基于大豆葉脈網(wǎng)絡性狀的區(qū)域交通流微循環(huán)模式初探

張麗莉，儲江偉

(東北林業(yè)大學交通學院，黑龍江哈爾濱 150040)

目前，交通擁堵問題已經(jīng)成為日益嚴重的問題，特別是對于人口密集的城市交通，擁堵問題不但影響了日常出行和勞動生產(chǎn)率，也阻礙了經(jīng)濟的良性發(fā)展，加劇了能源消耗和環(huán)境污染，并由此帶來更深遠的影響。針對解決擁堵的方法，國內(nèi)外許多學者都做了大量的研究和實踐，包括政策層面的、管理層面的以及技術層面的等等。然而，目前發(fā)展的重點仍然集中在快速路、主干道等道路的管理和規(guī)劃上，對于次干路和支路的整體利用率不高。因此，如何加快整體路網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的建立，實現(xiàn)區(qū)域路網(wǎng)的交通流最優(yōu)化策略，即“交通微循環(huán)”的思想，成為目前解決交通擁堵問題的有效手段之一。

1 交通微循環(huán)的起源及應用現(xiàn)狀

1954年，美國成立了“微循環(huán)研究會”，正式提出了微循環(huán)的概念，該理論最早應用于醫(yī)學領域。醫(yī)學上的“微循環(huán)”是指直徑小于4～10 μm的血管，在人體血液循環(huán)中，擔負著輸送養(yǎng)分和血細胞等功能，人體的血液循環(huán)只有通過主動脈、靜脈以及無數(shù)的微小血管的“微循環(huán)”，才能夠使得人體保持健康。

“交通微循環(huán)”最初就是借用了“醫(yī)學微循環(huán)”的基本思想，他是指主干道網(wǎng)絡以外的支路以下道路上的交通流。即將支路與次干道也作為交通微循環(huán)系統(tǒng)的重要組成部分，以獲得最優(yōu)的微循環(huán)交通流網(wǎng)絡。醫(yī)學上的微循環(huán)和交通微循環(huán)有很多相似之處，但也具有較大的差異，從恒定性、突變性、早晚高峰行、季節(jié)性、移植性、配合性、個體出行性、決策性、運輸載體、外部影響因素、負面效應以及理論成熟性等方面，對醫(yī)學微循環(huán)和交通微循環(huán)進行對比分析，得出兩者之間在可調(diào)節(jié)性、分布性以及決策性方面有較大的不同。因此，不能完全照搬借鑒，而應該研究出更有針對性的交通微循環(huán)理論，或融合各類方法的優(yōu)勢，以提高微循環(huán)理論在交通中的應用效率。

對于微循環(huán)理論及其在交通工程中的實踐，國內(nèi)一些機構和學者進行了一些研究。如戴曉峰等提出以緩解區(qū)域路網(wǎng)交通擁擠為優(yōu)化目標，建立微循環(huán)繞行路線的搜索模型，并定位靜態(tài)交通標志與可變信息板的布設［1］;譚澤飛等以小范圍微循環(huán)為例，在對交通沖突點、流量進行分析的基礎上，提出了該示范區(qū)域的微循環(huán)交通方案［2］;曠小云等以CBD地區(qū)為研究對象，建立了以內(nèi)部路網(wǎng)結構、動靜態(tài)交通以及慢行系統(tǒng)為主要組成部分的商務區(qū)微循環(huán)系統(tǒng)［3］;鐘媚等從可持續(xù)發(fā)展的理念出發(fā)，建立了交通微循環(huán)路網(wǎng)優(yōu)化雙層模型，其中上層為支路擴建的混合網(wǎng)絡設計，下層為基于運量分布平衡機理的配流組合模型，該方法為微循環(huán)路網(wǎng)的建設提供了一定的參考依據(jù)［4］;史峰等從多目標優(yōu)化角度出發(fā)，建立了交通微循環(huán)網(wǎng)絡雙層優(yōu)化模型，其中上層以滿足路段飽和度最大為約束條件，使得微循環(huán)對環(huán)境影響最小，下層問題以用戶均衡交通分配為基礎，使得路徑選擇為最優(yōu)，并建立了相應的評價函數(shù)，該方法可以為交通微循環(huán)路網(wǎng)建成后的道路評價提供一定的參考［5］;李德慧等從圍墻和交通之間的關系分析，從社會學的角度，分析了道路微循環(huán)產(chǎn)生的正面和負面的影響，并提出采用層次分析法對改善后的道路微循環(huán)效果進行評價等等［6］。

綜上，目前，國內(nèi)的城市交通微循環(huán)研究仍處于起步階段，特別是對于微循環(huán)及其相關理論的研究，大多數(shù)城市的發(fā)展多以實體空間建設為先導，較少關注實體空間建設對社會空間建設的影響，進而影響到城市交通微循環(huán)和支路網(wǎng)規(guī)劃的建設，因此，應充分考慮這些因素，合理地配置路網(wǎng)的整體結構。

2 植物仿生學思想及其在交通工程中的應用現(xiàn)狀

大豆植物的葉脈，如同人的血管一樣，是運輸和傳遞水分及養(yǎng)分的重要載體和通道，葉脈網(wǎng)絡的一些重要參數(shù)指標，能夠反映出葉片水分供給能力的強弱。如末端的葉脈直徑越大，則反映出運輸能力越強;較粗葉脈的密度越大，葉脈運輸能力也越強等等。葉脈的這些功能性狀類似于葉脈網(wǎng)絡，研究葉脈網(wǎng)絡的功能性狀同研究一個區(qū)域的交通流有許多相似之處，如都是以交通能力和效率為目標，特別是對于道路網(wǎng)中的交通流循環(huán)系統(tǒng)?？蓪⑷~脈的直徑、密度比成道路的密度和循環(huán)網(wǎng)密度，研究葉脈閉合度與交通效率的關系。因此，研究植物葉脈網(wǎng)絡系統(tǒng)的結構特點，如葉脈直徑，葉脈密度，閉合度等與交通流相關的特性，進而進行仿生學研究得到自適應的城市交通微循環(huán)優(yōu)化模型。

目前，也有部分學者提出了這種基于植物仿生學的思想，一些學者提出交通規(guī)劃中的仿生學思想，如提出“共生”理念，即建筑與環(huán)境的共生、住宅小區(qū)與城市的共生;還有提出“新陳代謝”的理念，即在小區(qū)規(guī)劃建成后，要建立再規(guī)劃機制，并不斷地進行調(diào)整和完善，以適應經(jīng)濟發(fā)展的新需求［7］;還有學者提出交通的仿“螺旋形”交通體系，如仿照鸚鵡螺殼體結構，建立螺旋形的主干道交通體系;歐洲學者還提出了仿“植物根莖狀”的“簇擁城市”交通規(guī)劃體系，還有如仿“烏龜背紋”的規(guī)劃布局網(wǎng)絡;還有學者提出從原生質粘液菌的覓食機理出發(fā)，構建基于仿生學的區(qū)域交通自適應動態(tài)網(wǎng)絡生長模型，來模擬交通網(wǎng)路隨著區(qū)域交通活動的增大而進行發(fā)展的趨勢等等［8］。運用仿生學思想指導交通規(guī)劃、小區(qū)建筑設計、交通路網(wǎng)布局等方面的研究都提供了有利的借鑒。從仿生學的角度解決此類的交通問題，可以真正實現(xiàn)環(huán)境與人的整體協(xié)調(diào)相互發(fā)展，從而實現(xiàn)交通網(wǎng)路的最優(yōu)化合理設置。

3 基于大豆葉脈網(wǎng)絡性狀的區(qū)域交通流微循環(huán)模式初探

以大豆葉脈的分布為仿生對象，大豆葉脈是典型的網(wǎng)狀葉脈，因此研究大豆葉脈網(wǎng)絡性狀的交通流微循環(huán)模式具體方法為:在對大豆葉脈網(wǎng)絡性狀的影響因素以及區(qū)域交通流影響因素分析的基礎上，找出兩者的相似性和相關性，并以大豆葉脈的進化機理為理論基礎，研究區(qū)域交通流動態(tài)分布的優(yōu)化機理和分布方式，進而建立基于該理論的區(qū)域交通流微循環(huán)優(yōu)化模型，具體步驟如下:

(1)對大豆葉脈網(wǎng)絡功能性狀的影響因素進行分析。大豆葉脈的網(wǎng)絡功能性狀與葉片本身的其他形狀有一定的關系，這點可以理解為內(nèi)部影響因素。如與葉片的氣孔密度有關，氣孔的蒸騰作用對葉脈的水分供給有重要的協(xié)同變異關系，因此直接影響葉脈的末端密度分布;葉脈的網(wǎng)絡功能性狀與葉片的大小也有一定的關系，葉片的大小同葉脈直徑是協(xié)同變異關系，同密度是權衡關系，但是與末端葉脈密度沒有顯著的相關關系。此外，葉脈網(wǎng)絡性狀還與葉片的光合性狀有關，光合作用包括如葉比重、葉氮含量、葉壽命以及光合速率等。這些因素目前對葉脈網(wǎng)絡性狀的看法不太一致，還存在很大的不確定性，因此仍是未來的一個研究領域。

大豆葉脈的網(wǎng)絡功能性狀還與周圍的環(huán)境因子有關，這點可以理解為外部影響因素，其與環(huán)境的關系主要包括兩個方面:即環(huán)境篩選，優(yōu)勝劣汰;環(huán)境適應，自然選擇。具體影響包括水分、溫度和光照的影響等。其中水分的影響表現(xiàn)在葉脈密度同降水量呈負相關性，即降水越充沛，密度越低，反之，越干旱，就越要增大葉脈密度以應對土壤的干旱。溫度對葉脈網(wǎng)絡功能性狀的影響表現(xiàn)為正相關性，如溫度越高，葉脈密度越大。光照的影響主要體現(xiàn)為，同種植物中，光照較強陽生葉的葉脈末端密度大，而光照較弱的陰生葉的葉脈密度相對較小等。除此之外，其他的環(huán)境因素，如風向，坡向、風速等都會不同程度的對葉脈密度及分布產(chǎn)生影響，如陽坡植物的密度較陰坡植物的密度大，風速越高，密度相對越大等等。

總之，研究葉脈的網(wǎng)絡功能性狀及其影響因素，并分析葉脈網(wǎng)絡的響應規(guī)律，進而形成最優(yōu)化的葉脈養(yǎng)分供應模式，是植物自適應生長的大自然基礎過程，將這一過程用于交通規(guī)劃和交通流控制，是解決區(qū)域交通網(wǎng)絡自適應增長的有效途徑之一。

(2)對區(qū)域交通流影響因素進行分析。影響區(qū)域交通流的因素很多，有些關聯(lián)也比較復雜，但總的來說可以歸為兩大類因素:一類是內(nèi)部因素，如駕駛員及車輛的個體差異、道路的差異、區(qū)域的交通節(jié)點分布以及交通區(qū)域自身的大小和形狀等;一類是外部因素，也可以理解為環(huán)境因素。如其他的車輛和道路以及天氣環(huán)境等都可以作為影響區(qū)域交通流的外部因素;如干擾車輛多，區(qū)域交通流的整體速度會降低，密度會增大;好的道路和天氣環(huán)境，會使區(qū)域交通流的整體速度增大，交通量也會隨之增大等等。

圖1 大豆葉脈網(wǎng)絡功能性狀和區(qū)域交通流影響因素的相關關系框架

(3)建立基于大豆葉脈網(wǎng)絡功能性狀的區(qū)域交通流微循環(huán)模式。可以從外部因素和內(nèi)部因素兩個方面分析大豆葉脈功能網(wǎng)絡和區(qū)域交通流網(wǎng)絡之間的差異的相互關系，找到可以共同借鑒的影響因素。其中，葉脈網(wǎng)絡功能性狀的內(nèi)部影響因素如葉片氣孔密度和葉片大小;區(qū)域交通流的內(nèi)部影響因素如區(qū)域交通流節(jié)點分布以及交通區(qū)域的形狀和大小，對這些因素的相關性和相似性進行分析。同理，對于葉脈網(wǎng)絡功能的外部影響因素，如水分、溫度和風力這3個因素，考慮區(qū)域交通流的外部影響因素，如雨雪的影響，季節(jié)的影響以及其他外部環(huán)境的干擾等等，進行分析相關性和相似性的分析，其相互關系如圖1所示。

因此，在建立區(qū)域交通微循化發(fā)展模式時，充分借鑒葉脈網(wǎng)絡功能的自適應生長模式，研究葉脈網(wǎng)絡的生長發(fā)展特點以及自適應生變化規(guī)律，進而應用到區(qū)域交通流微循環(huán)路網(wǎng)模式的建立和發(fā)展趨勢預測上，可以有效地實現(xiàn)區(qū)域交通路網(wǎng)的靜態(tài)和動態(tài)發(fā)展模式分析和預測，從而動態(tài)的解決區(qū)域交通擁堵問題。

4 結論

以大豆的葉脈為例，在對植物葉脈網(wǎng)絡功能性狀及其影響因素分析的基礎上，對基于該理論的區(qū)域交通流微循環(huán)布局網(wǎng)絡提出了可以借鑒的參考模式。其基本框架如圖1所示。由圖1可知，該研究只是提出了基本的框架，還要從目標優(yōu)化和自適應增長機理的角度深入挖掘兩者之間的內(nèi)在關系，并建立一套較為完善的評價體系，并實現(xiàn)區(qū)域交通網(wǎng)絡的自適應最優(yōu)生長和發(fā)展模式，從而最大程度地解決區(qū)域交通擁堵問題。

［1］戢曉峰，李忠燕，成衛(wèi)，等.城市交通微循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化設計方法［J］.昆明理工大學學報:理工版，2010，35(4):61-66.

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［4］鐘媚，丁宏飛，殷俊杰.基于可持續(xù)發(fā)展的城市交通微循環(huán)路網(wǎng)優(yōu)化模型［J］.現(xiàn)代交通技術，2013，10(4):61-63.

［5］史峰，王英姿，陳群.城市交通微循環(huán)網(wǎng)絡設計優(yōu)化模型［J］.同濟大學學報:自然科學版，2011，39(12):1795-1799.

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