Wat veroorzaakt verkeersopstoppingen? De fysica achter u moet weten

VERKEER "EXPERIMENTEN" EN EEN GENEZING VOOR GOLVEN &JAMS

Mijn eerste 'experiment'

Er was eens, jaren geleden, tijdens de spits in Seattle door een aantal stop/go-verkeersgolven op de I-520. Ik besloot iets te proberen. Op een dag dat ik meteen de gebruikelijke "golven" van stilstaand verkeer begon te raken, besloot ik langzaam te rijden. In plaats van herhaaldelijk met alle anderen vooruit te rennen, alleen om tot stilstand te komen, besloot ik te proberen met de gemiddelde snelheid van het verkeer te rijden. Ik liet een enorme opening voor me opengaan en timede dingen zodat ik bij de volgende "stopgolf" arriveerde, net toen de laatste rode remlichten voor me uit gingen. Het voelde zeker raar om die enorme lege ruimte voor me te hebben, maar ik wist dat ik niet langzamer reed dan wie dan ook. Soms raakte ik het precies goed en hoefde ik de remmen helemaal niet aan te raken, maar soms was ik te snel of te langzaam. Er waren veel "golven" die avond, en dit gaf me veel kansen om mijn vaardigheden te verbeteren terwijl ik reed.

Ik hield dit misschien een half uur vol toen ik de stad naderde. Ten slotte keek ik toevallig in mijn achteruitkijkspiegel. Er was een interessant gezicht.

Het was schemerig, de koplampen waren aan en ik ging een lange heuvel af naar de bruggen. Ik had uitzicht op kilometers snelweg achter me. Op de andere rijstrook zag ik misschien vijf van de stopgolven voor het verkeer. Maar in de rijstrook achter mij, kilometers ver, TOTAAL UNIFORME DISTRIBUTIE. Ik had het me niet gerealiseerd, maar door met de gemiddelde snelheid te rijden, had mijn auto verkeersgolven "opgevreten". Iedereen voor me zat vast in de stop/go-cyclus, terwijl iedereen achter me gedwongen werd om met een mooie soepele 35 MPH of zo te gaan. Mijn enige kleine auto had kilometers aan stop-and-go-verkeer gewist. Slechts één enkel "smeermiddelatoom" had een diepgaand effect op de turbulente deeltjesstroom in de "buis".

Het is altijd een goed idee om te rijden zonder van snelheid te veranderen en zonder te concurreren met andere coureurs om een ​​stukje vooruitgang. Maar ik was er altijd van uitgegaan dat de redenen filosofisch waren in plaats van praktisch (d.w.z. probeer een kalm, aardig persoon te zijn). Maar mijn bovenstaande ervaring laat iets anders zien. Als een enkele bestuurder stopt met 'concurreren' en in plaats daarvan een aantal ongewone rijgewoonten aanneemt, kan hij een deel van de frustrerende verkeerspatronen op een snelweg wegvagen. Die "aardige" niet-competitieve bestuurder kan verkeersgolven wissen. Ik vermoed dat het tegenovergestelde ook waar is:normaal concurrentiegedrag CREERT de verkeersgolven.

Stel dat we constant vooruit duwen, van rijstrook wisselen om wat voorsprong te nemen en altijd onze voorwaartse ruimte elimineren om te voorkomen dat andere bestuurders ons "afsnijden". Als er kleine verkeersgolven verschijnen, rennen we vooruit en remmen dan hard, waardoor we grotere golven achter ons laten. Herhaalde actie zorgt ervoor dat de golven groeien. Ironisch dat de boze mensen die zo snel mogelijk rijden ongewild kunnen deelnemen aan het 'versterken' van de golven die ze zo haten.

MEER EXPERIMENTEN

Ik pendel zelden op 520 waar de goede verkeersgolven verschijnen. Ik begon kansen te missen om ze te annuleren. Ik realiseerde me echter al snel dat hetzelfde proces ook voor kleine files kon worden gebruikt. Verkeersgolven zijn gewoon een reeks kleine files met gelijke afstanden.

Elke kleine jam wordt vernietigd wanneer een grote lege ruimte hem van achteren nadert. Als er geen nieuwe auto's van achteren in de file komen, maar wel auto's van voren, dan eroderen de files weg. Als de opstopping klein genoeg is, of als de lege ruimte groot genoeg is, kan de opstopping volledig worden vernietigd door een enkele auto, zoals ik had gedaan met verkeersgolven.

Nu herinner ik me iets van jaren verder terug. Bij het verlaten van een van die "rubbernecker-vertragingen", probeerde ik altijd als een gek te versnellen. Ik dacht dat als iedereen dit zou doen, de vertraging zou verdwijnen. Toch deed dit weinig goed, want de auto voor mij wilde niet accelereren. Ik kon de auto's voor me niet dwingen gas te geven, dus ik kon niets doen om de "verdamping" van de verkeersopstopping te helpen.

Aha! Ik kan de mensen achter me controleren door te vertragen, maar ik kan de mensen voor me niet controleren door te versnellen. Daarom kan ik een kleine verkeersopstopping vernietigen door lang voordat ik hem nadert te vertragen, maar ik kan niets doen om de "verdamping" aan de andere kant van de file te helpen. Versnellen uit de file doet niets tenzij IEDEREEN hetzelfde zou doen, en er is geen manier om ieders gedrag te veranderen.

Maar slechts één enkele auto, als hij vertraagt ​​tijdens het naderen, kan het gedrag van iedereen erachter veranderen. Het kan een stuk uit het gebied van stilstaand verkeer bijten. Als die bestuurder geleidelijk wat lege ruimte opbouwt voordat hij de vertraging tegenkomt, kan de vertraging worden "opgegeten" net zoals de verkeersgolven werden "opgegeten".

Op mijn avondrit op de I-5 in zuidelijke richting van Everett, is er altijd een verkeersopstopping op de rechterbaan bij een van de afritten van Lynnwood. Dicht opeengepakte auto's moeten heel lang met 2 mph voortkruipen. Daarom naderde ik opzettelijk die file in de rechterrijstrook en begon een ECHT enorme lege ruimte voor me open te laten. Tegen de tijd dat ik de file raakte, lag er misschien 1000 voet lege weg voor me.

En ja hoor, mijn grote lege ruimte zorgde ervoor dat het verkeer het niet van achteren kon voeden, terwijl de voorkant van de jam zoals gewoonlijk bleef oplossen. Tegen de tijd dat ik aankwam, was de jam ongeveer half zo groot als hij was geweest. Geweldig. Dit was geen kleine verkeersgolf, maar slechts een enkele bestuurder kon er een grote hap uit nemen.

Het is duidelijk dat mijn acties meer hebben gedaan dan alleen de grootte van de jam verminderen. Om de lege ruimte te creëren, reed ik tijdelijk zo'n 10 mph onder de snelheid van het zware verkeer. Ik deed dit enkele minuten en daardoor veroorzaakte ik een lichte vertraging achter me.

Nadat ik bij de jam aankwam, was de jam kleiner. Toen alles was gezegd en gedaan, was een deel van de verkeersopstopping verholpen. Het werd echter veranderd in een lichte vertraging en het werd achterwaarts stroomopwaarts verspreid over meerdere kilometers verkeer. In plaats van 80 km/u te rijden om een ​​paar minuten door een file te kruipen, reed iedereen nu een paar minuten voor de file een paar minuten met 65 km/u, maar had toen een veel kleinere file te verduren.

Het vervelende, frustrerende deel van de 2 mph jam werd veranderd in een groot "vaag" gebied met verminderde snelheid. Als ik het goed had gedaan, had ik de hele file kunnen wissen en het kunnen transformeren in vele minuten licht langzaam rijden voor iedereen achter me. (Als ik 30 mijl stroomopwaarts van de file had kunnen starten, had ik misschien maar 5 mph langzamer moeten rijden dan het verkeer.)

“Anti-verkeer”

Hier is een algemeen principe dat ik uit het bovenstaande neem. (Ik denk dat het achteraf duidelijk is!) ANTITRAFFIC VERNIETIGT HET VERKEER. Lege ruimtes kunnen een verkeersopstopping veroorzaken. Terwijl ik een beetje langzamer ging rijden om een ​​ruimte voor me te laten openen, creëerde ik een puls van "antiverkeer".

Toen mijn antitraffic-pulse uiteindelijk in botsing kwam met het dichte "verkeer" van de jam, vernietigden de twee elkaar als een positron dat een elektron ontmoette. Het is niet-lineaire solitonfysica. De solitongolven vernietigen elkaar en laten slechts een kleine vlek achter.

Mijn volgende gedachte:als ik meerdere vrienden mee had genomen op mijn experiment, hadden we onze auto's over vele kilometers kunnen uitspreiden. Ieder van ons had een grote hoeveelheid anti-verkeer kunnen laten verschijnen, en dan hadden de opeenvolgende effecten van het anti-verkeer de verkeersopstopping bij de Lynnwood-uitgang volledig kunnen wissen.

Als er weinig verkeer is, kunnen we geen grote ruimte voor ons houden, omdat auto's gemakkelijk een ietwat trage bestuurder kunnen passeren. Maar een aantal afzonderlijke chauffeurs zou kleinere ruimtes met zich mee kunnen nemen, en elke file zou bezwijken voor het spervuur ​​​​van "antiverkeer".

Nog een les die ik heb geleerd:plan vooruit. Plan VEEL vooruit. Toen ik vast kwam te zitten in files, ontdekte ik dat ik ze niet kan beïnvloeden door "uit te pellen" nadat ik me een weg door de file had gebaand. Ik hoopte dat het uiteinde van de jam sneller zou oplossen.

Het werkte nooit omdat ik de langzame man voor me niet kwijt kon. Maar als ik ver vooruit had gepland en een lege ruimte mee had genomen in de jam, zou ik die ruimte kunnen gebruiken om de jam te manipuleren. Als ik mezelf eenmaal ingepakt heb met alle anderen, kan ik niets meer doen. Om effect te hebben, moet ik me anders gedragen VOOR de jam, niet als ik erin vastzit.

Oeps! Verdomme!

Terwijl ik al het bovenstaande deed, betrapte ik mezelf er ooit op dat ik me normaal gedroeg en een enorme verkeersgolf creëerde. Wat een hypocriet! Slechte gewoonten sterven moeilijk.

Er was veel verkeer en ik zat op de linkerrijstrook. Ik moest over meerdere rijstroken invoegen om bij mijn afrit te komen. Ik fuseerde één keer goed, maar de volgende rijstrook was stevig ingepakt (maar in beweging, niet vastgelopen.) Niemand wilde me binnenlaten.

Ik heb een hele tijd zo gereden en ben toen redelijk langzaam gaan rijden om achteruit langs de baan te drijven. Ik vond een slot en stapte in, maar nu moest ik nog een keer goed samenvoegen. Vele minuten waren verstreken en mijn uitgang kwam eraan. De rechterrijstrook was stevig verpakt, NIEMAND LAAT MIJ IN. Ik reed langzamer en langzamer, en in paniek drong ik uiteindelijk een klein gat in, waardoor de man achter me op de rem ging staan.

Na een tijdje realiseerde ik me dat ik zojuist een enorme verkeersgolf had gecreëerd met mijn gedrag. Net als elke rubbernecker was ik plotseling veel langzamer gaan rijden. Maar ik had een excuus, ik moest naar mijn uitgang! Tot overmaat van ramp was ik bijna tot stilstand gekomen en had ik ook twee rijstroken bijna tot stilstand gebracht. Ik heb waarschijnlijk een langdurige verkeersgolf achtergelaten op die plek op de snelweg. Maar het was niet mijn schuld! Ja, suuuure.

Toen ik hierover aan het stoeien was, realiseerde ik me dat IEDEREEN ditzelfde probleem heeft:een onvermogen om in te voegen in druk verkeer. Anderen deden waarschijnlijk hetzelfde als ik, en dit zou de "golf" erger en erger maken. De simpele remedie is om op te geven, niet samen te voegen, en de uitgang te missen. Ik had de kwestie niet moeten forceren, ik had mijn exit voorbij moeten laten gaan. Maar er is hier een groter probleem. Mensen MOETEN kunnen fuseren.

Waarom was het verkeer zo dicht opeengepakt? Een voor de hand liggende reden:om de idioten te straffen die in een kleine ruimte springen. Dat had ik zelf ook altijd gedaan. Ik sta nooit toe dat er een ruimte voor me verschijnt of een andere bestuurder zal deze onmiddellijk vullen in hun zoektocht om een ​​paar voet vooruitgang te boeken. Maar dit soort rijden zou ook de noodzakelijke samenvoegingen op afritten voorkomen (en natuurlijk ook op opritten). Door de ruimte voor mij te elimineren, word ik onderdeel van de ondoordringbare muur die de "golven" creëert en de verkeer op snelweghellingen.

Dus als ik een paar autolengtes ruimte voor me houd, kan ik het niet alleen gebruiken om golven en files te verdampen, maar het elimineert ook een van de belangrijkste oorzaken van golven en files. Het elimineert de "vaste muur" van verkeer in samenvoeggebieden en laat mensen samenvoegen zonder te vertragen en verkeersgolven te creëren. Bekijk deze animatie.

Idealiter werkt een samenvoeggebied als tandwieltanden. Maar als iedereen zich verdedigt tegen opportunistische rijders door alle gaten in het verkeer weg te werken, dan kunnen de geldige fusies ook niet plaatsvinden. Er ontstaat een verkeersopstopping. Soms is de storing de schuld van mensen zoals ik die in paniek raken als ze hun uitgang missen en volledig tot stilstand komen.

Soms is de storing te wijten aan de enorme knipperende pijl die tijdens de bouw een hele rijstrook blokkeert. Maar de file is ALTIJD de schuld van degenen die weigeren iemand voor zich in te laten voegen. "Smelt gewoon achter me in." Nee, dat werkt niet, aangezien iedereen in de hele baan hetzelfde zegt!

Grootsheidswaan

Seattle heeft last van veel aparte spitsfiles. Why stop with the Lynnwood I-5 jam? With enough people (maybe with cellphones and GPS units), we could intentionally smooth out ALL the traffic jams on all the main Seattle highways!

This is all fantasy at this point. It’s probably illegal for several people to “conspire” to mess with traffic patterns (would we be arrested under a drag-racing law?) And while it is possible for a single driver to have huge effects on traffic patterns, some things can’t be done by a few people.

For example, suppose I want to eat the I-5 traffic jam south of the city. I would have to go all the way to Tacoma, then drive north. But if I tried driving slightly slow, a space would not open up ahead of me because nothing stops other drivers from passing me. In my experiments, I could make “antitraffic” spaces only because traffic was very heavy, and because only a very few people had the ambition to leave their lane and move into the empty space.

Rolling barriers made of State Troopers

OK, so here’s how to dissolve a major interstate traffic jam. Start many miles upstream from the jam. Put a row of State Trooper vehicles across the road and have them drive towards the jam. They drive perhaps at 55 or 50 rather than 70 as everyone else had been driving.

Nobody can get by them, and so all the traffic behind the State Troopers is moving at 55 or so. In front of them, a vast space opens up. After many minutes, the traffic which had been feeding into the traffic jam simply stops arriving. The jam trickles away. Just as the last of it is gone, the row of State troopers arrives, and the jam has been transformed into miles and miles of slightly slow traffic upstream from the old location of the jam.

The situation is not so simple if extra traffic is entering from numerous on-ramps. The “rolling barrier” can’t affect these extra inputs, and if the major portion of the traffic is from on-ramps, then the “rolling barrier” idea would be worthless. Ah, but what about “rubbernecker slowdowns”? A rolling barrier could let the slowdown evaporate, and change it into a wide area of slightly-slow traffic a few miles upstream from the accident.

Would the slowdown re-form? Would rubberneckers hit the brakes and re-create the “traffic standing wave”? I don’t know. Sometimes “rubbernecker slowdowns” persist for hours after the accident has been cleared. This suggests that the slowdown is self-perpetuating. If so, then “erasing” the slowdown might be worthwhile, because once it’s erased, it will only re-form very slowly (or not at all).

If the slowdown normally persists for several hours, yet it only takes half of an hour to erase it, why not erase it? True, the slowdown is not “gone,” since it has become a wide area of slightly slow traffic. However, over many months of slowdown-erasure, this could prevent lots of fender-benders and road-rage incidents, and eliminate thousands of man-years of anger and frustration.

Also, the average speed and traffic throughput on the highway MIGHT actually improve if the region of stopped traffic could be removed. “Removing” the jam just spreads it out and does not immediately alter the average speed.

But the resulting improvements in speed might be more than you’d expect. After all, things are not “linear” in traffic flow, since those who sit at 0 mph for many minutes in a jam cannot compensate by driving at twice the speed limit afterwards. And once a jam is gone, the remaining region of slightly-slowed traffic might disperse fairly rapidly, whereas a traffic jam/stoppage is a different animal and can self-perpetuate once it has formed. And there’s another thing that happens when we spread out a “jam”…

MAKING A REAL DIFFERENCE

During a year of practicing the “wave-smoothing” driving habits, I kept looking for places where I could make a big difference in traffic flow. Yes, I could always use an empty space to move a piece of the traffic jam to another location. With a big empty space, I could even spread the cars apart as I moved them, the way I did it with the jammed sections in the “traffic wave.” Finally, I saw that there was one common situation where I could do some real good.

If you drive in heavy highway traffic, you’ve probably seen a traffic wave develop at a construction site where one lane is blocked. You crawl and crawl at 3 mph until you get to the bottleneck, then you take your turn merging as the two lanes slooooowly come together. Then you race off at 60 mph! The merging lanes formed a terrible bottleneck. A “traffic wave” develops at (and behind) the merge zone. After the bottleneck, it’s clear sailing.

Why?

WHY must a bottleneck develop at a merge zone? Well, because everyone must take turns. Wrong! Under low-traffic conditions, everyone still takes turns, yet everyone merges at high speed. A bottleneck never appears.

Traffic jams develop at a merge zone whenever the cars get so close together that there are no gaps between them. Without gaps, nobody can merge, and so the traffic comes to a near halt. But whenever traffic comes to a near halt, people always pack themselves together.

Huh. This is screwy. At the place where the lanes merge together, close-packed cars cause the bottleneck, but the bottleneck is the cause of the close-packed cars. But, but… do traffic jams CAUSE THEMSELVES? After thinking about this even more, I realized that the answer is yes. It goes like this:

• Traffic is going slow
• Everyone packs together and closes up the gaps
• Fast merging becomes impossible
• Incoming cars create a huge back-up
• Cars must slooooowly take turns merging
• This makes traffic go slow
• Go back to the top of the loop.

This is absolutely fascinating, since this self-caused situation has a counterpart:

No. 2

• Traffic flows along rapidly
• Nobody closes the gaps (they follow the 2-second rule?)
• Merging is easy
• Streams of traffic flow together like a zipper
• This allows traffic to go fast
• Go back to the top of the loop.

At a merge zone, fast traffic causes traffic to be fast, while slow traffic causes a jam. Weird! The difference between these two situations is enormous, yet EITHER ONE can arise on the exact same highway under the exact same amount of traffic.

In the first one, the speed might be 2 mph, while in the second one it could be 40 mph. And here’s the important part:because the situations create themselves once they are established, they can sometimes switch from one to the other. Or somebody can switch them intentionally.

Suppose the traffic at a merge zone was flowing fast as in number 2 above. Suppose I wanted to wreck everything. I could slow way down and make all the cars pack together behind me. This would keep the other lane from merging into the close-packed lane. Cars in the merge-lane would pile up too. Then I drive off laughing evilly, because I have just caused a MASSIVE LONG-TERM TRAFFIC JAM!

Or, I could do the opposite. Suppose everything is jammed up at the merge zone. Suppose I accumulate a huge space ahead of me and bring it into the jam. When the huge space gets there, the other lane can suddenly change lanes, spread out, and start flowing fast.

Next, I speed up and merge with it, and so do the cars behind me. The “zipper-like” flow has begun. The switch has flipped. I have just ERASED a long-term bottleneck. As they say in Seattle, pretty cool, eh?