Теория образования пробок на дорогах

16.08.2013

Теория пробок

  

Пробки, рядность, скорость


 Список мер по предотвращению транспортного коллапса, предлагаемый в Москве, в последнее время пополнился новыми пунктами. Кроме масштабного строительства и дежурного расширения проезжей части появились планы по смене конфигурации развязок, ревизии зазря перегороженных улиц и дифференциации дорог по скоростному режиму. Насколько могут быть эффективны некоторые из подобных нововведений по отдельности и вкупе?

Чужой опыт


 Полностью от пробок освободиться не удалось еще ни в одном мегаполисе мира. Крупные российские города не выбиваются из общей картины. Разница состоит только в том, что проблема у нас жестче, чем в большинстве крупных городов, и столкнулись мы с ней лет эдак на сорок с лишним позже стран с развитой автомобилизацией. И вроде бы идущим вслед должно быть проще, но в вопросах организации движения это правило не всегда работает. Виновата в этом многочисленность особенностей каждого города. Да и сколь-нибудь универсальной теории возникновения, длительности жизни и масштабности автомобильных заторов так и не появилось, хотя исследования в этой области ведутся не одно десятилетие – как на уровне имитационного моделирования, обработки статистики, так и в области моделирования математического. Но несмотря на то что ни одна из концепций не описывает полную картину, некоторые их базисные элементы помогают эффективнее работать автомобилям в городе.


Шире – лучше?


Российский типичный подход к решению транспортных бед выглядит довольно логично – добавить полос движения и разрешить ездить быстрее. Суть ясна: за счет рядности и скорости увеличить пропускную способность дороги, дабы вывести из части города как можно больше автомобилей за короткое время. Так делали и делают, естественно, и в других странах. Вот только и там и здесь самые жестокие заторы случаются, как правило, именно на этих городских «хайвэях».
Представление хитросплетений улиц и магистралей в виде большого водопровода в качестве модели не способно уменьшить степень затруднений дорожного движения. В транспортном потоке маршруты участников движения известны только им самим (причем не всегда). Этим сеть городских дорог коренным образом разнится с водопроводом. Ведь в отличие от одинаковости молекул, слепо подчиняющихся физическим явлениям, и непринципиальности условия, какая из них пройдет по тому или иному маршруту, автомобилисты выбирают направление и темп своей поездки самостоятельно. Расчет степени влияния на пропускную способность участка дороги с увеличившимся количеством полос и возросшей максимально допустимой скоростью дает соответствующие реальности результаты до тех пор, пока машины занимают не более 22% от его длины (так называемое «связанное» движение). А вялотекущая пробка в стиле «stop-and-go», по классификации Национального исследовательского центра в Лос-Аламосе, возникает уже при 35-процентной насыщенности. Принцип построения дороги, хорошо справляющийся с потоком на загородных трассах, в условиях города не работает. В городе причин возникновения заторов множество, но две из них можно выделить как наиболее острые уже сейчас.
Чем больше полос движения, тем больше перестроений совершается на единицу длины дороги. Натурные исследования, проводившиеся в Штатах еще в 70-х годах, показали, что если трехполосная дорога не справляется с количеством машин, то ее расширение не даст такого же адекватного облегчения ситуации, нежели прокладка неподалеку еще одной трассы с частично схожим направлением. Другое дело, что сложившаяся застройка крайне затрудняет прокладку новых трасс. Вторая же причина, при которой проблемы всех «тонких мест» лишь обостряются, – возросший скоростной предел.


Быстрее?


Скорость! Максимальные ее значения имеют какое-то магическое воздействие на умы автомобилистов. В таблице технических характеристик она присутствует обязательно и часто воспринимается как аргумент качеств модели, хотя большинство никогда даже не попробуют так разогнаться. Во-первых, негде, а во-вторых, многим просто незачем. Ну а цифры в красных окружностях, расставленные вдоль дорог, по степени вызываемого неприятия порой кажутся равнозначными ограничению прав и свобод личности. Поэтому весть о повышении скоростного лимита на той или иной дороге абсолютное большинство автомобилистов встречает с воодушевлением.
Но как ни парадоксально это звучит, с ростом скорости пропускная способность дороги может уменьшиться. Причина – увеличение динамического габарита автомобилей. Чем выше скорость, тем больше дистанция между транспортными средствами в одной полосе, выше необходимость более широких полос движения, большая дистанция совершения маневра перестроения, выше разница в скорости между потоком и отдельным автомобилем, совершающим маневр к съезду или от заезда. Помимо чисто физических причин рост динамического габарита зависит и от человеческого фактора. Согласно исследованиям норвежских ученых, например, при 40 км/ч водитель сохраняет 100-процентный обзор относительно его же видения ситуации вокруг стоящей машины, а при скорости 130 км/ч человек за рулем не замечает уже 70% происходящего на дороге. График зависимости пропускной способности городской магистрали от скорости, составленный французскими специалистами на основе статистики, показывает, что максимальная эффективность достигается при 60 км/ч. Дальнейшее увеличение скорости ведет к снижению количества проезжающих машин в единицу времени, причем падение это почти симметрично относительно пика. То есть при 80 км/ч дорога пропустит столько же автомобилей, сколько и при 40 км/ч. Так есть ли смысл жечь больше топлива?

Динамическая ловушка


 Кроме того, при увеличении скоростного потолка пробки развиваются стремительнее. Переход от свободного движения (загруженность длины участка полосы не более 15%) к стадии stop-and-go происходит практически минуя стадию связанного движения. Когда плотность автомобилей еще позволяет им двигаться с максимальной разрешенной высокой скоростью, неудачное перестроение или слишком резкое торможение одного автомобиля может вызвать цепную реакцию у окружающих его других транспортных средств. Возникает волнообразное явление замедления машин сразу в нескольких соседствующих рядах. На широкой дороге, где одновременно перестраиваются по несколько машин на небольшом отрезке пути (в том числе и на скрещивающихся траекториях), обстановка становится критической. Скорость потока скачкообразно падает, а к месту уплотнения стремительно приближаются все новые и новые участники. Естественно, чем выше скорость прибывающих, тем больше их будет вовлечено в скором времени в затор и сильнее динамика развития волны, причем эта волна еще и довольно устойчива. Она продвигается вверх по «течению» дороги, захватывая все большее количество рядов. И даже когда причина замедления будет устранена, затруднение все еще продолжает существовать, продвинувшись навстречу движению на несколько километров.
Подобное явление называют динамической ловушкой. Вовлеченный в эту волновую систему транспорт, то разгоняясь, то тормозя, имеет среднюю скорость ниже по сравнению с медленно, но равномерно перемещающимся потоком такой же насыщенности. Чем быстрее изначально двигался поток, тем масштабней становятся ловушки. Этим и объясняется тот факт, что часто крайний левый ряд в пробке движется медленнее остальных. При этом легкость возникновения такой фазы движения не идет ни в какое сравнение с тяжестью и длительностью выхода из нее. Предотвращать или хотя бы оттягивать появление заторных волн можно, только снизив скорость потока до оптимальной на данный момент загруженности дороги. Только сидя за рулем такой оптимум невозможно определить – нет ориентиров. Исходя из чего водитель выбирает скорость? Конечно же из условий состояния окружающей обстановки. Но что видно через лобовое стекло? Метров пятьсот, километр, ну, полтора вперед. И это на свободных улицах. О том, что творится дальше, он знает мало, в лучшем случае. Навигация? Она информирует только о наличии и отсутствии затруднений, во всяком случае пока. Процессы же, вызывающие возникновение пробок, начинаются гораздо раньше визуально ощутимых проблем в движении, и повышенный лимит скорости – предпосылка для будущего коллапса. Простая дифференциация дорог по скоростному режиму, основанная на классификации конструкции дороги (как, собственно, и делается сейчас), не снизит вероятность заторов. Бороться с динамическими ловушками может только гибкое регулирование скоростного потолка извне. Правда, организационно такая задача трудновыполнима. Чисто технических вопросов не так много. По крайней мере, определить методику смены оптимального скоростного режима можно с помощью «научного тыка» и статистики. Но вот человеческий фактор… к знакам, рекомендующим скорость, водители относятся с гораздо меньшим пиететом, чем к запрещающим. Да и всегда найдется немало тех, кто «умнее других»…
 
 
 
www.v-fizika.com - Курсы экстремального вождения в Санкт-Петербурге и Киеве 

Назад

Заказать обратный звонок

Офис работает в будние дни с 11 до 19.
Как только мы увидим Ваш запрос, сразу перезвоним!