基于大豆叶脉网络性状的区域交通流微循环模式初探

张丽莉，储江伟

(东北林业大学交通学院，黑龙江哈尔滨 150040)

目前，交通拥堵问题已经成为日益严重的问题，特别是对于人口密集的城市交通，拥堵问题不但影响了日常出行和劳动生产率，也阻碍了经济的良性发展，加剧了能源消耗和环境污染，并由此带来更深远的影响。针对解决拥堵的方法，国内外许多学者都做了大量的研究和实践，包括政策层面的、管理层面的以及技术层面的等等。然而，目前发展的重点仍然集中在快速路、主干道等道路的管理和规划上，对于次干路和支路的整体利用率不高。因此，如何加快整体路网的协调控制系统的建立，实现区域路网的交通流最优化策略，即“交通微循环”的思想，成为目前解决交通拥堵问题的有效手段之一。

1 交通微循环的起源及应用现状

1954年，美国成立了“微循环研究会”，正式提出了微循环的概念，该理论最早应用于医学领域。医学上的“微循环”是指直径小于4～10 μm的血管，在人体血液循环中，担负着输送养分和血细胞等功能，人体的血液循环只有通过主动脉、静脉以及无数的微小血管的“微循环”，才能够使得人体保持健康。

“交通微循环”最初就是借用了“医学微循环”的基本思想，他是指主干道网络以外的支路以下道路上的交通流。即将支路与次干道也作为交通微循环系统的重要组成部分，以获得最优的微循环交通流网络。医学上的微循环和交通微循环有很多相似之处，但也具有较大的差异，从恒定性、突变性、早晚高峰行、季节性、移植性、配合性、个体出行性、决策性、运输载体、外部影响因素、负面效应以及理论成熟性等方面，对医学微循环和交通微循环进行对比分析，得出两者之间在可调节性、分布性以及决策性方面有较大的不同。因此，不能完全照搬借鉴，而应该研究出更有针对性的交通微循环理论，或融合各类方法的优势，以提高微循环理论在交通中的应用效率。

对于微循环理论及其在交通工程中的实践，国内一些机构和学者进行了一些研究。如戴晓峰等提出以缓解区域路网交通拥挤为优化目标，建立微循环绕行路线的搜索模型，并定位静态交通标志与可变信息板的布设［1］;谭泽飞等以小范围微循环为例，在对交通冲突点、流量进行分析的基础上，提出了该示范区域的微循环交通方案［2］;旷小云等以CBD地区为研究对象，建立了以内部路网结构、动静态交通以及慢行系统为主要组成部分的商务区微循环系统［3］;钟媚等从可持续发展的理念出发，建立了交通微循环路网优化双层模型，其中上层为支路扩建的混合网络设计，下层为基于运量分布平衡机理的配流组合模型，该方法为微循环路网的建设提供了一定的参考依据［4］;史峰等从多目标优化角度出发，建立了交通微循环网络双层优化模型，其中上层以满足路段饱和度最大为约束条件，使得微循环对环境影响最小，下层问题以用户均衡交通分配为基础，使得路径选择为最优，并建立了相应的评价函数，该方法可以为交通微循环路网建成后的道路评价提供一定的参考［5］;李德慧等从围墙和交通之间的关系分析，从社会学的角度，分析了道路微循环产生的正面和负面的影响，并提出采用层次分析法对改善后的道路微循环效果进行评价等等［6］。

综上，目前，国内的城市交通微循环研究仍处于起步阶段，特别是对于微循环及其相关理论的研究，大多数城市的发展多以实体空间建设为先导，较少关注实体空间建设对社会空间建设的影响，进而影响到城市交通微循环和支路网规划的建设，因此，应充分考虑这些因素，合理地配置路网的整体结构。

2 植物仿生学思想及其在交通工程中的应用现状

大豆植物的叶脉，如同人的血管一样，是运输和传递水分及养分的重要载体和通道，叶脉网络的一些重要参数指标，能够反映出叶片水分供给能力的强弱。如末端的叶脉直径越大，则反映出运输能力越强;较粗叶脉的密度越大，叶脉运输能力也越强等等。叶脉的这些功能性状类似于叶脉网络，研究叶脉网络的功能性状同研究一个区域的交通流有许多相似之处，如都是以交通能力和效率为目标，特别是对于道路网中的交通流循环系统。可将叶脉的直径、密度比成道路的密度和循环网密度，研究叶脉闭合度与交通效率的关系。因此，研究植物叶脉网络系统的结构特点，如叶脉直径，叶脉密度，闭合度等与交通流相关的特性，进而进行仿生学研究得到自适应的城市交通微循环优化模型。

目前，也有部分学者提出了这种基于植物仿生学的思想，一些学者提出交通规划中的仿生学思想，如提出“共生”理念，即建筑与环境的共生、住宅小区与城市的共生;还有提出“新陈代谢”的理念，即在小区规划建成后，要建立再规划机制，并不断地进行调整和完善，以适应经济发展的新需求［7］;还有学者提出交通的仿“螺旋形”交通体系，如仿照鹦鹉螺壳体结构，建立螺旋形的主干道交通体系;欧洲学者还提出了仿“植物根茎状”的“簇拥城市”交通规划体系，还有如仿“乌龟背纹”的规划布局网络;还有学者提出从原生质粘液菌的觅食机理出发，构建基于仿生学的区域交通自适应动态网络生长模型，来模拟交通网路随着区域交通活动的增大而进行发展的趋势等等［8］。运用仿生学思想指导交通规划、小区建筑设计、交通路网布局等方面的研究都提供了有利的借鉴。从仿生学的角度解决此类的交通问题，可以真正实现环境与人的整体协调相互发展，从而实现交通网路的最优化合理设置。

3 基于大豆叶脉网络性状的区域交通流微循环模式初探

以大豆叶脉的分布为仿生对象，大豆叶脉是典型的网状叶脉，因此研究大豆叶脉网络性状的交通流微循环模式具体方法为:在对大豆叶脉网络性状的影响因素以及区域交通流影响因素分析的基础上，找出两者的相似性和相关性，并以大豆叶脉的进化机理为理论基础，研究区域交通流动态分布的优化机理和分布方式，进而建立基于该理论的区域交通流微循环优化模型，具体步骤如下:

(1)对大豆叶脉网络功能性状的影响因素进行分析。大豆叶脉的网络功能性状与叶片本身的其他形状有一定的关系，这点可以理解为内部影响因素。如与叶片的气孔密度有关，气孔的蒸腾作用对叶脉的水分供给有重要的协同变异关系，因此直接影响叶脉的末端密度分布;叶脉的网络功能性状与叶片的大小也有一定的关系，叶片的大小同叶脉直径是协同变异关系，同密度是权衡关系，但是与末端叶脉密度没有显著的相关关系。此外，叶脉网络性状还与叶片的光合性状有关，光合作用包括如叶比重、叶氮含量、叶寿命以及光合速率等。这些因素目前对叶脉网络性状的看法不太一致，还存在很大的不确定性，因此仍是未来的一个研究领域。

大豆叶脉的网络功能性状还与周围的环境因子有关，这点可以理解为外部影响因素，其与环境的关系主要包括两个方面:即环境筛选，优胜劣汰;环境适应，自然选择。具体影响包括水分、温度和光照的影响等。其中水分的影响表现在叶脉密度同降水量呈负相关性，即降水越充沛，密度越低，反之，越干旱，就越要增大叶脉密度以应对土壤的干旱。温度对叶脉网络功能性状的影响表现为正相关性，如温度越高，叶脉密度越大。光照的影响主要体现为，同种植物中，光照较强阳生叶的叶脉末端密度大，而光照较弱的阴生叶的叶脉密度相对较小等。除此之外，其他的环境因素，如风向，坡向、风速等都会不同程度的对叶脉密度及分布产生影响，如阳坡植物的密度较阴坡植物的密度大，风速越高，密度相对越大等等。

总之，研究叶脉的网络功能性状及其影响因素，并分析叶脉网络的响应规律，进而形成最优化的叶脉养分供应模式，是植物自适应生长的大自然基础过程，将这一过程用于交通规划和交通流控制，是解决区域交通网络自适应增长的有效途径之一。

(2)对区域交通流影响因素进行分析。影响区域交通流的因素很多，有些关联也比较复杂，但总的来说可以归为两大类因素:一类是内部因素，如驾驶员及车辆的个体差异、道路的差异、区域的交通节点分布以及交通区域自身的大小和形状等;一类是外部因素，也可以理解为环境因素。如其他的车辆和道路以及天气环境等都可以作为影响区域交通流的外部因素;如干扰车辆多，区域交通流的整体速度会降低，密度会增大;好的道路和天气环境，会使区域交通流的整体速度增大，交通量也会随之增大等等。

图1 大豆叶脉网络功能性状和区域交通流影响因素的相关关系框架

(3)建立基于大豆叶脉网络功能性状的区域交通流微循环模式。可以从外部因素和内部因素两个方面分析大豆叶脉功能网络和区域交通流网络之间的差异的相互关系，找到可以共同借鉴的影响因素。其中，叶脉网络功能性状的内部影响因素如叶片气孔密度和叶片大小;区域交通流的内部影响因素如区域交通流节点分布以及交通区域的形状和大小，对这些因素的相关性和相似性进行分析。同理，对于叶脉网络功能的外部影响因素，如水分、温度和风力这3个因素，考虑区域交通流的外部影响因素，如雨雪的影响，季节的影响以及其他外部环境的干扰等等，进行分析相关性和相似性的分析，其相互关系如图1所示。

因此，在建立区域交通微循化发展模式时，充分借鉴叶脉网络功能的自适应生长模式，研究叶脉网络的生长发展特点以及自适应生变化规律，进而应用到区域交通流微循环路网模式的建立和发展趋势预测上，可以有效地实现区域交通路网的静态和动态发展模式分析和预测，从而动态的解决区域交通拥堵问题。

4 结论

以大豆的叶脉为例，在对植物叶脉网络功能性状及其影响因素分析的基础上，对基于该理论的区域交通流微循环布局网络提出了可以借鉴的参考模式。其基本框架如图1所示。由图1可知，该研究只是提出了基本的框架，还要从目标优化和自适应增长机理的角度深入挖掘两者之间的内在关系，并建立一套较为完善的评价体系，并实现区域交通网络的自适应最优生长和发展模式，从而最大程度地解决区域交通拥堵问题。

［1］戢晓峰，李忠燕，成卫，等.城市交通微循环系统优化设计方法［J］.昆明理工大学学报:理工版，2010，35(4):61-66.

［2］谭泽飞，肖海承.杨慧.基于小范围交通微循环的交通流量调控方法研究［J］.科学技术与工程，2012，12(7):1682-1686.

［3］旷小云，许永兵，李铁良.新建中心商务区(CBD)交通微循环系统设计［J］.中国市政工程，2011(3):4-7.

［4］钟媚，丁宏飞，殷俊杰.基于可持续发展的城市交通微循环路网优化模型［J］.现代交通技术，2013，10(4):61-63.

［5］史峰，王英姿，陈群.城市交通微循环网络设计优化模型［J］.同济大学学报:自然科学版，2011，39(12):1795-1799.

［6］李德慧，刘小明.城市交通微循环体系的研究［J］.道路交通与安全，2005，5(4):17-19.

［7］沈丽虹.住宅小区规划设计中的仿生学理念探讨［J］.太原理工大学学报，2008，39(S2):226-229.

［8］田园，李晔，卢丹妮.基于仿生学的区域交通自适应网络生长模型［J］.同济大学学报:自然科学版，2012，40(3):428-433.