由交通流不稳定导致的交通拥堵会引起道路交通网络运行效率下降，并对行程时间、燃油消耗、空气环境、交通安全造成消极影响，因此，交通流不稳定性的研究对交通运行管理有着重要影响。

一些学者在研究交通流理论时观测到了交通流中类似混乱的非线性行为。交通流的亚稳态或非稳定行为存在于这些行为中，表明在密集交通中，临界扰动将扩大并引发交通阻塞。现场实验[81]已经表明，扰动沿着车辆向上游传播，并不断扩大，直至达到某一点使得车辆完全停止。这种不稳效应描述了一旦密度超过了某临界密度，交通流将在短时间内变得非常拥挤。局部的阻塞可以持续数小时，并保持其形式和特征属性。

交通工程界除了采用两相交通流划分交通流状态，即划分为非拥挤流(free flow)和拥挤不稳流以外，A.Polus和M.A.Pollatchek[82]提出了另外一种状态，稳定密集流(stable dense flow)，处于非拥挤区域和拥挤区域之间。交通状态突变(Traffic Breakdown)被定义为从稳定密集流到拥挤不稳流之间的转变。B.N.Persaud等[83]将交通状态突变作为车辆在瓶颈入口处由自由行驶转变为排队等待的一种交通流变化过程，当交通状态突变发生后，排队的车辆从瓶颈处向上游传播。F.L.Hall和M.A.Gunter等[84]从观测数据的角度描述了交通状态突变的特征：交通流在到达最大流量之前变化到高占有率区域(拥挤区域)，在交通流基本图流量-密度关系中不经过最大流率。M.A.Gunter等[85]通过对流量-密度图的分析，发现交通流可以从一支变化到另一支而不经过通行能力状态，或并不是绕着通行能力点在变化。

Wu[86]将两个基本的交通流状态各自划分为两个均匀状态，如表2-10所列。他将非拥挤流定义为流动区域，将停停走走的拥挤不稳流定义为阻塞交通。流动区域的均匀态为“自由车辆”和“聚集的车队”；阻塞交通的均匀态为“聚集的车队”和“停滞的车辆”。

表2-10　交通状态分类［86］

J.Banks[67]将“自发(spontaneous)”这一术语与交通状态突变和发生交通状态突变的瓶颈特征或道路的非均匀性联系起来，并总结了可能导致交通状态突变的一些事件：①宏观交通流的不稳定性，流量和密度的波动演变到某一点以至于触发了不可逆的速度下降；②在正常车辆跟驰模型的相互作用中出现了微观交通流的不稳定性；③由合流或车道变道(交织)所导致的交通流的波动；④道路几何条件的变化(车道数减少、设计车速的变化、坡度变化等)都可能降低运行速度；⑤事故或停止的车辆引起的事件。

1.外部因素对交通流稳定性的影响

交通状态突变现象的发生常常是由于初始的小的扰动在沿着车队传播时不断扩大的结果。速度的波动是交通扰动的最常见形式。速度的下降是速度扰动在向上游传播途中扩大的结果。这些速度扰动可能是由不同的操作如车道变换或者合流造成的，同样地，道路特定的几何和环境条件的变化也可能会对交通流的速度造成干扰，比如隧道出入口和上下匝道处。交通扰动是交通系统中各种干扰因素共同作用的结果，交通扰动造成了交通流的不稳定性，而不稳定的交通流又很容易发生交通状态突变，因此交通扰动是交通拥堵的重要起因。

日本高速公路上有许多通行能力瓶颈，如下弯的竖曲线、隧道入口，但没有车辆汇入、驶出或交织段。驾驶行为，尤其是跟车行为被认为是这种瓶颈现象的成因[87]。在日本，当交通流量增加时，更多的驾驶人会倾向于使用超车道，这就使得超车道上形成了长且密集的车队。当这样的车队驶过一个下凹的竖曲线时，由于坡度的变化和不充分的加速，头车速度稍有降低。而这种速度的降低产生了一个减速波，在其向后传播时不断扩大，使得位于密集车队尾部的车辆几乎处于停车状态。C.F.Daganzo[88]提出，如果前一个车队尾部车辆在重新启动离开之前又有一队车辆到达，通行能力瓶颈则被触发，并出现排队交通流，这有别于堵塞交通流，因为堵塞交通流可能包含具有高密度、高流量的非排队流。

R.I.Strickland[89]研究了隧道入口对通行能力的影响，对纽约的水下隧道进行了一系列的实验，发现当车辆经过隧道下坡时会无意识地加速，因此需要进行制动以减慢车速，这种制动就是速度扰动的最初发生源。R.S.Foote[81]发现，速度扰动出现在隧道出口的上坡处，但其对上游交通流的影响与R.I.Strickland的研究结果类似。近些年，M.Koshi等[90]在日本的高速公路隧道中也发现了类似现象。L.Newman[91]分析了入口匝道对主线交通流稳定性的影响，测量了洛杉矶某条高速公路某一入口匝道上游的速度，该入口匝道的位置和糟糕的设计引起了高速公路交通流频繁出现车流停滞现象。H.S.Mika 等[92]测了一条2.4 mile(1 mile=1 609.344 m)长的包含若干个出入口匝道的高速公路上13个地点的速度情况，发现当密度超过45 veh/(mile·lane)时，交通流变得不稳定，而这些不稳定的起源就是那些出入口匝道。

2.内部因素对交通流稳定性的影响

对于没有任何外界干扰的理想道路条件，且假设车辆都是理想的、车流是均匀的，在车辆守恒方程和交通流运行规律的作用下，交通流随着交通需求的增加呈现平稳变化。而实际上，车辆并不是理想的，车流也并非均匀，交通流的运行规则也不绝对严格，车辆运行存在随机性，这种随机性所引发的微小速度扰动的演变也是一种随机现象。此外，不同车道间车辆的变道行为也会引起速度扰动。A.Elefteriadou[93]详细分析了和L.Newman类似的研究对象，记录了当一辆或一队车汇入高速公路时主线流量的变化情况，发现即使对匝道、隧道没有造成影响，由于驾驶人行为的随机性和车流的非均匀性同样会导致速度的变化。在微观跟车模型中，稳定性包含两层意思：局部稳定性和渐近稳定性[94]。局部稳定性是关注跟驰车辆对其前面车辆运行波动的反应，即关注车辆间配合的局部行为，指前后两车的速度大致相等、车间距离大致保持在某一常数值。渐近稳定性是关注车队中每一辆车的波动特性及其在车队中的表现，即车队的整体波动特性，如车队头车的波动在车队中的传播，如果速度变化的振幅在传播中扩大了，这种叫作不稳定，如果振幅逐渐衰减，则叫作稳定，这种情形称为渐近稳定。交通扰动是交通流不稳定的诱因，交通扰动在沿着车队传播的过程中，是否使交通流趋向稳定取决于以下几个因素的共同作用：背景交通状况、驾驶人特性和车队的均一性[95]。

1)背景交通状况

背景交通状况指扰动始发点上游的交通状况，即交通需求状况和车辆到达情况。跟车模型假定车辆间距在0 m 至100～125 m 时车辆之间存在跟车关系[93]，在车辆较少的自由流状态，由于车间距大，车辆间几乎不存在相互作用，也不存在跟车关系，因此车辆自身的速度扰动不会在车流中传播，也不会导致交通流不稳定。当交通需求接近通行能力时，车流中大部分车辆之间的车间距非常小，并已接近最小安全车距。后车只有对前车的减速行为及时作出反应才能避免碰撞，而后车反应的迟疑很容易导致其速度大幅骤降，而跟车效应使得后续车辆的速度持续下降，直至达到某一处车辆开始出现停滞。

假设在较长一段时间内交通需求恒定，然而由于车辆到达的不均匀性，交通流可以看作是多个连续的由一定数量的车组成的“车队”，不同的车队具有不同的车头间距，当扰动发生在车头间距小的车队中时，很可能使扰动振幅扩大。这种情况的一个现实示例就是大城市中快速路入口匝道附近的交通状况。当一个入口匝道与城市干道联结点的上游临近交叉口时，交叉口会在绿灯时间内向入口匝道输入大量车流，而在红灯期间停止输送，即入口匝道的交通需求是以交叉口信号周期为脉冲周期的脉冲交通流。与相同条件下相同时段内等量的均匀到达流相比，脉冲式的匝道汇入车流更容易使快速路主线交通流变得不稳定。(www.daowen.com)

2)驾驶人特性

驾驶人特性包括驾驶人的倾向特性和反应特性。

(1)倾向特性

驾驶人按其在跟车过程中对前车的紧随倾向的不同可以分为冒险型和保守型两种。冒险型驾驶人具有快速反应能力和强烈的紧随愿望，因此在较高的车速情况下依然能够保持与前车较小的车间距，但当前车速度发生较明显变化时，由于车间距过小和反应的滞后性，冒险型驾驶人敏捷的反应也难免会使自身车速发生更大幅度的变化，从而很容易引发交通流的不稳定。一些学者曾观测到高速公路快车道交通流比慢车道交通流突变发生得更剧烈、阻塞程度更严重，而冒险型驾驶人占较大比例可能是其中的一个重要原因。保守型驾驶人的反应能力相对较弱，但安全意识较强，没有强烈的紧随愿望，因此在跟车行为中往往与前车保持较大的车间距，在前车速度发生变化时能够从容地调整自身车速以保证行车的安全性。因此，与冒险型驾驶人相比，保守型驾驶人对减小交通流扰动振幅和抑制不稳定交通流的形成会起到积极作用。

(2)反应特性

驾驶人的反应特性是指在跟车条件下，后随车对前导车速度波动形成的刺激的反应能力，主要通过驾驶人的反应时间来表示。对于驾驶人而言，敏感的刺激信息包括：车速、加速度、车间距、相对速度、与前车靠近的速率等。

驾驶人的反应时间一直是交通安全、交通流理论研究中的重要课题之一。驾驶人从感觉器官接受刺激对控制系统做出反应到车辆行驶状态改变之间的时距，即为驾驶人的反应时间。驾驶人在行车过程中，交通环境复杂多样，如在快速路上行驶时，要关注交通标志、交通信号、其他行驶车辆等，再从众多的信息中选择与行车有关的信息并做出反应，这种复杂反应要比简单反应所花的时间长。驾驶人反应时间的确定对于行车安全、建立车辆跟驰模型、研究驾驶人特性对交通流变化的影响等都有着重要的作用。

驾驶人对刺激的反应过程通常可以分为感觉、认识、判断和执行四个阶段，反应时间是这四个阶段时间的综合。例如，当前导车在t时刻采取减速措施，后随车在(t+T)时刻才跟着采取减速措施，则T 就表示反应时间，用T1，T2，T3，T4分别表示四个阶段的时间。整体而言，反应时间主要和驾驶人的年龄、性别、驾驶熟练程度以及生理、心理特性有关，反应时间的长短也取决于驾驶人对反应的准备程度、信息的强弱、刺激时间的长短、刺激次数的多寡、饮酒、疲劳、驾驶车辆、道路情况、设计车速等。反应时间的长短和驾驶人采取的反应措施的强烈程度并无关系。一般来讲，反应迅速的驾驶人能够对平稳交通扰动起到积极作用，而反应迟钝的驾驶人将会扩大扰动的幅度。

直接测量反应时间很难，但在交通流检测中，借助较为精密的仪器可以得到车辆轨迹，根据每辆车顺次改变车速的时间可以计算出每辆车针对某一个扰动刺激的反应时间。反应时间在一定程度上和驾驶人的预测能力有关，有些T 值较大的车辆并非驾驶人真的反应迟钝，而是“快反”而“迟应”，即反应过程的每个阶段经历的时间都较短，但在判断阶段和执行阶段中间却有一定的间隔时间，可称其为“观望阶段”，即驾驶人在前三个阶段已经了解了前方刺激的特征，并已决定了下一步需要采取的措施，但在执行之前尚希望继续观望，直到接近其可接受的安全边界时才进入执行阶段。这种反应特征实际上也是紧随愿望的一种反映。此种情况下，在车辆轨迹图中观测到的反应时间往往偏高。

3)车队的均一性

车队的均一性(或称为均质性，homogeneity)特征指的是车流中具有不同反应特征(或不同认知能力和决策)的车辆驾驶人的分布情况，车队的均一性对交通流稳定性的影响可以从两个方面来理解。

(1)将期望的安全距离相等、严格保持车间距的车辆称为理想车辆，完全由这样的车辆组成的车队称为均一车队，否则称为非均一车队。对于车型相同的均匀到达的车流，当初始扰动发生后，均一车队中的每辆车在一定的延迟时间后继承了初始扰动，且扰动在沿车队传播的过程中振幅保持不变。对于非均一车队，由于期望的安全车间距不等，与其他车辆相比，一些车辆在距前车更近或更远的位置开始对前方刺激作出反应，或者并未像其他车辆一样继承前导车受扰后的车速，或者在驶出扰动后再次加速时存在不同的滞后时间。非均一车队对稳定交通流存在双面作用，推迟减速可能导致更大幅度的降速，从而扩大扰动幅度，促成交通流的不稳定；而提前降速到稍高于前车的速度或许可以减小扰动的幅度，促成交通流的稳定。

(2)将能够在扰动波到达之前很好地预测并快速作出反应的驾驶人称为稳定型驾驶人。稳定型驾驶人不一定是理想车辆的驾驶人，由于这些驾驶人希望自身车辆受扰动的影响尽量小，因此他们是通过稳定自身从而间接地稳定整个交通流。

扰动所波及的范围，即减速波波面和加速波波面之间的宽度变化，以及扰动最终是否能消失，是以上因素共同作用的结果。如果车队中有较多的不稳定型驾驶人，则最终将会引起交通流的不稳定，从扰动始发点上游某处开始，将观测到交通状态突变现象。然而，如果这些不稳定型驾驶人分散在稳定型驾驶人中间，将仍有可能使整个交通流保持稳定。