基于大豆葉脈網絡性狀的區域交通流微循環模式初探

張麗莉，儲江偉

(東北林業大學交通學院，黑龍江哈爾濱 150040)

目前，交通擁堵問題已經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率，也阻礙了經濟的良性發展，加劇了能源消耗和環境污染，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，目前發展的重點仍然集中在快速路、主干道等道路的管理和規劃上，對于次干路和支路的整體利用率不高。因此，如何加快整體路網的協調控制系統的建立，實現區域路網的交通流最優化策略，即“交通微循環”的思想，成為目前解決交通擁堵問題的有效手段之一。

1 交通微循環的起源及應用現狀

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

“交通微循環”最初就是借用了“醫學微循環”的基本思想，他是指主干道網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系統的重要組成部分，以獲得最優的微循環交通流網絡。醫學上的微循環和交通微循環有很多相似之處，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，對醫學微循環和交通微循環進行對比分析，得出兩者之間在可調節性、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理論，或融合各類方法的優勢，以提高微循環理論在交通中的應用效率。

對于微循環理論及其在交通工程中的實踐，國內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域路網交通擁擠為優化目標，建立微循環繞行路線的搜索模型，并定位靜態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，提出了該示范區域的微循環交通方案［2］;曠小云等以CBD地區為研究對象，建立了以內部路網結構、動靜態交通以及慢行系統為主要組成部分的商務區微循環系統［3］;鐘媚等從可持續發展的理念出發，建立了交通微循環路網優化雙層模型，其中上層為支路擴建的混合網絡設計，下層為基于運量分布平衡機理的配流組合模型，該方法為微循環路網的建設提供了一定的參考依據［4］;史峰等從多目標優化角度出發，建立了交通微循環網絡雙層優化模型，其中上層以滿足路段飽和度最大為約束條件，使得微循環對環境影響最小，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，并建立了相應的評價函數，該方法可以為交通微循環路網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，分析了道路微循環產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效果進行評價等等［6］。

綜上，目前，國內的城市交通微循環研究仍處于起步階段，特別是對于微循環及其相關理論的研究，大多數城市的發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和支路網規劃的建設，因此，應充分考慮這些因素，合理地配置路網的整體結構。

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分的重要載體和通道，葉脈網絡的一些重要參數指標，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絡，研究葉脈網絡的功能性狀同研究一個區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，特別是對于道路網中的交通流循環系統。可將葉脈的直徑、密度比成道路的密度和循環網密度，研究葉脈閉合度與交通效率的關系。因此，研究植物葉脈網絡系統的結構特點，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優化模型。

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劃中的仿生學思想，如提出“共生”理念，即建筑與環境的共生、住宅小區與城市的共生;還有提出“新陳代謝”的理念，即在小區規劃建成后，要建立再規劃機制，并不斷地進行調整和完善，以適應經濟發展的新需求［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”交通規劃體系，還有如仿“烏龜背紋”的規劃布局網絡;還有學者提出從原生質粘液菌的覓食機理出發，構建基于仿生學的區域交通自適應動態網絡生長模型，來模擬交通網路隨著區域交通活動的增大而進行發展的趨勢等等［8］。運用仿生學思想指導交通規劃、小區建筑設計、交通路網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，可以真正實現環境與人的整體協調相互發展，從而實現交通網路的最優化合理設置。

3 基于大豆葉脈網絡性狀的區域交通流微循環模式初探

以大豆葉脈的分布為仿生對象，大豆葉脈是典型的網狀葉脈，因此研究大豆葉脈網絡性狀的交通流微循環模式具體方法為:在對大豆葉脈網絡性狀的影響因素以及區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，研究區域交通流動態分布的優化機理和分布方式，進而建立基于該理論的區域交通流微循環優化模型，具體步驟如下:

(1)對大豆葉脈網絡功能性狀的影響因素進行分析。大豆葉脈的網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同變異關系，因此直接影響葉脈的末端密度分布;葉脈的網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。

大豆葉脈的網絡功能性狀還與周圍的環境因子有關，這點可以理解為外部影響因素，其與環境的關系主要包括兩個方面:即環境篩選，優勝劣汰;環境適應，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。溫度對葉脈網絡功能性狀的影響表現為正相關性，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，研究葉脈的網絡功能性狀及其影響因素，并分析葉脈網絡的響應規律，進而形成最優化的葉脈養分供應模式，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劃和交通流控制，是解決區域交通網絡自適應增長的有效途徑之一。

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

圖1 大豆葉脈網絡功能性狀和區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絡功能性狀的區域交通流微循環模式。可以從外部因素和內部因素兩個方面分析大豆葉脈功能網絡和區域交通流網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，葉脈網絡功能性狀的內部影響因素如葉片氣孔密度和葉片大小;區域交通流的內部影響因素如區域交通流節點分布以及交通區域的形狀和大小，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，考慮區域交通流的外部影響因素，如雨雪的影響，季節的影響以及其他外部環境的干擾等等，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，在建立區域交通微循化發展模式時，充分借鑒葉脈網絡功能的自適應生長模式，研究葉脈網絡的生長發展特點以及自適應生變化規律，進而應用到區域交通流微循環路網模式的建立和發展趨勢預測上，可以有效地實現區域交通路網的靜態和動態發展模式分析和預測，從而動態的解決區域交通擁堵問題。

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，對基于該理論的區域交通流微循環布局網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，還要從目標優化和自適應增長機理的角度深入挖掘兩者之間的內在關系，并建立一套較為完善的評價體系，并實現區域交通網絡的自適應最優生長和發展模式，從而最大程度地解決區域交通擁堵問題。

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

［2］譚澤飛，肖海承.楊慧.基于小范圍交通微循環的交通流量調控方法研究［J］.科學技術與工程，2012，12(7):1682-1686.

［3］曠小云，許永兵，李鐵良.新建中心商務區(CBD)交通微循環系統設計［J］.中國市政工程，2011(3):4-7.

［4］鐘媚，丁宏飛，殷俊杰.基于可持續發展的城市交通微循環路網優化模型［J］.現代交通技術，2013，10(4):61-63.

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

［6］李德慧，劉小明.城市交通微循環體系的研究［J］.道路交通與安全，2005，5(4):17-19.

［7］沈麗虹.住宅小區規劃設計中的仿生學理念探討［J］.太原理工大學學報，2008，39(S2):226-229.

［8］田園，李曄，盧丹妮.基于仿生學的區域交通自適應網絡生長模型［J］.同濟大學學報:自然科學版，2012，40(3):428-433.