Критическая масса. Как одни явления порождают другие - Филип Болл

Плотность потока (число машин на 1 км шоссе)

Рис. 7.6. Автомашины, «выпавшие» из режима свободного потока, иногда начинают двигаться по весьма запутанным траекториям, свидетельствующим о наличии других, хаотических и непредсказуемых режимов движения.

Все это, казалось бы, говорит в пользу модели НаШ, но поведение тран портных потоков в действительности таит в себе еще много сюрпризо На рис. 7.6 представлен другой набор данных наблюдений, отражающя новые аспекты движения. Общая картина практически не изменилас присутствует ветвь свободного потока с метастабильной областью и веті тесного потока, отходящая от первой. Однако ветвь тесного потока вдр] превращается в запутанный клубок! Машины не просто «втыкаются в пробку, замедляясь почти до полной остановки и затем, после преодоления пробки, вновь ускоряясь. На самом деле при переходе от свободного потока к тесному скорости отдельных машин (и соответственно величина потока) могут изменяться в очень широких пределах.

Кернер и Реборн предложили рассматривать тесный поток в виде сочетания двух разных режимов. Первым из них можно считать состояние с минимальными смещениями, с очень высокой плотностью и почти нулевой скоростью потока в целом. Этому состоянию соответствует крайняя правая часть «тесной» ветви, точки 4, 5 и 6 на рис. 7.5. В то же время тесный поток может двигаться с вполне приемлемой скоростью даже при высокой плотности потока, если все машины будут двигаться приблизительно с одной скоростью. Другими словами, если движение станет синхронизированным.

Введя такое разделение, Кернер и Реборн пришли к выводу, что автомобильный поток может существовать в трех основных состояниях: свободный поток, синхронизированный поток и пробка. При переходе от свободного к синхронизированному потоку машины продолжают движение, и величина потока остается высокой при резком росте плотности потока. При переходе от свободного или синхронизированного движения к пробке скорость сразу уменьшается почти до нуля, а плотность достигает максимального значения, когда капот машины упирается в багажник впереди стоящего автомобиля.

Какие аналогии это вызывает? При фазовых переходах газа в жидкость молекулы также остаются подвижными, но плотность возрастает во много раз. С другой стороны, при замораживании газа или жидкости в твердое состояние частицы становятся неподвижными и очень плотно упакованными в регулярную решетку. Три состояния дорожного движения неожиданно оказываются чрезвычайно похожими на три классических термодинамических состѳяния вещества. Более того, Кернер и Реборн установили, что переход свободного потока к пробке редко происходит напрямую, так как в качест промежуточного состояния обычно возникает синхронизированный режі движения, точно так же, как переход от газа к твердому веществу обыч] протекает через жидкое состояние.

Таким образом, говорят исследователи, в тот момент, когда плотное транспортного потока превышает некоторое критическое значение, возника новое состояние, метастабильное по отношению к синхронизированноі движению, а не к пробке. Случайные флуктуации могут перевести его в t лее медленный, синхронизированный режим движения. Одним из вывод теории стало предположение, что «перескок» из режима свободного пото в синхронизированный происходит при резком уменьшении вероятное перестроения между полосами движения. В режиме свободного потока так перестроения являются более или менее свободными, и многие водите, пользуются этим, однако в синхронизированном режиме все машины дв гаются постоянно по одной и той же полосе с почти одинаковой скорость а перестроения практически отсутствуют.

Конкретный механизм превращения свободного потока в синхрон зированный до сих пор остается предметом дебатов. Кернер и Ребо] были убеждены, что синхронизированный поток является одним из тр фундаментальных состояний транспортного движения, подобно тому к жидкость является фундаментальным состоянием материи. Некоторые др гие специалисты, включая Дирка Хелбинга, считали синхронизацию все лишь результатом воздействия внешних факторов, нарушающих свобс ный поток. Синхронизация возникает не спонтанно, а является следствиі неоднородностей маршрута движения — изгибов и неровностей трасс сужений шоссе, наличия въездов и выездов с автомагистрали и т. п. Так неоднородности могут играть роль центров кристаллизации типа пылиш которые способствуют превращению переохлажденной жидкости в тверл состояние, хотя в нашем случае было бы правильнее говорить о превращен переохлажденного газа в жидкость.

Кернер и Реборн соглашались с тем, что синхронизация может воз* кать на неоднородностях маршрута, особенно на въездах и ответвлениях, считали такие состояния лишь промежуточными и непродолжительны с длительностью около получаса или менее, между тем как существовал гораздо более продолжительные режимы синхронизированного движе? с длительностью в несколько часов.

В некоторых моделях и само синхронизированное движение рассм ривалось в качестве метастабильного, способного при нарушениях пере дить в пробку. В то же время Михаэль Шрекенберг и его сотрудники при наблюдениях в Дуйсбурге установили, что реальные синхронизированные транспортные потоки действительно существуют и не только являются достаточно устойчивыми, но и возникают под воздействием факторов, которые до этого вообще не учитывались разработчиками моделей. Речь идет о человеческом факторе, а именно о желании водителей ехать спокойно и комфортно.

В большинстве существовавших моделей поведение водителей варьировалось очень незначительно, исходные правила предписывали водителям лишь две основные «инструкции»: стремление достигать и поддерживать некоторую предпочтительную скорость и стремление избегать столкновений. Лишь позднее выяснилось, что такой подход всегда заставляет машины в модельном потоке двигаться рывками, резко ускоряясь при открывающейся возможности (на свободном участке маршрута) и быстро тормозя при опасности столкновения. Группа Шрекенберга справедливо указывала на то, что в реальной обстановке большинство водителей стараются избегать слишком резких маневров. После введения более реалистических правил в модель клеточных автоматов выяснилось, что синхронизированный поток практически всегда должен возникать в качестве основного и устойчивого состояния системы, причем он оказывается способным сохраняться даже в случаях возникновения заторов, распространяющихся по потоку в соответствии с описанными механизмами.

Эта модификация позволила значительно повысить способность моделей к предсказанию поведения реальных транспортных потоков, однако для целей нашей книги гораздо важнее и интереснее то, что она подтвердила: коллективные режимы являются неотъемлемым свойством транспортного движения. Введение в модель дополнительных психологических факторов поможет лишь уточнить условия возникновения того или иного потока, но не поколебать сам факт существования фундаментальных состояний трафика, аналогичных состояниям физической материи.