十一等节假日高速路堵车的科学解决_风闻

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、节日堵车快乐！

一到十一假日，吐槽高速公路大堵车就成了如春晚一样的节目。中国人很擅长于把糟心的事情变成乐趣，堵车的段子不断花样翻新。例如，堵车现场成相亲现场，从车牌看常驻地，从车的品牌型号看家庭财力，从憋尿看肾功能。“青蜂侠Bee”今年十一放出一段视频“男子高速堵车堵一夜还在原地，转眼一看邻车直接放弃挣扎掏鱼竿钓鱼！”，网友留言吐槽这是用月饼馅的鱼饵吗？

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车行程。9月30日下午3点从绍兴出发，到晚上10点开了7个小时，只跑了不到200公里，还没出杭州市，用导航软件查询前面堵车路段还漫无边际，只好在杭州临安住下。第二天10月1日早上10点从临安出发，跑到晚上快9点，还没出黄山市，只好又在黄山市祁门县桃源村住下，10个多小时正常情况下应该在高速上跑至少七八百公里的，只跑了270公里左右。不过，堵车会带来大量意外的行程变化，也会堵出很多意外的收获。先说说第一个意外的收获。

10.1白天下午4点钟左右，杭瑞高速路彻底堵死了，大家只好在高速路上下车活动一下。尽管我不太快乐，但还是要借此机会在微信群里给朋友同事发一发中秋国庆双节快乐的问候。一抬头突然发现我停车的位置正对着“香港科技大学IEMBA校友纪念中学”，位于安徽省黄山市歙县杞梓里镇。为什么我对这事这么敏感呢？这地方不仅是马克思在《资本论》中提到的唯一中国人，著名货币理论家、理财家王茂荫的故里，而且更因为前一天我还刚给我的好朋友、香港科技大学的副校长汪扬教授发过双节问候，他刚好就是10.1当天正式走马上任港科大副校长。所以我马上拍了这个照片发给他，他非常欣喜，据他说是港科大的校友捐的。

汪扬教授是著名的数学家，很早就看过我写的书，我和他在很多学术观点上有相同看法

仔细算来，堵车造成的个人与社会损失是非常大的，即使公路费免了，但堵车时间太长，人们不得不在途中更多居住过夜，这也是不小的开销。堵车会造成油耗极大上升，因为即使停车空调往往也不能停，百公里油耗自然上升很多。白白损失的时间也是全社会的巨大浪费。花钱还是小事，中秋节日着急与长年未见面的家人团聚，却不得不堵在高速路上，未免令人烦恼不已。表面看来，如果要问十一等节假日为什么道路会拥堵，所有人可能都会说交通量太大了嘛，当然会堵了。所以，尽管堵车让人很心烦，但人们堵得也没脾气，认为这是没法避免、天经地义的事情。

很多网友经常给我这样留言：汪老师，能否用科学的方法分析一下某某事情？看到“香港科技大学IEMBA校友纪念中学”的名字，我突然间闪现一个灵感，能不能用科学的方法分析一下堵车，并且用科学的方法解决它，避免堵车呢？原来我就学习过一些关于交通流量问题的知识，因为交通流量问题本质上与我的原始专业通信流量问题是有类似之处的。但是，过去学习主要是一些理论知识，这次亲身经历过，实地测量过堵车的全过程之后，原来零散的知识瞬间就贯通在一起了。10.1等节假日流量非常大是真的，但如果采取一定的投入并不大的措施后，是完全可以避免如此大规模堵车问题的。

二、公路流量设计的专业基础及其问题

要理解根本解决问题的科学方法，先得科普一下现在公路车流量设计时用到的交通专业知识，这个也不算太复杂。测量交通量主要的时间单位有日、小时、15分钟等。日交通量大多用于计算平均值，小时和15分钟等更短时间单位的交通量用于统计实时性的交通量数据。以15分钟等更短的时间为单位进行的交通量统计实时性当然会更强，不过主要用于学术分析。在建设公路进行流量能力的设计时，小时交通量是一个基本够用的重要单位。以日为单位进行平均得有时间段，时间段不同，平均出来的数据也是不一样的。如“年平均日交通量”就是用一年内的交通总量，除以一年的天数（365天）得出的日平均交通量。常用的平均日交通量还有月平均日交通量、周平均日交通量以及任意期间（依特定分析目的而定）的平均日交通量等。

以小时为统计单位的交通量在每天时间内都是有周期性变化的，在一年内也会有高度的变化。一年内有365×24=8760个小时。如果把这8760个小时的交通量都统计出来，可以很好地分析一年内、各个月、周、天等时间段内实时交通量变化情况。主要的技术指标有“高峰小时交通量”和“第30位小时交通量”。高峰小时交通量比较好理解，就是一个时间段内（如某一天内）交通量最大的那一个小时的交通量。如果把小时交通量按时间顺序画成曲线，高峰小时交通量就是变化曲线出现最大值的各个峰值点的小时交通量。一天内很可能会有上午和下午两个峰值小时交通量。每年会在节假日出现年度的高峰小时交通量。

“第30位小时交通量”专业性就稍微强一些了，不过也不是太难理解。就是将一年内8760个小时，每个小时的交通量统计出来，然后按数值的多少从大到小进行排列（不是按时间顺序排列），这样处于第30位，也就是第30大的那个小时交通量，就是“第30位小时交通量”。为什么这个交通量数据有特殊性呢？原因在于它的大小与年平均日交通量之间的比值有很好的规律性。

上图的纵轴采用了一个专业性的数值，就是k值，它并不是直接体现小时交通量的绝对大小，而是将小时交通量除以年平均日交通量。第30位小时交通量的k值大约为11%-15%。另一方面，它也是一年内小时交通量从大到小排列图形另一个规律性的体现。就是在第30位之前，曲线下降非常陡，而到第30位之后，曲线下降的斜率就比较平缓了。这样，如果在设计公路的交通流量能力时，只考虑第30位及以后的交通量，而不考虑前面29位小时交通量，就可以照顾到（8760-29）/ 8760=99.67%的交通量需求，同时又照顾到公路建设的经济性。这个设计方法不仅用于高速公路，而且在城镇及乡村公路建设中也是基本设计依据。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%，山区15%。如果是城市的K值取11%，其含义就是第30位小时交通量与年平均日交通量比值为11%，它的倒数就是年平均日交通量与第30位小时交通量的倍数，约等于9.1。也就是年平均日交通量是第30位小时交通量的9.1倍。公路的交通流量能力基本就是按照这个为基础设计出来的。当然，在实际道路设计时，第30位小时交通量的数据还需要考虑到道路建设时的交通量，以及未来15或20年内交通量的增长变化等因素，在此我们就不去深入研究了。

这样看来，前面29个小时的交通量太大，是没法在建设公路时考虑的，等同于是放弃考虑了。所以，这种设计从原理上也的确就是认同了，在每一年的约29个小时的交通拥堵问题是无法解决的，只能任其拥堵。人们可能会想当然地认为，十一节假日的那一天堵在路上的时间段内的那些小时，都应该是属于前面29个小时，至少也应该是非常靠前的对不对？但真相可能会让你惊讶无比。因为十一假日期间有很多个小时是堵死在路上的，在这些小时里，其小时交通量为零。它们不仅不是排在最靠前的位置，反而会是排在最靠后的位置！这不是天大的怪事！？我们在堵车时仔细想过这个问题吗？

三、实际交通流量是怎么变化的

我们在路上开车时都会有体会：当路上车不多时，可以开得很顺畅，车速也可以很快。这样道路的利用率当然就会很高。随着车越来越多，车流量当然就会越来越大。如果车流量进一步增长，前后车辆间的间距就会越来越短。不同行车人的速度习惯有所不同，当前面一辆车速度较慢时，后面的车自然也得跟着慢下来。所以，路上车越多，前后车辆间相互影响越严重，平均车速就越慢。只要能保持一定的相对较高车速，道路的通行能力是会得到充分发挥的。但当车流量增大到一定程度时，并不是道路通行能力得到更多发挥，而是突然间急剧下降，甚至完全停顿下来了。

以上只是我们经验性描述，开过车的人都会有相同的体会。此处能不能给一个精确的科学解释呢？是有的，这就是“用尖点型突变理论”对交通流量变化规律的研究。

摘自：张亚平,张起森：《尖点突变理论在交通流预测中的应用》，系统工程学报，2000年9月。

上图是广佛高速公路交通流量实测数据的散点图。交通量最大值约为2000多，此时当进入道路的车辆进一步增加时，流量和车速都会急剧下降，甚至降到零，所有车辆都堵死在道路上，这与人们实际开车中的体验也是一致的。

四、道路堵死的原因是什么

这里出现一个问题，只要道路上车还可以开，即使速度慢一些，车辆还是会往前开动，不至于彻底堵死。那为什么会出现大量彻底堵死的现象呢？原因很简单——车祸。

我这次开车从绍兴出发，经杭州绕城高速转入杭瑞高速没多久，就进入了堵车的路段。而刚进入堵车的路段，仅仅2公里左右的线路，就发现了3起车祸现场。其实也都不是什么大的车祸，主要就是前后车的追尾。9月30日下午出发，到10月1日晚在黄山住下，1天半的时间内遇到的车祸超过20多起。上面是堵车时从导航软件上拍摄的照片，可以明显看到前方10多公里路段上同时存在3起车祸。

当前后车辆间距越来越短时，前面车辆稍有减速，后面车辆来不及刹车就会造成追尾。而一旦前方有车追尾停下，后面车辆就会接连迅速减速停车。如果在这个过程中有车辆减速不及时，就会造成各种连环追尾事故。由此导致整个道路被彻底堵死。所以，当道路堵死时，并不完全是道路交通流量的问题，而主要是事故造成的。尖点型突变的发生并不完全是一个纯粹数学的问题，而是有其循环因果律的原因。就是当进入道路的车辆不断增加时，一开始流量会慢慢随之增大，同时车间距会越来越短。当车间距短到一定程度，事故率就会突然间迅速上升。而上升的事故率又会使车间距进一步迅速减小，反过来使事故率更进一步急剧加大，从而使道路被彻底堵死。虽然此时道路上堵满了车辆，但并不绝对意味着车流量就大到了天上去。

五、能在道路容量一定的情况下保证不堵车吗？

答案是出乎人们意外的：能。

以上分析表明了，车流量有一个最大的、不能超过的限度，我们权且称之为“最大安全交通流量”。只要不超过这个限度，道路就可以保证一定的、并且是相当大的流量。只要这个流量持续存在，其实车流很快就消化掉了。设想一下，如果我们保证进入道路的车辆不要超过那个最大的限度，也就可以保证车流量实际可以实现最大化，或者接近最大化的流量通行。只要保证这个条件，其实十一国庆也没那么大车流，所有车辆很快也就全通行走掉了。我在10月2日再次出发走高速时，前一天还是堵满车的高速路上，车辆已经很少了。从9月30日到10月1日一天半的高峰期，其实大部分时间交通流量接近于零。但不管怎样，到了10月2日，所有突然增加的车流还是都走光了。设想一下，如果9月30日下午开始，至10月1日的30多个小时里，高速路上能保证都以最大安全交通流量以下的车流行驶，根本就不会有那么多拥堵发生。十一假日回到前面的小时交通量分析，最左边的曲线不应该是一个陡峭下降的形状，而应该是一个严格受限，不超过最大安全交通流量的平台。

我们的交通流量设计理论都是接受欧洲和美国的，但我们却没有学习完全。如果有在美国高速路开车的充分经历，就会发现一个与中国高速不同的细节：美国骨干道路的入口处往往都有红绿灯，而中国高速路和所有城市骨干道路的入口处是极少有红绿灯的。城市道路十字路口的红绿灯目的是让不同方向的车流安全地分享十字路口的道路，使它们在不同时间段通行。但骨干道路入口的红绿灯作用不是这个，它就是控制进入骨干道路的车流量大小，从而使骨干道路上的车流量不要超过一定的限度。解决道路峰值期拥堵问题的根本科学方法，就是引入流量控制。

六、流量控制的具体方法

1. 根本出路是流量控制

流量控制的基本方法很简单，就是在出现峰值交通量时，限制进入骨干道路的车流量。宁可让车堵在骨干道路以外的支线上，也不要让其堵在骨干道路上。只要保证骨干道路畅通，支线上的拥堵很快就会解决。而一旦骨干道路堵死，骨干和支线全都堵死了。在道路堵死的很长时间里，其利用率降为零。越是在需要最大程度利用道路的时候，道路利用率却下降到了零，这显然会反过来让拥堵问题极大化。其实这个原理现在人们也知道，并且一定程度上也利用了，就是在拥堵期把一些入口彻底关闭，或者限制到只有一个入口开放，其它入口都关闭，也有一些服务区因车流量太大而完全关闭。但是，这种完全依靠人力进行的流量控制太粗放，并且往往是等路已经堵死的时候才去封堵入口，此时往往已经晚了。因此，这需要系统的自动流量控制方法才最为有效。

2. 以入口流量控制红绿灯为基础的自动流量控制

在骨干道路的入口处全部设置红绿灯。在全路网实时流量监控的基础上，自动调整入口流量控制红绿灯的时间长度。在平时车流量较少时，绿灯时间远长于红灯时间。如红灯10秒，绿灯2分钟甚至5分钟。当车流量达到最大安全交通流量一半时，就开始调整入口流量控制红绿灯的时间间隔。例如红灯增加到20秒，绿灯减少到1分50秒。此后随着车流量每增加一定数量，红灯时间就不断加长，绿灯时间不断缩短。最终如果交通量已经达到最大安全交通流量，入口流量控制红绿灯就进入全红灯状态，等于完全封闭入口。采用这种方法，就可以使骨干道路的车流量保证处于最大安全交通流量以下。

道路上的车流是入口交通量与道路上游来车交通量之和。因此，如果上游来车超过了最大安全交通流量，即使入口处交通流量为零，骨干道路上的流量还是会超标。因此，这种方法最终需要全路网都采用这种方法才能解决所有问题。但是，有很多路段车流量的汇集和疏解的确是有局域性的。例如，我们这次跑的路段，正好从绍兴和杭州市有大量的车流进入杭瑞高速，主要是到黄山市去旅游。一过黄山市出口，车流就大幅度减少了。因此，如果先在这样的路段进行这种方法的实验，就可以有效地体现出控制效果。最终在总结所有经验，完全清楚控制方法后，就可以在全路网上进行普及。

3. 快速故事处理流程

即使车流量再小，也难以保证一个事故也不发生。在交通流量处于最大安全交通流量的状态，如果发生交通事故后不能以最快的速度处理，一个小的交通事故还是可能会诱发一连串的其他交通事故。因此，在最短的时间内处理完交通事故是非常重要的。这个可以在保险出险的流程上稍加改进就可以实现。只要在高速路上凭双方的事故照片和简易验证，就可以马上完成出险的流程，不要等待报案过程，马上可以将车开走。至少将事故车辆移到紧急停车带上，及时疏通骨干道路。

4. 网上高峰出行的提前申报预约

为避免支线入口处的过度拥堵，可以在节假日高峰期间引入“网上高峰出行提前申报预约流程”，只有提前申报过的车牌号才能在提前预定的时间段进入高速公路，否则此期间无论入口处状态如何，都不允许进入高速公路。采用这种方法，就可以提前获知出行的车流量情况，并通过计算确定不发生堵车前提下所有车辆进入高速公路的最佳时间段，从而基本避免入口处过度的拥堵发生。这种预约对现在的网络技术来说已经是很简单的事情了。采取以上技术后，就会使拥堵从高速公路上转移到入口处，再从入口处转移到车主的家里。把车堵在车主家里，就等同于完全没有堵车了。一方面，即使堵在家里的时间与堵在路上的时间完全一样，人们也宁愿堵在家里。另一方面，只要采用以上手段，高速公路和其他骨干公路就会保持最大车流量顺利通行，使堵在家里的时间肯定远远少于原来堵在路上的时间。

5. 服务区流量控制

服务区有入口和出口，其出口也是高速路的入口。如果服务区满了，进入服务区的入口处就会排队，如果队排到高速路上，也会造成拥堵问题，因此，服务区也需要流量控制。在拥堵的高峰期，有些服务区就会完封闭了，例如这次我经过杭瑞高速的朱村服务区（位于黄山市歙县）时，这个服务区就通过人工完全封闭不让任何车辆进入了。但服务区的人工封闭效率也是很低的，并且不能及时调整。高速路上进入服务区前路牌会有多次提醒前面服务区的距离。可以在每个提醒牌处增加电子流量控制提醒是否有流量控制。实际入口处，可以增加红绿灯，以控制入口流量。出口进入高速路处，也增加红绿灯，控制进入高速路的流量。因为服务区一般空间都不小，因此容量是很大的，随时都有车辆离开进入高速路。因此，并不一定需要完全封闭服务区，只要排队的队尾别延伸到高速路上，影响其通行就可以了。如果快开始排队时，就启动服务区入口红绿灯限流。因为车辆要准备进入服务区的过程会比较长，不能到了入口处临时决定。因此，这个红绿灯间隔需要比较长的时间，至少要以分钟来计算，甚至以5分钟以上的时间为基本调节单位。例如，开始启动服务区红绿灯控制时，红绿灯时间长度各为5分钟。如果服务区内车辆拥堵情况增加，可以将红灯时间拉长为10分钟，绿灯时间为5分钟；情况更进一步严重，红灯时间长度为15分钟，绿灯时间为5分钟……

服务区出口处的红绿灯时间间隔控制，与其他高速路入口处的流量控制红绿灯基本一致，只是不需要采用预约等其他方法。

七、技术可行性

以上设想是否在产品技术上具有可行性呢？幸运的是，对我来说要论证这个问题还真的不算太难，因为我是宇视科技的顾问，宇视就是做相关产品技术的。我把这个设想发给了宇视科技的杨正博士和朱兵总工，很快宇视智能交通业务的总工刘总给我发来相关的“智能交通态势业务”产品技术方案的介绍。宇视已有的产品技术与以上设想不说是“拿来说可以用”，基本也可说是不需要多少新增开发量了。

要实现以上方案最重要的基础工作是可以实时获得道路上的车流量细节。这个基础工作通过交通安防监控的多年建设已经非常扎实了。可以说不仅高速路上各个路段有多少车在跑，车速是多少，甚至包括这些车的车牌号、什么品牌、什么时间从哪个入口进来的等等信息，现在都已经了如指掌了。

宇视高精度交通态势感知业务

宇视实时交通态势和趋势分析

宇视智能交通溯源功能：你是谁，你什么时间从什么入口进来，你的路径是什么，你会去哪里？这些终极哲学问题现在根本都不算个事儿。

宇视实时道路流量监控及趋势预测功能。实际车流量及通行效率达到什么程度？与历史平均水平相比情况如何？只要简单设定一个最大安全交通流量数值，实时流量控制易如反掌。

红绿灯时间长短控制，可以通过增加5G的NB-IoT等技术实现远程联网控制。节日网上预约进入高速路等功能，对现在的互联网技术来说也非常简单易行。

因此，唯一剩下的问题就是中国是不是真的想去解决节假日堵车问题了。如果真想去解决，也就两、三年之内，我们十一、春节回家在高速路上就不用堵车了。

八、准备怀恋堵车的日子吧

我太太是极为严格的计划型性格，喜欢做事极为有条理、提前细致的规划和超高的效率，尤其非常不喜欢在等待中浪费那怕一秒钟的时间。因此，刚开车出现堵车时，我知道她会非常不愉快，就极尽所能地一边开车一边安慰她。但是，如此漫长的堵车显然很快超越她忍耐的极限。不过，我也借此机会对她进行人生观的一次充分的教育：你看，开车回家的路就如同人生的路一样，需要有坚定的目标，但也必须接受充满意外的人生旅程。怎么办呢？只能即来之则安之，及时应对意外，同时充分利用甚至享受意外。这个真不是人生观的说教，这一次堵车虽然堵出很多烦恼，却也堵出很多收获。除以上重大创新性的收获外，还有不少其他意外收获。

10月1日晚上9点左右，车只开到黄山市祁门县。因为路上几乎堵死了，不得不尽可能在最近的地方找住处。做出这个决定时，前方几公里有一个出口，所以慢慢腾挪到这个出口就马上从这个出口离开高速，然后用手机网上订房。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）的一个祁门南山客栈，没太多可选，只能定房到这里去住了。即使不到20公里距离，网上用导航软件查询开车也得45分钟左右。按导航指示开着车，居然慢慢走到山路上去了。山路极为崎岖，好在有车灯指示更清楚前方是否有来车。到了目的地后，深更半夜、黑灯瞎火的，根本没有酒店的样子。感觉就是月黑风高夜，杀人越货时，甚至是到了孙二娘的人肉包子铺了，我太太吓坏了，不让我下车。最后打电话联系酒店负责人出来，带我们穿过灯光昏暗的村子，走了几百米才到酒店。到了酒店才隐隐觉得这里非常精致。酒店的服务人员就像是一对村民夫妇，很热情地问我们是否要吃点夜宵。我们一天的行程的确疲乏，很快就进房间休息了。其实这个酒店距离黄浮高速闪里出入口仅仅5分钟的车程，只是因为堵车走了一个更远的出口。

不过一进房间就感觉这个酒店非同一般。到了第二天白天出来，更是发现这个民宿实在是世外桃源般雅致。整个民宿包括室内的每一个装饰一看就是名家精心设计的作品，不亚于四星级以上酒店的内部配置。酒店名字南山客栈，令人想起悠然见南山的诗句，此处风景的确与陶渊明的诗很贴切。

饮酒其五

　　魏晋：陶渊明

　　结庐在人境，而无车马喧。

　　问君何能尔?心远地自偏。

　　采菊东篱下，悠然见南山。

　　山气日夕佳，飞鸟相与还。

　　此中有真意，欲辨已忘言。