Почему дорожное движение внезапно превращается в пробку
Одним из самых непонятных явлений в автомобильной поездке становятся внезапно возникающие фантомные пробки. Большинство из нас с этим сталкивалось: машина перед вами внезапно тормозит, заставляя тормозить вас, что заставляет тормозить водителя за вами. Но вскоре вы и окружающие вас машины снова ускоряются до исходной скорости, и становится очевидно, что на дороге нет ни видимых препятствий, ни заметных причин для замедления.
Так как движение быстро восстанавливает исходную скорость, фантомные пробки обычно не вызывают серьёзных задержек. Но не являются они и просто малозначительными досадными помехами. Это очаги аварий, потому что они заставляют неожиданно тормозить. А дёрганое движение, к которому они приводят, вредит автомобилю, снижает ресурс и повышает потребление топлива.
Так что же происходит? Для ответа на этот вопрос математики, физики и инженеры-транспортники разработали множество различных видов моделей трафика. Например, микроскопические модели вычисляют пути отдельных автомобилей и хорошо подходят для описания взаимодействия единичных машин. Макроскопические модели описывают трафик в виде жидкости, а машины в ней интерпретируются как частицы жидкости. Они эффективны при изучении крупномасштабных явлений с участием множества автомобилей. Наконец, клеточные модели разделяют дорогу на сегменты и предписывают правила, по которым машины движутся из клетки в клетку, создавая структуру для описания неопределённости, присущей реальному дорожному движению.
Для того, чтобы начать понимать причины формирования фантомных пробок, нам сначала нужно узнать о множестве эффектов, присутствующих в реальном трафике, которые, вероятно, могут вносить свой вклад в образование пробки: разные типы транспорта и водителей, непредсказуемое поведение, въезд и съезд с магистрали, смена полос движения, и так далее. Можно предположить, что некое сочетание этих эффектов необходимо для создания фантомной пробки. Одно из огромных преимуществ изучения математических моделей заключается в том, что все эти различные эффекты в теоретическом анализе или компьютерной симуляции можно отключить. Так мы можем создать группу одинаковых предсказуемых водителей, едущих по однополосному шоссе без всяких съездов с него. Другими словами, идеальную дорогу до дома.
Как ни удивительно, но при отключении всех этих воздействий фантомные пробки всё равно возникают! Это наблюдение говорит нам, что фантомные пробки — не вина отдельных водителей, но результат коллективного поведения всех водителей на дороге. Это работает так. Представьте однородный поток транспорта: все машины равномерно распределены по шоссе и едут с одной скоростью. В совершенных условиях такой идеальный трафик может сохраняться вечно. Однако в реальности движение постоянно подвергается небольшим колебаниям: несовершенство асфальтового покрытия, небольшие проблемы с двигателями, доли секунды, на которые водитель ослабляет внимание, и так далее. Для прогнозирования эволюции такого транспортного потока нужно ответить на важный вопрос: все эти небольшие колебания затухают или усиливаются?
Если они затухают, то поток стабилен и пробки отсутствуют. Но если они усиливаются, то однородный поток становится нестабильным, а небольшие колебания вырастают в движущиеся назад волны, названные «джемитонами» (jamitons, от jam — пробка). Такие волны можно наблюдать в реальности, они заметны в различных видах моделей и компьютерных симуляций, а также были воссозданы в тщательно контролируемых экспериментах.
В макроскопических (гидродинамических) моделях каждый водитель, интерпретируемый как частица жидкости транспортного потока, наблюдает локальную плотность трафика вокруг себя в любой момент времени и соответствующим образом выбирает скорость, которой нужно придерживаться: высокую, если поблизости мало машин, или низкую при большом заторе. Затем он ускоряется или замедляется до этой целевой скорости. Кроме того, он предполагает, что трафик будет делать дальше. Этот эффект движения с прогнозированием моделируется «давлением трафика», который во многом ведёт себя аналогично давлению в реальной жидкости.
Математический анализ моделей дорожного движения показывает, что эти два эффекта соперничают. Задержка перед достижением нужной скорости приводит к росту колебаний, а давление трафика гасит колебания. Состояние однородного потока стабильно, если доминирует эффект предсказания, а это бывает при низкой плотности потока. Эффект задержки доминирует при высокой плотности трафика, что вызывает дестабилизацию и в конце концов фантомные пробки.
Переход от однородного потока к потоку, в котором доминирует джемитон, схож с тем, как вода переходит из жидкого состояния в газообразное. В потоке машин этот фазовый переход происходит, когда плотность потока достигает определённого критического порога, при котором ожидания водителей уравновешиваются эффектом задержки при регулировании скорости. Самый удивительный аспект этого фазового перехода заключается в том, что характер движения кардинально меняется, хотя отдельные водители вообще не меняют своего поведения.
Видео возникновения джемитона. Поток, текущий слева направо, приводит к распространению джемитона справа налево. Вертикальная ось обозначает плотность машин на дороге. Резкий переход от низкой к высокой плотности (и от высокой к низкой скорости) является характеристикой всех джемитонов.
Следовательно, возникновение волн трафика (джемитонов) можно объяснить поведением при фазовом переходе. Но чтобы понять, как предотвращать фантомные пробки, надо также разобраться в подробностях структуры полностью устоявшегося джемитона. В макроскопических моделях трафика джемитоны являются математическим аналогом детонационных волн, которые в реальном мире возникают во время взрывов. У всех джемитонов есть локализованная область высокой плотности трафика и низкой скорости. Переход от высокой к низкой скорости чрезвычайно резок — как ударная волна в жидкости. Машины, столкнувшиеся с ударной волной, вынуждены резко тормозить. После удара есть «зона реакции», в которой водители пытаются снова ускориться до исходной скорости. Наконец, в конце фантомной пробки с точки зрения водителей находится «точка линии перехода через скорость звука».
Название «точка линии перехода через скорость звука» (sonic point) возникло из аналогии с детонационными волнами. При взрыве это такая точка, в которой жидкость превращается из сверхзвуковой в дозвуковую. Это имеет важные последствия для потока информации как в детонационной волне, так и в джемитоне. Точка перехода создаёт информационную границу, схожую с горизонтом событий чёрной дыры: никакая информация ниже по потоку не может повлиять на джемитон по другую сторону от точки перехода. Из-за этого рассеивать джемитоны довольно сложно — после прохождения через точку перехода автомобиль не может повлиять на джемитон.
Поэтому на поведение машины нужно влиять до того, как она попадёт в джемитон. Одним из способов достижения этой цели является беспроводная связь между автомобилями, и современные математические модели позволяют нам разработать подходящие способы использования технологии будущего. Например, когда машина обнаруживает событие резкого торможения, за которым сразу же следует ускорение, то она может транслировать «предупреждение о джемитоне» автомобилям, движущимся за ней в пределах одной мили. Водители этих машин могут, по крайней мере, подготовиться к неожиданному торможению; или, что тоже хорошо, увеличить интервал, чтобы внести свой вклад в рассеяние волны трафика.
Результаты, получаемые при наблюдении за гидродинамическими моделями транспортных потоков, могут помочь в решении многих других проблем реального мира. Например, логистические цепочки демонстрируют поведение, схожее с транспортными пробками. Явления пробок, очередей и волн можно также наблюдать в газопроводах, информационных сетях и потоках биологических сетей — всех их можно рассматривать как аналоги потоков жидкостей.
Кроме того, что фантомные пробки — это важный пример для математического изучения, они, вероятно, являются также интересной и наглядной социальной системой. В местах возникновения джемитонов, они вызываются коллективным поведением всех водителей, а не несколькими «паршивыми овцами». Те, кто действует на упреждение, могут рассеивать джемитоны и помочь всем водителям, едущим за ними. Это классический пример эффективности золотого правила нравственности.
Поэтому когда в следующий раз вы попадёте в беспричинную, бессмысленную и спонтанную дорожную пробку, то помните, насколько она сложнее, чем кажется.
Об авторе: Бенджамин Сейболд — профессор математики в Университете Темпл.
Ни аварии, ни ремонта: откуда на дорогах берутся фантомные пробки
Река огней днем и ночью течет по городу: если смотреть со стороны, зрелище завораживает, но у тех, кто в пробке, эмоции совсем иные. Марина утро и вечер проводит в этих заторах, и всякий раз пытается понять, что там впереди произошло: ехали-ехали – и вдруг все встали.
"Смотришь на навигатор – там нет ни аварии, ни ремонтных работ, ничего! С чего эта была пробка, просто непонятно", – жалуется автомобилистка Марина Спиридонова.
Явление так и называется – фантомная пробка: ученые объяснили и даже описали его математически. Весь поток движения может замедлиться, например, из-за одной перестраивающейся фуры. Следующая за ней легковушка пропускает – снижает скорость. То же делают и другие автомобилисты – по цепочке.
Один резко перестроился, другой затормозил, третий зазевался: и покатилась волна вдоль шоссе – порой на несколько километров. Причем это не какая-то абстракция: падает скорость – растет время. А время, как известно, деньги.
"Пусть каждый потеряет в этой волне по 1-2 минуты. Перемножим это на весь транспортный поток и на деньги – это будет достаточно сильный такой ущерб, с которым необходимо бороться", – говорит старший преподаватель кафедры "Организация и безопасность движения" Московского автодорожного института Алексей Забудский.
Ущерб наносится и здоровью: выхлопные газы – первое, что приходит в голову. Но это не единственный фактор риска. Автомобилисты жалуются, что долго сидеть в машине, застряв в пробке, трудно физически: болит спина, затекают конечности, да и эмоциональное состояние страдает. Можно, конечно, медитировать, но организм не обманешь: длительное нахождение в неподвижной позе усиливает гипоксию, а в пробке и так тяжело дышать.
"В мышцах происходят застойные явления, соответственно, кровообращение ухудшается, и кровь не циркулирует должным образом. А кровь – это что? Кровь – это источник, в первую очередь, кислорода, который необходим для адекватного функционирования всего организма", – говорит травматолог-ортопед Алексей Тыщенко.
Наклоны и повороты головы, движения руками – отличный способ разогнать кровь, если это не мешает вождению. Разогнать же фантомную пробку можно ногами, нажимая педали так, чтобы машина ехала со скоростью потока.
"Если идет поток со скоростью, условно говоря, 90 километров в час, нужно подстроиться под этот поток и пытаться себя вести так, как ведет себя основная часть автомобилистов. Это наиболее безопасный способ, в таком случае реже возникают вот такие хаотические пробки", – говорит автоэксперт Игорь Моржаретто.
Не далек день, когда автопилот в каждой машине будет следить за скоростью и дистанцией. И дороги научатся строить без "бутылочных горлышек" и крутых съездов – мест, где возникает турбулентность потока. А пока лучше не делать резких движений и вести себя за рулем предсказуемо.
Что такое фантомные пробки?
Фантомные пробки могут возникнуть в результате плохого стиля вождения и естественной волновой динамики между машинами на дороге; даже если нет аварии или причины для торможения, один человек может вызвать замедление, которое затронет десятки или сотни других водителей.
Для любого, кто хоть раз ездил по шоссе, это может быть расслабляющим (а иногда и скучным) способом путешествия. Однако на автомагистралях и автострадах вокруг городов вождение становится немного более интерактивным, чем когда вы едете через пустые часы кукурузных полей. Пробки и загруженные шоссе, особенно в часы пик и в пути, — это раздражающая реальность, с которой нам всем приходится иметь дело. Ежедневно в мире происходят тысячи автомобильных аварий, поэтому нам всем приходится смириться с застреванием в пробке.
Однако иногда бывают пробки или замедления движения, которые, кажется, происходят без всякой причины. В один момент вы едете по скоростной полосе, а в следующий вы нажимаете на тормоза, поскольку движение вокруг вас замедляется до ползания. Когда вы, наконец, снова начнете движение, нигде не будет видно ни места аварии, ни бдительной полицейской машины! Так что же вызывает эти загадочные пробки?
Что такое фантомная пробка?
Фантомная пробка — это любое замедление движения, которое происходит без явной причины, то есть отсутствуют аварии, ловушки скорости, безрассудные водители, конструкция или переполненная съездная эстакада, заставляющая общую массу водителей тормозить. Более формально эти явления трафика известны как джамитоны. Хотя это довольно неприятно, они также довольно увлекательны и демонстрируют возможность подключения и динамические свойства вождения по шоссе.
Хотите верьте, хотите нет, но фантомная пробка, которая замедляет движение на нескольких полосах движения, может быть вызвана тем, что один водитель без необходимости нажимает на тормоза. Возможно, человек безответственно проверил свой телефон и увидел движение, которое заставило его инстинктивно затормозить. Или, возможно, они заметили неровность дороги и притормозили, прежде чем сообразили, что это всего лишь игра света на нефтяном пятне. Когда движение по шоссе плавное, а дорога несколько переполнена, водители, как правило, подкрадываются друг к другу, иногда оставляя между собой и машиной, которую они преследуют, расстояние всего в пару метров.
Волновой эффект
Если ведущий водитель затем резко затормозит, автомобиль сзади должен будет быстро нажать на свои тормоза, как и автомобиль позади него, что вызовет эффект пульсации, который может замедлить десятки автомобилей. Даже если ведущая машина лишь на мгновение нажмет на тормоза, а затем возобновит движение вперед, рябь тормозящих машин может растянуться на сотни метров. Каждой машине, находящейся позади, необходимо будет замедлить немного более резко, пока все машины не смогут снова набрать скорость.
Более резкое торможение (то есть резкое нажатие на тормоза и снижение с 65 миль в час до почти полной остановки) сделает «джамитон» еще более серьезным. Это даже не ограничивается отдельными полосами движения, поскольку опытные и внимательные водители обучены предугадывать, когда движение замедлится, по появлению впереди светофоров. Увидеть стоп-сигналы машин в Другие живая рябь на полосах движения также может привести к упреждающему торможению у водителей. Это может распространить замедление на всю ширину шоссе, а также двигаться вверх по шоссе, создавая фантомные пробки!
Способы избежать фантомной пробки
Вы почти наверняка испытали это явление, даже если вы не осознавали этого в то время, но, хотите верьте, хотите нет, вы также можете внести свой вклад, чтобы помочь предотвратить эти пробки!
Избегайте хвоста
Задержка означает подъезжать к машине, идущей впереди вас, в опасной близости; это часто делается для того, чтобы побудить медленный автомобиль съехать с полосы для обгона, но также практикуется агрессивными или безответственными водителями в нормальном движении. Задержка сокращает расстояние между вами и впереди идущей машиной; когда эта машина тормозит, от водителя требуется насильно применять свои собственные, чтобы избежать попадания в хвост ведущей машины. Как упоминалось выше, именно такое резкое торможение может привести к раздражающим фантомным пробкам.
Более совершенный этикет вождения
Гораздо лучший способ управлять автомобилем — найти среднюю точку между автомобилем впереди и позади вас. Не тратя слишком много времени на проверку зеркал, постарайтесь расположить машину на одинаковом расстоянии от двух других ближайших машин на вашей полосе движения. Таким образом, если водитель впереди тормоза, вы можете плавно и ненадолго нажать на тормоза, чтобы оставаться позади него на безопасном расстоянии. Или вы можете просто убрать ногу с педали акселератора и начать движение по инерции, что может предотвратить появление эффекта ряби. Если вы прилежно управляете автомобилем и избегаете поведения, вы можете в одиночку предотвратить появление фантомной пробки, которая могла затронуть сотни других водителей!
Еще одна хорошая стратегия избежать замедления — обратить внимание на свою полосу движения. Хотя о значительном замедлении обычно сигнализирует замедление внешних полос в шахматном порядке, это не означает, что ваша полоса определенно собираюсь замедлиться. Как только вы видите, что впереди появляются стоп-сигналы, но не в полосе движения, оставайтесь внимательными и чутко реагируйте на ведущие машины, но не тормозите заранее. Быть хорошим водителем — это тонкий танец безопасного вождения и опыта, хотя вы всегда должны проявлять осторожность!
Последнее слово
Те водители, которые ежедневно ездят по одним и тем же шоссе, вероятно, ежегодно становятся свидетелями сотен фантомных пробок. Однако теперь, когда вы понимаете, как быстро могут образовываться эти «джамитоны» и насколько взаимосвязаны на самом деле каждый водитель на дороге, вы можете внести свой вклад, чтобы предотвратить эти бесполезные потери времени на жизненных магистралях.
Почему пробки иногда образуются без причины?
Если вы водитель, то наверняка не раз наблюдали на шоссе ситуацию, когда движение автомобилей замедляется и далее неожиданно полностью останавливается. Через несколько минут поток машин начинает потихоньку на небольшой скорости снова двигаться, а затем уже движение автотранспорта продолжается с прежней скоростью. И что самое странное, что такое происходит в тех местах, где не ведется ни какого дорожного строительства, не происходит ни какого ДТП или других тех.препятствий для движения транспорта. Почему же все-таки это происходит?
На этот вопрос попытались ответить различные исследовательские группы использовавшие сложные математические расчеты и проделав по этому поводу реальные эксперименты. Уважаемые читатели, друзья м товарищи, предлагаем Вам посмотреть на результаты этих работ, которые возможно помогли узнать истинную причину происходящим дорожным пробкам на пустом месте. Также у специалистов появилось и имеется решение, как можно сократить количество заторов из-за ничего на пустом месте.
Почему образуются фантомные пробки
Если на автошоссе плотное движение, то любые даже незначительные нарушения в потоке могут привести к самоусиливающейся цепной реакции. Например, один автомобиль немного притормозил, а следующий за ним притормозил уже чуть больше, чтобы сохранить дистанцию между транспортом и избежать столкновения. За ним также еще затормозил один автомобиль, которому тоже приходится еще больше снижать скорость. И так далее и по цепочке. В итоге мы с вами наблюдаем замедление автомобильного движение на полосе, а порой и сразу на всех полосах движения.
Эти движения по научному называются «волнами замедления движения транспортных средств», которые двигаются в одном направлении по одной или нескольким полосам. Такое понятие придумали ученые из Университета Темпл, США. По словам специалистов, что проводили данное исследование на тему феномена пробок на пустом месте, причина подобного прерывания волны движения в невнимательности как-раз водителей, которые отвлекаются во время движения на дороге (разговоры по телефону, прослушивание громкой музыки, ну и т.д. и т.п.) и в последний момент замечают, что перед ними притормаживает автомобиль. В результате этого потеряны доли секунды и водителю приходится уже тормозить сильнее, что как-раз вызывает по инерции торможение всего потока транспорта.
Самое что плохое здесь, когда первые автомобили начавшие волну снижения скорости в полосе начнут далее свободно двигаться на большой скорости, то эта волна замедления трафика будет продолжается еще какое-то определенное время, растягиваясь тем самым на 100 и даже до 1000 метров (до километра). В итоге получаем следующее. Если волна растянулась на большое расстояние, то мы можем с вами увидеть, как в конце этой волны автомобили полностью останавливаются. Затем по очереди машины заново начинают набирать скорость,и скопление машин начинает постепенно исчезать.
Таким образом специалисты из Американского Университета придумали концепцию подобных волн, которую они назвали «jamitons» в честь аналогичного понятия волн-солитонов, которые изучает современная физика. Так этими специалистами с помощью компьютерных алгоритмов проводятся тестирования, которые имитируют поведение водителей на автодороге.
Но не одних только Американских специалистов беспокоит проблема пробок, которые возникают в буквальном смысле на пустом месте. К примеру, этой проблемой озаботились и Японские исследователи, которые также проводят свои собственные эксперименты. Но что самое удивительное, что они тоже пришли к такому же самому выводу, что и Американские ученые.
Например, с помощью реального теста специалисты из Японии установили истинную причину бессмысленных пробок. Для того чтобы воссоздать прерывистое движение на дороге в реальной жизни, специалисты дали указания водителям, что двигались на круговом движении, тормозить автомобиль для поддержания безопасной дистанции с определенным замедлением. В результате проведенного эксперимента удалось полностью сымитировать торможение движения в потоке.
Всего в эксперименте участвовало 22 автомобиля которые двигались со скоростью 30 км/час.
Посмотрите друзья, как легко образуются волны снижения скорости движения в потоке машин:
Так кто же все-таки является виновником пробок?
С одной стороны кажется вполне разумным, что эти фантомные пробки на дороге образуются по вине самих водителей. Как мы уже выше сказали, Американские и Японские исследователи заявляют о том, что замедление трафика на дорогах, где нет препятствий, аварий, ремонтных работ и т.п. препятствий связано именно с тем, что многие водители превышают установленную скорость движения на шоссе, а в случае замедления резко нажимают на педаль тормоза. Как правило, быстрое снижение скорости связано с несоблюдением не только скоростного режима, но и той же дистанции.
Также подобные бессмысленные пробки образуются не только из-за несоблюдения скорости движения и дистанции, но и из-за необдуманных действий водителя. Например, видя впереди, что поток машин на дороге достаточно плотный, вместо того чтобы постепенно снижать скорость движения многие водители наоборот начинают разгоняться. Примечательно, что это происходит даже в тех случаях, если водители транспорта видят впереди себя красный свет светофора и скопление машин
С другой стороны эти поведенческие факторы водителей не смогут полностью избавиться от фантомных пробок. К подобному заключению пришли ученые из Массачусетского технологического института. По их мнению, если даже в один момент все водители изменят свое поведение на дороге и не будут превышать скорость движения в плотном потоке автомобилей, а также соблюдать большую дистанцию и не разгоняться перед самым светофором где горит красный свет, то все-равно, время от времени на дорогах будут по-прежнему образовываться заторы транспорта на пустом месте. Да, безусловно, изменение поведения водителей улучшит ситуацию на дороге, но все-же не полностью. К подобному заключению специалисты пришли в результате компьютерного моделирования.
Например, если на дороге будет очень плотный трафик (поток) автомобилей, то поведение водителей не сможет полностью исключить образование волны заторы в полосе. Обычно мы склонны обвинять в причинах пробок водителей, которые движутся вместе с нами в общем потоке транспорта. Но на самом деле компьютерное моделирование показывает, что пробки могут возникать не только из-за водителей.
Как решить проблему пробок
Казалось бы, что проблему пробок возникающих на пустом месте не решить. Но специалисты считают иначе, что можно все-таки принять кое-какие меры, которые снизят вероятность возникновения стопорного движения потока автомашин. Например, при проектировании автострад, эстакад и т.д. необходимо исключить частые извилистые повороты, чтобы снизить вероятность частого замедления автомобилей на таких участках.
Есть более инновационная идея, это установка автономных интеллектуальных светодиодных дорожных знаков, которые будут ограничивать среднюю скорость движения и автоматически менять максимально разрешенную скорость для определенного количества транспорта на каком-то определенном ограниченном участке дороги.
Если на каком-нибудь шоссе, где часто наблюдается плотный поток машин, поставить несколько таких знаков, то получится ограничивать скорость движения потока равномерно распределяя общую скорость потока транспорта, предотвращая тем самым образования волны, которая может привести к затору.
Кстате, подобные идеи уже стали применяться в некоторых странах в рамках эксперимента. И надо признать, что результаты эксперимента получаются удачными. Например, со слов разработчиков подобной интеллектуальной системы, там где были установлены электронные светодиодные знаки скорости снижение скорости происходит постепенно, а не быстро. В итоге этого на таких участках полностью исчезли фантомные пробки.
Наконец, если смотреть в будущее, то комплексное решение проблем пробок может решиться с появление на дорогах автономных автомобилей, которые в настоящий момент разрабатываются многими автомобильными компаниями. Ведь такие транспортные средства с высокой точностью, используя данные о дорожно-транспортных происшествий, могут автоматически перестраивать маршруты прокладывая тем самым оптимальный путь к пункту назначения, а также более правильнее поддерживать среднюю скорость движения и дистанцию. И дело тут в том, что электроника более эффективно управляет автомобилем, чем человек.
Планируется, что все автономные машины будут в электронном виде передавать другим транспортным средствам различную информацию. Например, если из-за плотного потока полоса движения транспорта начинает замедлять скорость, автономная машина может сообщить всем транспортным средствам едущим позади о том, что им уже необходимо снизить среднюю скорость движения. В теории это должно помочь сглаживать волны происходящих заторов, прежде чем снижение скорости потока превратиться в настоящую пробку.