驾驶背后的物理学你了解吗?( 二 )



驾驶背后的物理学你了解吗?

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为了更好地刻画这些「反常」的情况 , 科学家们进行了许多实验 , 并对许多真实的交通数据中进行了统计 。 统计数据表明 , 当车辆密度很低时 , 通常无论如何交通都不会发生堵塞 , 而当汽车的密度达到 0.2 附近时 , 就有可能有可能堵塞 , 但也有可能在高密度区出现各车保持速度相近的「亚稳态」;随着车辆密度的进一步提高 , 这些亚稳态也无法继续维持 , 进而无法出现稳定的车流 , 交通堵塞出现 , 车流量降低到 0 。 这一结果与前面的平均场解有相似的定性趋势 , 但显然其中有更多的其它因素 。 如果需要对真实世界的交通流进行建模 , 我们还需要更多的数据 , 从这些数据中去找到真正造成交通堵塞的一些因素 。 除了收费站、信号灯、交通事故等因素之外 , 还有许多具体情况造成的速度突变也可能对交通流产生重大的影响:例如转弯 , 因为转弯的同时就伴随着减速;又例如为方便隧道排水而设计的非平直隧道也会导致堵车 。 这些速度突变在交通流的问题中可能导致堵塞 , 而如果是在拥挤的行人中出现 , 那还会伴随着巨大的直接相互作用 , 这种巨大的压力有可能造成非常严重的后果 。

(3)速度的涨落:司机骂人的物理学基础

综上所述 , 如果不考虑各种心理因素 , 仅从物理的角度来看 , 之所以司机朋友喜欢大骂其他驾驶者 , 通常是因为其他司机的一些行为(尤其是车速的涨落)与自己的期待不符 , 而这些涨落的大小很可能对车流的总量是非常相关的 。 如果没有限速区段(如收费站等) , 只要所有的汽车保持相近的速度 , 即使各车道上挤满了车辆 , 仍然有可能保持较高的交通流量 , 但此时的交通流并不是稳定的 , 很可能会因为其他司机速度上的变化而导致交通流发生突变 , 变成堵塞态 。 因此 , 或许司机朋友们的愤怒并非完全没有道理 。 更具体的说 , 司机朋友之所以讨厌比自己开得快的人 , 一方面是因为某种被超过的「被压迫感」 , 另一方面则是因为 , 如果公路上存在高速驾驶的司机 , 其他司机可能会因此调高对这条路平均驾驶速度的心理预期 , 从而导致我们自己变成其他司机眼中的慢车司机 , 这显然是司机朋友自己不能忍受的侮辱 。 而慢车司机对交通流的影响则更是一个显而易见的问题 。 当前方出现速度太慢的车辆 , 后面的车要么需要变道超过它 , 要么就可能会撞上前面的车 , 此外 , 我们很有可能会把在下一个十字路口不能及时趁信号灯变红前通过全部怪罪于他 。 除此之外 , 因为汽车的加速和减速都需要一定的时间 , 如果没有发生堵车 , 后面的车辆只需要稍稍自己调节一下车速 , 整条公路还不至于发生交通拥堵 , 而一旦某处车速降到 0 , 这时情况就会发生重大的变化——因为汽车的启动也需要一定的时间 。 从公路上的静止点开始 , 在公路上会出现流体力学中常见的「激波」 , 一次堵塞就出现了 , 这时假如马上把堵塞点的车辆移除 , 系统仍然需要耗费一定的时间才能重新回到通畅的状态 , 通常车流越长 , 交通恢复的时间也会越长 。

【驾驶背后的物理学你了解吗?】从上面的分析中我们已经看到了交通流问题中的复杂性 , 如果希望对实际生活中的交通流进行模拟 , 即使只考虑单车道 , 我们也会需要设定:(1)汽车到达公路的随机过程;(2)减速、加速等过程所花费的时间;(3)驾驶者的速度偏好(或分布)等等 。 如果考虑多车道问题或者十字路口、交通环岛等 , 情况可能会变得更加复杂 。 不过 , 近年来随着 GPS 定位、高分辨的图像分析、传感器和大数据等技术的发展 , 在交通问题的分析上 , 工程师们已经积累了越来越多的定量经验 , 相信在未来 , 随着停车场的增多和更合理的道路规划 , 各大城市的交通问题会有所改善 。

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