Ένα νέο μοντέλο εξομοίωσης των συνθηκών κυκλοφορίας στους αυτοκινητόδρομους

Από την ιστοσελίδα Physical Review Focus, Ιούνιος 2004

Ένα νέο υπολογιστικό μοντέλο για τη ροή κυκλοφορίας στους μεγάλους αυτοκινητοδρόμους, το οποίο λαμβάνει υπ' όψιν του τις προσδοκίες των οδηγών, αναπαράγει πιο ρεαλιστικά φαινόμενα κυκλοφορίας από όλα τα προηγούμενα. Αυτό ισχυρίζονται οι ερευνητές πουδημοσίευσαν τη σχετική εργασία στο τεύχος της 11ης Ιουνίου του περιοδικού Physical Review Letters. 

Το μοντέλο δίνει στους υποθετικούς οδηγούς την επιλογή της συντηρητικής οδήγησης ή της βέλτιστης επιτάχυνσης του οχήματός τους, ανάλογα με το τι νομίζουν ότι θα κάνει ο οδηγός του προπορευόμενου οχήματος. Τα προηγούμενα μοντέλα δεν λάμβαναν υπ' όψιν την ψυχολογία του οδηγού με τόσο άμεσο τρόπο. Το νέο μοντέλο θα βοηθήσει στην βελτίωση των προβλέψεων για πραγματικές συνθήκες οδήγησης, τις οποίες οι Γερμανοί οδηγοί συνήθως συμβουλεύονται πριν ξεκινήσουν το ταξίδι τους στους εθνικούς δρόμους. 

Καθώς τα κυκλοφοριακά δεδομένα αυξήθηκαν ραγδαία κατά τη δεκαετία του 1990, οι ερευνητές είδαν με έκπληξη ότι η κυκλοφορία έδειχνε τρεις φάσεις, που θύμιζαν τις φάσεις της ύλης: Τα αυτοκίνητα έτρεχαν ελεύθερα και γρήγορα, με μεγάλα κενά μεταξύ τους, σαν τα άτομα ενός αερίου, ή συνωστίζονταν σαν τα άτομα ενός στερεού. Μεταξύ των δύο αυτών καταστάσεων, σε μια κατάσταση που θύμιζε υγρό, "μια συγχρονισμένη φάση" όπου όλα τα αυτοκίνητα εξαναγκάζονταν να κινηθούν με την ίδια μέτρια ταχύτητα. 

Η στατιστική φυσική, η οποία περιγράφει την ύλη βασισμένη στη συμπεριφορά πολλών ανεξάρτητων ατόμων, έμοιαζε ένας καλός τρόπος για μοντελοποίηση της κυκλοφοριακής συμπεριφοράς. Το 1992 ο Michael Schreckenberg, του πανεπιστημίου του Duisberg-Essen στην Γερμανία και ο Kai Nagel, τώρα στο Ελβετικό ομοσπονδιακό ινστιτούτο τεχνολογίας της Ζυρίχης, μπόρεσαν να αναπαράγουν επιτυχώς μερικά κυκλοφοριακά δεδομένα, χρησιμοποιώντας έννοιες της στατιστικής φυσικής, σ' ένα μοντέλο που λέγεται "μοντέλο κυψελωτών αυτομάτων". Τέτοια μοντέλα αποτελούνται από σημεία πάνω σ' ένα πλέγμα, τα οποία αλλάζουν την κατάστασή τους βασιζόμενα στις ιδιότητες των γειτονικών τους σημείων. Στα μοντέλα κυκλοφορίας, τα σημεία παριστάνουν αυτοκίνητα. Οι ερευνητές έχουν φτιάξει μέχρι τώρα αρκετές παραλλαγές πάνω σ' αυτό το μοντέλο, αλλά οι πιο πολλές αναπαριστάνουν μόνο την ελεύθερη ροή και την συνωστισμένη φάση επακριβώς, ή περιλαμβάνουν μη ρεαλιστικές υποθέσεις όπως απείρως γρήγορο φρενάρισμα, λέει ο Schreckenberg. 

Ο Schreckenberg και οι συνεργάτες του πρόσθεσαν δύο νέα χαρακτηριστικά στη τελευταία έκδοσή τους για να την κάνουν πιο ρεαλιστική. Πρώτον, τα εξομοιωμένα αυτοκίνητα δεν μπορούν ν' αλλάζουν ταχύτητα στιγμιαία, το φρενάρισμά τους είναι βαθμιαίο. Δεύτερον, οι οδηγοί "υπεραντιδρούν" στις τοπικές συνθήκες του δρόμου. Αν το αυτοκίνητο μπροστά από έναν οδηγό, έχει κενό διάστημα για να επιταχύνει, ο οδηγός επιταχύνει, αν όχι ο οδηγός παραμένει σε μια μικρότερη ταχύτητα. "Αυτό είναι που κάνουν οι άνθρωποι και στην πραγματικότητα" εξηγεί ο Schreckenberg. 

Η ομάδα εξομοίωσε μια μεμονωμένη λωρίδα  δρόμου, η οποία έχει ένα φανάρι, και προοδευτικά αύξησαν την πυκνότητα των αυτοκινήτων. Με την αύξηση της πυκνότητας το μοντέλο αναπαρήγαγε και τις τρεις φάσεις πιο πιστά από τα προηγούμενα μοντέλα, σύμφωνα με τον Schreckenberg. Επίσης αναπαράχθηκε μια πειστική εκδοχή της μετάβασης από τη συγχρονισμένη ροή σε ένα αυξανόμενο μποτιλιάρισμα, ένα φαινόμενο που λέγεται "φαινόμενο στένωσης". Κατά το φαινόμενο αυτό, ομάδες αυτοκινήτων που εισέρχονται σε δρόμο με έντονη κυκλοφορία, γεννούν κύματα με ομάδες επιβραδυνόμενων ή και σταματημένων αυτοκινήτων, κατά μήκος του κύριου δρόμου. Αυτά τα κύματα διαδίδονται προς τα πίσω από την αρχική ομάδα που έχει σταματήσει, και μπορούν προοδευτικά να παραλύσουν όλη την κυκλοφορία στο δρόμο δημιουργώντας ένα μακρύ μποτιλιάρισμα. Και άλλα μοντέλα έχουν αναπαράγει αυτό το φαινόμενο, αλλά βασίζονταν σε τεχνητές υποθέσεις για τη συμπεριφορά του οδηγού που επιλέχτηκαν κυρίως γιατί έδιναν το αποτέλεσμα που επιζητείτο. Ο Schreckenberg πιστεύει ότι η συμπεριφορά υπεραντίδρασης των οδηγών, που εισήγαγε η ομάδα του, αντανακλά πιο ρεαλιστικά την ψυχολογία του οδηγού. Το αποτέλεσμα θα μπορούσε να βοηθήσει τους μηχανικούς να βελτιώσουν τις κυκλοφοριακές προβλέψεις και να βελτιώσουν επίσης τον έλεγχο επί των σηματοδοτών. 

Ο James Banks, ένας συγκοινωνιολόγος στο πολιτειακό πανεπιστήμιο του San Diego, υποδεικνύει ότι τα παλιότερα κυκλοφοριακά μοντέλα, -πριν από τα κυψελωτά αυτόματα - πιθανόν περιλάμβαναν τις αντιδράσεις των οδηγών με άλλο τρόπο, και έχει σημασία να τις περιλάβουμε και στα νεώτερα μοντέλα. "Είναι χρήσιμο ότι αρχίζουν με μια περιγραφή του οδηγού, αλλά μέχρι τώρα είναι πολύ απλοποιημένη". Η  Carroll Messer του πανεπιστημίου  A&M του Texas, λέει ότι το μοντέλο πρέπει να μας βοηθήσει να καταλάβουμε τις αιτίες των μποτιλιαρισμάτων.