交通流方程(traffic-flow equation)
為什麼在繁忙的高速公路上,明明沒有事故,塞車卻憑空出現,然後像幽靈般逆著行車方向往後漂移?你可以用單一的一階偏微分方程來理解這件事,它把交通當作流動的流體。交通流方程不逐輛地描述車,而把車當作一種連續密度,服從一條守恆律——車既不被創造也不被毀滅。
令 rho(x, t) 為位置 x、時間 t 處的車輛密度(每公尺多少輛)。車輛守恆說 rho_t + q_x = 0,其中 q 是通量(每秒通過某點的車數)。建模的一步是假設通量透過局部速度依賴於密度:q = rho v(rho),其中速度 v 隨道路越擁擠而下降(空路就快開,塞車就慢爬)。簡單的選擇 v(rho) = v_max (1 - rho/rho_max) 給出二次通量與方程 rho_t + (q(rho))_x = 0——一條純量守恆律,正是伯格斯方程的結構。你用特徵線法求解它:資訊沿著速度取決於密度的曲線傳播。
這裡是收穫,也是誠實的微妙之處。由於波速取決於密度,特徵線可能相交——後方較密的車流追上前方較疏的車流——而當它們相交時,震波便形成:密度的一個陡然跳躍,這正是塞車的尾端,而且即使每輛車都向前開,它仍可能向後傳播。震波形成後你就不再有光滑解了;你需要弱解加上熵條件(朗肯-雨貢尼奧跳躍與拉克斯熵條件)來挑出物理上正確的那個——這是「非線性守恆律為何需要震波與熵」的乾淨日常例證。
一列快速行駛的車逼近前方一團慢車。以密度而言,一片低 rho 的區域正追上一片高 rho 的區域;它們的特徵線相遇,於是在邊界處形成震波。那道震波就是塞車肉眼可見的後緣,而對標準通量而言它向後(上游)移動,儘管每一輛車都仍緩緩向前穿過它。
把交通當作守恆律;相交的特徵線造出震波(塞車的尾端)。
這個連續體模型把車當作平滑的密度,對眾多車輛是不錯的圖像,但忽略了個別駕駛行為,且在車流稀疏時失效。而且震波之後,僅有弱解並不唯一——是熵條件使這個模型成為確定性的。