Исследователи из МФТИ и Университета Дуйсбурга-Эссена (Германия) раскрыли микроскопические механизмы формирования транспортных заторов. Этот новый подход закладывает основу для кардинального улучшения алгоритмов для беспилотного транспорта и принципиально новых методов управления дорожным трафиком. Работа опубликована в журнале Physical Review E.
Согласно общепринятой теории, пробки возникают из-за «перетормаживания» водителей: один резко затормозил, следующий отреагировал с задержкой и затормозил еще сильнее, что вызывает цепную реакцию и приводит к затору. Однако российско-немецкий коллектив ученых показал, что ключевую роль здесь играет противоположный процесс — «переускорение».
«Переускорение — это поведение водителя или автопилота, при котором он стремится сильнее ускориться, чтобы вернуться к свободному движению, выбравшись из локального замедления потока. Наша модель демонстрирует, что именно конкуренция между двумя тенденциями — желанием ускориться и необходимостью адаптироваться к скорости впереди идущей машины — определяет, возникнет ли затор или поток останется свободным», — рассказал профессор кафедры общей физики МФТИ Сергей Кленов.
Исследование ученых основано на теории трех фаз транспортного потока, разработанной профессором Борисом Кернером. В отличие от классических моделей, где пробка — это просто цепная реакция торможения, теория Кернера описывает три четких состояния трафика: свободный поток (F), синхронизированный поток (S) (когда машины движутся с почти одинаковой низкой скоростью) и широкую движущуюся пробку (J), внутри которой машины стоят. Согласно этой теории, возникновение транспортного затора представляет собой переход от свободного к синхронизованному потоку (F->S переход, рисунок 1). Затем уже в нём могут возникать широкие движущиеся пробки (S->J переход).
Рисунок 1. Эмпирический пример спонтанного F->S перехода с последующим образованием сложной структуры заторного движения. Усредненные данные скорости транспортного потока, измеренной детекторами на трёхполосной автостраде А5-Север в Германии 23 марта 2001 года. Источник: Kerner B.S. The Physics of Traffic. Springer, 2004.
Ключевой элемент теории — «переускорение» — микроскопическое поведение, при котором водитель стремится ускориться, чтобы вернуться к свободному движению. Именно конкуренция между «переускорением» и необходимостью притормозить определяет, останется ли свободный поток стабильным или перерастёт в затор. Этот переход подобен фазовому переходу в физике. Авторы показывают, что вероятность «переускорения» резко падает в синхронизированном потоке, что и объясняет метастабильную природу заторов: маленькое замедление может либо рассосаться, либо, превысив критический порог, стать зародышем огромного затора.
В результате исследования учёные обнаружили новый механизм «переускорения»: помимо очевидного желания водителя ускориться оно может возникать как побочный эффект от безопасного ускорения при выезде с полосы разгона или перестроении. Этот механизм может работать, даже не будучи явно заложенным в алгоритмы управления. При этом разные механизмы «переускорения» (например, при перестроении и при ускорении на своей полосе) могут усиливать друг друга, совместно поддерживая свободный поток и отодвигая момент возникновения затора.
Микроскопические особенности «переускорения» проявляются как в потоках с водителями, так и в потоках на 100% состоящих из автомобилей с адаптивным круиз-контролем (ACC). Это означает, что данная модель должна быть учтена при разработке алгоритмов для беспилотных автомобилей и интеллектуальных транспортных систем.
По словам авторов, понимание механизмов «переускорения» поможет создавать более эффективные и безопасные системы управления смешанным дорожным трафиком будущего, который будет включать как автомобили, управляемые водителем, так и автоматически управляемые транспортные средства.
