.1當天正式走馬上任港科大副校長。所以我馬上拍了這個照片發給他，他非常欣喜，據他説是港科大的校友捐的。

汪揚教授是著名的數學家，很早就看過我寫的書，我和他在很多學術觀點上有相同看法

仔細算來，堵車造成的個人與社會損失是非常大的，即使公路費免了，但堵車時間太長，人們不得不在途中更多居住過夜，這也是不小的開銷。堵車會造成油耗極大上升，因為即使停車空調往往也不能停，百公里油耗自然上升很多。白白損失的時間也是全社會的巨大浪費。花錢還是小事，中秋節日着急與長年未見面的家人團聚，卻不得不堵在高速路上，未免令人煩惱不已。表面看來，如果要問十一等節假日為什麼道路會擁堵，所有人可能都會説交通量太大了嘛，當然會堵了。所以，儘管堵車讓人很心煩，但人們堵得也沒脾氣，認為這是沒法避免、天經地義的事情。

很多網友經常給我這樣留言：汪老師，能否用科學的方法分析一下某某事情？看到“香港科技大學IEMBA校友紀念中學”的名字，我突然間閃現一個靈感，能不能用科學的方法分析一下堵車，並且用科學的方法解決它，避免堵車呢？原來我就學習過一些關於交通流量問題的知識，因為交通流量問題本質上與我的原始專業通信流量問題是有類似之處的。但是，過去學習主要是一些理論知識，這次親身經歷過，實地測量過堵車的全過程之後，原來零散的知識瞬間就貫通在一起了。10.1等節假日流量非常大是真的，但如果採取一定的投入並不大的措施後，是完全可以避免如此大規模堵車問題的。

二、公路流量設計的專業基礎及其問題

要理解根本解決問題的科學方法，先得科普一下現在公路車流量設計時用到的交通專業知識，這個也不算太複雜。測量交通量主要的時間單位有日、小時、15分鐘等。日交通量大多用於計算平均值，小時和15分鐘等更短時間單位的交通量用於統計實時性的交通量數據。以15分鐘等更短的時間為單位進行的交通量統計實時性當然會更強，不過主要用於學術分析。在建設公路進行流量能力的設計時，小時交通量是一個基本夠用的重要單位。以日為單位進行平均得有時間段，時間段不同，平均出來的數據也是不一樣的。如“年平均日交通量”就是用一年內的交通總量，除以一年的天數（365天）得出的日平均交通量。常用的平均日交通量還有月平均日交通量、周平均日交通量以及任意期間（依特定分析目的而定）的平均日交通量等。

以小時為統計單位的交通量在每天時間內都是有週期性變化的，在一年內也會有高度的變化。一年內有365×24=8760個小時。如果把這8760個小時的交通量都統計出來，可以很好地分析一年內、各個月、周、天等時間段內實時交通量變化情況。主要的技術指標有“高峯小時交通量”和“第30位小時交通量”。高峯小時交通量比較好理解，就是一個時間段內（如某一天內）交通量最大的那一個小時的交通量。如果把小時交通量按時間順序畫成曲線，高峯小時交通量就是變化曲線出現最大值的各個峯值點的小時交通量。一天內很可能會有上午和下午兩個峯值小時交通量。每年會在節假日出現年度的高峯小時交通量。

“第30位小時交通量”專業性就稍微強一些了，不過也不是太難理解。就是將一年內8760個小時，每個小時的交通量統計出來，然後按數值的多少從大到小進行排列（不是按時間順序排列），這樣處於第30位，也就是第30大的那個小時交通量，就是“第30位小時交通量”。為什麼這個交通量數據有特殊性呢？原因在於它的大小與年平均日交通量之間的比值有很好的規律性。

上圖的縱軸採用了一個專業性的數值，就是k值，它並不是直接體現小時交通量的絕對大小，而是將小時交通量除以年平均日交通量。第30位小時交通量的k值大約為11%-15%。另一方面，它也是一年內小時交通量從大到小排列圖形另一個規律性的體現。就是在第30位之前，曲線下降非常陡，而到第30位之後，曲線下降的斜率就比較平緩了。這樣，如果在設計公路的交通流量能力時，只考慮第30位及以後的交通量，而不考慮前面29位小時交通量，就可以照顧到（8760-29）/ 8760=99.67%的交通量需求，同時又照顧到公路建設的經濟性。這個設計方法不僅用於高速公路，而且在城鎮及鄉村公路建設中也是基本設計依據。只是K值的取值大小稍有不同，如城市一般取11%，平原公路13%，山區15%。如果是城市的K值取11%，其含義就是第30位小時交通量與年平均日交通量比值為11%，它的倒數就是年平均日交通量與第30位小時交通量的倍數，約等於9.1。也就是年平均日交通量是第30位小時交通量的9.1倍。公路的交通流量能力基本就是按照這個為基礎設計出來的。當然，在實際道路設計時，第30位小時交通量的數據還需要考慮到道路建設時的交通量，以及未來15或20年內交通量的增長變化等因素，在此我們就不去深入研究了。

這樣看來，前面29個小時的交通量太大，是沒法在建設公路時考慮的，等同於是放棄考慮了。所以，這種設計從原理上也的確就是認同了，在每一年的約29個小時的交通擁堵問題是無法解決的，只能任其擁堵。人們可能會想當然地認為，十一節假日的那一天堵在路上的時間段內的那些小時，都應該是屬於前面29個小時，至少也應該是非常靠前的對不對？但真相可能會讓你驚訝無比。因為十一假日期間有很多個小時是堵死在路上的，在這些小時裏，其小時交通量為零。它們不僅不是排在最靠前的位置，反而會是排在最靠後的位置！這不是天大的怪事！？我們在堵車時仔細想過這個問題嗎？

三、實際交通流量是怎麼變化的

我們在路上開車時都會有體會：當路上車不多時，可以開得很順暢，車速也可以很快。這樣道路的利用率當然就會很高。隨着車越來越多，車流量當然就會越來越大。如果車流量進一步增長，前後車輛間的間距就會越來越短。不同行車人的速度習慣有所不同，當前面一輛車速度較慢時，後面的車自然也得跟着慢下來。所以，路上車越多，前後車輛間相互影響越嚴重，平均車速就越慢。只要能保持一定的相對較高車速，道路的通行能力是會得到充分發揮的。但當車流量增大到一定程度時，並不是道路通行能力得到更多發揮，而是突然間急劇下降，甚至完全停頓下來了。

以上只是我們經驗性描述，開過車的人都會有相同的體會。此處能不能給一個精確的科學解釋呢？是有的，這就是“用尖點型突變理論”對交通流量變化規律的研究。

摘自：張亞平,張起森：《尖點突變理論在交通流預測中的應用》，系統工程學報，2000年9月。

上圖是廣佛高速公路交通流量實測數據的散點圖。交通量最大值約為2000多，此時當進入道路的車輛進一步增加時，流量和車速都會急劇下降，甚至降到零，所有車輛都堵死在道路上，這與人們實際開車中的體驗也是一致的。

四、道路堵死的原因是什麼

這裏出現一個問題，只要道路上車還可以開，即使速度慢一些，車輛還是會往前開動，不至於徹底堵死。那為什麼會出現大量徹底堵死的現象呢？原因很簡單——車禍。

我這次開車從紹興出發，經杭州繞城高速轉入杭瑞高速沒多久，就進入了堵車的路段。而剛進入堵車的路段，僅僅2公里左右的線路，就發現了3起車禍現場。其實也都不是什麼大的車禍，主要就是前後車的追尾。9月30日下午出發，到10月1日晚在黃山住下，1天半的時間內遇到的車禍超過20多起。上面是堵車時從導航軟件上拍攝的照片，可以明顯看到前方10多公里路段上同時存在3起車禍。

當前後車輛間距越來越短時，前面車輛稍有減速，後面車輛來不及剎車就會造成追尾。而一旦前方有車追尾停下，後面車輛就會接連迅速減速停車。如果在這個過程中有車輛減速不及時，就會造成各種連環追尾事故。由此導致整個道路被徹底堵死。所以，當道路堵死時，並不完全是道路交通流量的問題，而主要是事故造成的。尖點型突變的發生並不完全是一個純粹數學的問題，而是有其循環因果律的原因。就是當進入道路的車輛不斷增加時，一開始流量會慢慢隨之增大，同時車間距會越來越短。當車間距短到一定程度，事故率就會突然間迅速上升。而上升的事故率又會使車間距進一步迅速減小，反過來使事故率更進一步急劇加大，從而使道路被徹底堵死。雖然此時道路上堵滿了車輛，但並不絕對意味着車流量就大到了天上去。

五、能在道路容量一定的情況下保證不堵車嗎？

答案是出乎人們意外的：能。

以上分析表明了，車流量有一個最大的、不能超過的限度，我們權且稱之為“最大安全交通流量”。只要不超過這個限度，道路就可以保證一定的、並且是相當大的流量。只要這個流量持續存在，其實車流很快就消化掉了。設想一下，如果我們保證進入道路的車輛不要超過那個最大的限度，也就可以保證車流量實際可以實現最大化，或者接近最大化的流量通行。只要保證這個條件，其實十一國慶也沒那麼大車流，所有車輛很快也就全通行走掉了。我在10月2日再次出發走高速時，前一天還是堵滿車的高速路上，車輛已經很少了。從9月30日到10月1日一天半的高峯期，其實大部分時間交通流量接近於零。但不管怎樣，到了10月2日，所有突然增加的車流還是都走光了。設想一下，如果9月30日下午開始，至10月1日的30多個小時裏，高速路上能保證都以最大安全交通流量以下的車流行駛，根本就不會有那麼多擁堵發生。十一假日回到前面的小時交通量分析，最左邊的曲線不應該是一個陡峭下降的形狀，而應該是一個嚴格受限，不超過最大安全交通流量的平台。

我們的交通流量設計理論都是接受歐洲和美國的，但我們卻沒有學習完全。如果有在美國高速路開車的充分經歷，就會發現一個與中國高速不同的細節：美國骨幹道路的入口處往往都有紅綠燈，而中國高速路和所有城市骨幹道路的入口處是極少有紅綠燈的。城市道路十字路口的紅綠燈目的是讓不同方向的車流安全地分享十字路口的道路，使它們在不同時間段通行。但骨幹道路入口的紅綠燈作用不是這個，它就是控制進入骨幹道路的車流量大小，從而使骨幹道路上的車流量不要超過一定的限度。解決道路峯值期擁堵問題的根本科學方法，就是引入流量控制。

六、流量控制的具體方法

1. 根本出路是流量控制

流量控制的基本方法很簡單，就是在出現峯值交通量時，限制進入骨幹道路的車流量。寧可讓車堵在骨幹道路以外的支線上，也不要讓其堵在骨幹道路上。只要保證骨幹道路暢通，支線上的擁堵很快就會解決。而一旦骨幹道路堵死，骨幹和支線全都堵死了。在道路堵死的很長時間裏，其利用率降為零。越是在需要最大程度利用道路的時候，道路利用率卻下降到了零，這顯然會反過來讓擁堵問題極大化。其實這個原理現在人們也知道，並且一定程度上也利用了，就是在擁堵期把一些入口徹底關閉，或者限制到只有一個入口開放，其它入口都關閉，也有一些服務區因車流量太大而完全關閉。但是，這種完全依靠人力進行的流量控制太粗放，並且往往是等路已經堵死的時候才去封堵入口，此時往往已經晚了。因此，這需要系統的自動流量控制方法才最為有效。

2. 以入口流量控制紅綠燈為基礎的自動流量控制

在骨幹道路的入口處全部設置紅綠燈。在全路網實時流量監控的基礎上，自動調整入口流量控制紅綠燈的時間長度。在平時車流量較少時，綠燈時間遠長於紅燈時間。如紅燈10秒，綠燈2分鐘甚至5分鐘。當車流量達到最大安全交通流量一半時，就開始調整入口流量控制紅綠燈的時間間隔。例如紅燈增加到20秒，綠燈減少到1分50秒。此後隨着車流量每增加一定數量，紅燈時間就不斷加長，綠燈時間不斷縮短。最終如果交通量已經達到最大安全交通流量，入口流量控制紅綠燈就進入全紅燈狀態，等於完全封閉入口。採用這種方法，就可以使骨幹道路的車流量保證處於最大安全交通流量以下。

道路上的車流是入口交通量與道路上游來車交通量之和。因此，如果上游來車超過了最大安全交通流量，即使入口處交通流量為零，骨幹道路上的流量還是會超標。因此，這種方法最終需要全路網都採用這種方法才能解決所有問題。但是，有很多路段車流量的彙集和疏解的確是有局域性的。例如，我們這次跑的路段，正好從紹興和杭州市有大量的車流進入杭瑞高速，主要是到黃山市去旅遊。一過黃山市出口，車流就大幅度減少了。因此，如果先在這樣的路段進行這種方法的實驗，就可以有效地體現出控制效果。最終在總結所有經驗，完全清楚控制方法後，就可以在全路網上進行普及。

3. 快速故事處理流程

即使車流量再小，也難以保證一個事故也不發生。在交通流量處於最大安全交通流量的狀態，如果發生交通事故後不能以最快的速度處理，一個小的交通事故還是可能會誘發一連串的其他交通事故。因此，在最短的時間內處理完交通事故是非常重要的。這個可以在保險出險的流程上稍加改進就可以實現。只要在高速路上憑雙方的事故照片和簡易驗證，就可以馬上完成出險的流程，不要等待報案過程，馬上可以將車開走。至少將事故車輛移到緊急停車帶上，及時疏通骨幹道路。

4. 網上高峯出行的提前申報預約

為避免支線入口處的過度擁堵，可以在節假日高峯期間引入“網上高峯出行提前申報預約流程”，只有提前申報過的車牌號才能在提前預定的時間段進入高速公路，否則此期間無論入口處狀態如何，都不允許進入高速公路。採用這種方法，就可以提前獲知出行的車流量情況，並通過計算確定不發生堵車前提下所有車輛進入高速公路的最佳時間段，從而基本避免入口處過度的擁堵發生。這種預約對現在的網絡技術來説已經是很簡單的事情了。採取以上技術後，就會使擁堵從高速公路上轉移到入口處，再從入口處轉移到車主的家裏。把車堵在車主家裏，就等同於完全沒有堵車了。一方面，即使堵在家裏的時間與堵在路上的時間完全一樣，人們也寧願堵在家裏。另一方面，只要採用以上手段，高速公路和其他骨幹公路就會保持最大車流量順利通行，使堵在家裏的時間肯定遠遠少於原來堵在路上的時間。

5. 服務區流量控制

服務區有入口和出口，其出口也是高速路的入口。如果服務區滿了，進入服務區的入口處就會排隊，如果隊排到高速路上，也會造成擁堵問題，因此，服務區也需要流量控制。在擁堵的高峯期，有些服務區就會完封閉了，例如這次我經過杭瑞高速的朱村服務區（位於黃山市歙縣）時，這個服務區就通過人工完全封閉不讓任何車輛進入了。但服務區的人工封閉效率也是很低的，並且不能及時調整。高速路上進入服務區前路牌會有多次提醒前面服務區的距離。可以在每個提醒牌處增加電子流量控制提醒是否有流量控制。實際入口處，可以增加紅綠燈，以控制入口流量。出口進入高速路處，也增加紅綠燈，控制進入高速路的流量。因為服務區一般空間都不小，因此容量是很大的，隨時都有車輛離開進入高速路。因此，並不一定需要完全封閉服務區，只要排隊的隊尾別延伸到高速路上，影響其通行就可以了。如果快開始排隊時，就啓動服務區入口紅綠燈限流。因為車輛要準備進入服務區的過程會比較長，不能到了入口處臨時決定。因此，這個紅綠燈間隔需要比較長的時間，至少要以分鐘來計算，甚至以5分鐘以上的時間為基本調節單位。例如，開始啓動服務區紅綠燈控制時，紅綠燈時間長度各為5分鐘。如果服務區內車輛擁堵情況增加，可以將紅燈時間拉長為10分鐘，綠燈時間為5分鐘；情況更進一步嚴重，紅燈時間長度為15分鐘，綠燈時間為5分鐘……

服務區出口處的紅綠燈時間間隔控制，與其他高速路入口處的流量控制紅綠燈基本一致，只是不需要採用預約等其他方法。

七、技術可行性

以上設想是否在產品技術上具有可行性呢？幸運的是，對我來説要論證這個問題還真的不算太難，因為我是宇視科技的顧問，宇視就是做相關產品技術的。我把這個設想發給了宇視科技的楊正博士和朱兵總工，很快宇視智能交通業務的總工劉總給我發來相關的“智能交通態勢業務”產品技術方案的介紹。宇視已有的產品技術與以上設想不説是“拿來説可以用”，基本也可説是不需要多少新增開發量了。

要實現以上方案最重要的基礎工作是可以實時獲得道路上的車流量細節。這個基礎工作通過交通安防監控的多年建設已經非常紮實了。可以説不僅高速路上各個路段有多少車在跑，車速是多少，甚至包括這些車的車牌號、什麼品牌、什麼時間從哪個入口進來的等等信息，現在都已經瞭如指掌了。

宇視高精度交通態勢感知業務

宇視實時交通態勢和趨勢分析

宇視智能交通溯源功能：你是誰，你什麼時間從什麼入口進來，你的路徑是什麼，你會去哪裏？這些終極哲學問題現在根本都不算個事兒。

宇視實時道路流量監控及趨勢預測功能。實際車流量及通行效率達到什麼程度？與歷史平均水平相比情況如何？只要簡單設定一個最大安全交通流量數值，實時流量控制易如反掌。

紅綠燈時間長短控制，可以通過增加5G的NB-IoT等技術實現遠程聯網控制。節日網上預約進入高速路等功能，對現在的互聯網技術來説也非常簡單易行。

因此，唯一剩下的問題就是中國是不是真的想去解決節假日堵車問題了。如果真想去解決，也就兩、三年之內，我們十一、春節回家在高速路上就不用堵車了。

八、準備懷戀堵車的日子吧

我太太是極為嚴格的計劃型性格，喜歡做事極為有條理、提前細緻的規劃和超高的效率，尤其非常不喜歡在等待中浪費那怕一秒鐘的時間。因此，剛開車出現堵車時，我知道她會非常不愉快，就極盡所能地一邊開車一邊安慰她。但是，如此漫長的堵車顯然很快超越她忍耐的極限。不過，我也藉此機會對她進行人生觀的一次充分的教育：你看，開車回家的路就如同人生的路一樣，需要有堅定的目標，但也必須接受充滿意外的人生旅程。怎麼辦呢？只能即來之則安之，及時應對意外，同時充分利用甚至享受意外。這個真不是人生觀的説教，這一次堵車雖然堵出很多煩惱，卻也堵出很多收穫。除以上重大創新性的收穫外，還有不少其他意外收穫。

10月1日晚上9點左右，車只開到黃山市祁門縣。因為路上幾乎堵死了，不得不儘可能在最近的地方找住處。做出這個決定時，前方几公里有一個出口，所以慢慢騰挪到這個出口就馬上從這個出口離開高速，然後用手機網上訂房。只查到最近（也有近20公里，其他的房源基本都在50公里以外了）的一個祁門南山客棧，沒太多可選，只能定房到這裏去住了。即使不到20公里距離，網上用導航軟件查詢開車也得45分鐘左右。按導航指示開着車，居然慢慢走到山路上去了。山路極為崎嶇，好在有車燈指示更清楚前方是否有來車。到了目的地後，深更半夜、黑燈瞎火的，根本沒有酒店的樣子。感覺就是月黑風高夜，殺人越貨時，甚至是到了孫二孃的人肉包子鋪了，我太太嚇壞了，不讓我下車。最後打電話聯繫酒店負責人出來，帶我們穿過燈光昏暗的村子，走了幾百米才到酒店。到了酒店才隱隱覺得這裏非常精緻。酒店的服務人員就像是一對村民夫婦，很熱情地問我們是否要吃點夜宵。我們一天的行程的確疲乏，很快就進房間休息了。其實這個酒店距離黃浮高速閃裏出入口僅僅5分鐘的車程，只是因為堵車走了一個更遠的出口。

不過一進房間就感覺這個酒店非同一般。到了第二天白天出來，更是發現這個民宿實在是世外桃源般雅緻。整個民宿包括室內的每一個裝飾一看就是名家精心設計的作品，不亞於四星級以上酒店的內部配置。酒店名字南山客棧，令人想起悠然見南山的詩句，此處風景的確與陶淵明的詩很貼切。

飲酒其五

　　魏晉：陶淵明

　　結廬在人境，而無車馬喧。

　　問君何能爾?心遠地自偏。

　　採菊東籬下，悠然見南山。

　　山氣日夕佳，飛鳥相與還。

　　此中有真意，欲辨已忘言。