Как быстрее выбраться из пробки? Ученые нашли ответ

Как известно, заторы отнимают у водителей время, топливо и терпение, усиливают загрязнение воздуха и создают огромную нагрузку на транспортную систему. Математик Ранда Херзалла из Уорикского университета (Великобритания) объяснила, почему попытки "проскочить быстрее" в пробке обычно не работают и что действительно позволяет сократить время в пути. Об этом пишет британское издание Independent. 

Люди привыкли думать, что у дорожного затора обязательно должна быть конкретная причина: авария, ремонт или перекрытая полоса. Но некоторые из самых изматывающих пробок возникают буквально из ничего. Их называют фантомными. Это волны резких торможений и новых разгонов, которые распространяются по потоку назад, хотя все машины едут вперед.

В 2008 году японские ученые провели наглядный эксперимент. Они попросили 22 водителей двигаться по круговой трассе с постоянной скоростью и сохранять безопасную дистанцию. На дороге не было ни препятствий, ни аварий. Однако уже через несколько минут небольшие и неизбежные различия в реакции водителей и силе торможения превратились в постоянную волну остановок и разгонов, которая начала двигаться по кругу.

Объяснение оказалось удивительно простым. Один водитель тормозит чуть сильнее, чем нужно. Следующий реагирует немного позже и давит на тормоз еще сильнее. Водитель за ним делает то же самое.

Так крошечное первоначальное возмущение постепенно нарастает и движется назад по потоку. В результате автомобилисты, находящиеся в сотнях метров от первого притормозившего водителя, вынуждены полностью остановиться. При этом никто уже не может понять, из-за чего вообще возникла пробка.

В 2018 году ученые повторили японский эксперимент с круговой трассой, но внесли одно важное изменение. Вместо одного из водителей за руль посадили беспилотный автомобиль, запрограммированный плавно разгоняться и тормозить.

Результат оказался неожиданным. Всего один такой автомобиль смог практически устранить волну постоянных торможений и разгонов по всему кругу. В итоге движение стало более плавным, а расход топлива снизился у всех участников эксперимента.

Математика дорожного движения

Вместо того чтобы отдельно описывать поведение каждого водителя, математики рассматривают транспорт как непрерывный поток. Для этого используются идеи гидродинамики: движение автомобилей анализируют примерно так же, как течение воды по трубе.

Одно из самых простых соотношений в теории транспортных потоков выглядит так: q = ρv. Здесь q обозначает интенсивность движения, то есть число автомобилей, проезжающих через определенную точку за час, ρ представляет плотность потока, то есть количество машин на дороге, а v является их средней скоростью.

Эта на первый взгляд простая формула объясняет явление, которое кажется нелогичным. Сначала увеличение числа машин действительно повышает интенсивность движения: по дороге проезжает больше автомобилей. Но когда машин становится слишком много, всем приходится сбрасывать скорость.

В какой-то момент падение скорости начинает перевешивать увеличение числа автомобилей, и общая пропускная способность дороги снижается. Иными словами, существует оптимальная плотность потока, при которой за час по дороге может проехать максимальное количество машин. После достижения этой границы каждый новый автомобиль лишь ухудшает ситуацию и увеличивает время поездки для всех.

Та же математика объясняет, почему постоянные перестроения редко приносят пользу.

Каждая смена полосы создает небольшое возмущение, на которое вынуждены реагировать окружающие водители. Когда так поступают многие, отдельные помехи накапливаются и повышают вероятность возникновения волны торможений. Поэтому решение, которое одному водителю кажется хитрым способом выиграть время, в итоге может замедлить весь поток.

• "Меньше разговоров": "Вейз" выкатил новую фичу, которая порадует опытных водителей

Что делать водителям?

Ранда Херзалла дает водителям три простых совета, эффективность которых подтверждается математическими расчетами. Если большинство автомобилистов начнет следовать этим правилам, пробок станет меньше, а время в дороге сократится.

1. Соблюдайте безопасную дистанцию.
2. Разгоняйтесь и тормозите плавно.
3. Не поддавайтесь соблазну постоянно перестраиваться из ряда в ряд.

Главный вывод исследования может показаться неожиданным: быстрее добраться до места помогает не агрессивная манера вождения, а спокойное и предсказуемое поведение каждого участника движения. Когда водители меньше мешают друг другу, весь транспортный поток начинает двигаться быстрее.