在驾驶座上观察“堵车波”

想象一下你是个认真负责的司机,怎样作为一个业余的交通动力学家,去观察其他司机造成的交通缓慢呢?

如果你每天往返于上班和住地需要30分钟甚至更长时间,不妨在堵车的时候观察一下交通流,转移因为堵车造成的厌烦情绪。在最开始,可以将车流想象成流动的水,每一辆车就像一个水分子,很快你会意识到,这不仅仅是一种想象,事实上,车流和水流确有很多相似之处。

看不见的事故

相信你也有过这样的经历:开车行驶在公路上,前面的车缓慢移动,你被困在车阵之中。感到焦躁不安的你,一边不停向前张望,想知道前方到底发生了什么,一边心里抱怨是哪个新手或者女司机出事故了,让我们困在这里不能移动!

接着,拥堵渐渐缓解,道路重新变得通畅,最终你却发现前方没有任何事故发生过的痕迹!见鬼了,似乎这是毫无缘由的堵车。你往后视镜看,后面的车也还是在堵着。我们把以上现象叫做“幽灵式堵车”。其实,如果所有车都以相同速度行驶的话,这场交通拥堵根本就不会发生。那么为什么人们不去这样做,到底是什么导致了这场怪异的交通堵塞呢?

这一类“幽灵式堵车”通常会在车流量大的时候出现,即使前方没有事故,它们也会出现,公路上一些小小的插曲就可能导致它的发生。比如,一个三心二意的司机停下来,只为了看一眼路边等公交车的美女,再比如,你降低车速,变线到另外一条车道,准备从前面的出口出去,没有一个明确的诱因,导致堵塞的可能只是司机一个不经意的动作。

司机们的实际操作

有时候,的确是有事故发生,但是当事故车辆被移开,似乎就没有了继续堵车的理由,可实际上,交通却依然堵塞,原因显而易见:如果你被一辆停止的车拦在后面,那么你也不得不停车,以此类推,后面的车也只好这样,堵车区域中所有的车辆都处于这样的状况,如果司机都想要摆脱堵塞,能够移动,那么他们必须同时行动。

可是,司机们做不到,因为每一个司机都在等待前面一辆车移动。当你处在这么一场拥堵之中,你也不会向前移动――根本没有空间让你这么做。之所以没有空间,是因为首先,你根本就不知道前面发生了什么情况而自然地向前,另外,你急于想要将车向前开动,因而尽量想要与前面的车靠得近点。每个人都这么想,所以就造成了没一个人能开动。于是这场堵塞就像海浪一样,由靠近事故车辆的地方开始,从前到后地扩散,新驶来的车也只能堵塞在后面。每辆车都是如此,这一小会儿时间被多次累积,如果后面驶来的车数量多于前方开走的车,堵塞就会继续。

事故是已经解决了,但拥堵依旧存在,这已经不仅仅是一场交通堵塞,它是由汽车造成的冲击渡。想象一下水波吧,当我们扔一颗石子到水里,会溅起一圈又一圈的波纹,然后波纹扩散开来,不稳定的车流会导致车辆整体出现像爆炸波一样的波形一前方车辆密度缓慢减小,后方车辆密度平稳上升,这种波不会减弱,而是以恒定的速率传播。如果把道路比作血管的话,交通堵塞就像是一颗在移动的血栓。

它会影响多长时间?

麻省理工学院的数学家们建立了一个数学模型来模拟“幽灵式堵车”,他们认为这是一种不断重复的孤渡,“关于这类交通拥堵的数学和描述爆炸声波的方程非常相似。”麻省理工的Aslan Kasimov说,当然这也类似于流体力学的方程。

拥堵在公路上自发的形成,如果不考虑道路容量赶不上汽车数量的问题,从非线性动力学的角度讲,这是一种突发现象。

在前方事故得到解决以后,这场堵塞的交通拥堵波还要持续多久呢?它持续的时间视车流量的多少和被堵车的数量而定,有时候这场堵塞会持续好几个小时。当车流量减少时,拥堵很快就会消失,但如果大的车流量依旧持续,这场堵塞就不会停止。当后面的车辆越来越密集,而前方拥堵消散的速度又慢于后面车辆集中的速度时,即使只是一个小小的车流拥堵,最终都会变成一场大的堵塞。

车流稳定的临界点

Kasimov他们发现在“堵车波”中有一个临界点,将堵住的车流分成了上游部分和下游部分。他们在交通模型中找到了两个互相抗衡的作用:一方面,车流中有一种稳定性,对车辆的行驶有控制作用;另一方面,当车与车的距离太近的时候,司机就会重新审视自己与前面车辆的距离,进行调整,以求重新达到开始时的稳定状态。如果车辆密度高于一定值,不稳定作用就会大于稳定作用,一些小小的干扰就出现了,它便会诱发交通堵塞波。

“幽灵式堵车”在交通中的存在,让我们有必要进一步地了解它,这对模拟堵塞波以及预测公路堵塞临界密度值都是有利的。“堵车波”的发生与一些实际参数有关,比如道路的车容量、最高限速以及司机的个人行为。深入了解之后,我们或许能找到方法,当堵塞波来临时,改变道路状况的临界值,通过调节交通流量来消除“堵车波”的产生。

在麻省理工的研究中,研究者认为一旦堵塞形成,司机别无选择,只好等待它慢慢缓解。作为司机,我们只有相信“堵车波”会在经过自己之后,正在一点点地蔓延到后面去,而一会之后道路就会畅通,以此来保持一点乐观心态和良好的驾驶情绪吧。