מודלים המבוססים על התעבות גז לנוזל ועל תנועת נמלים ילמדו אותנו למנוע פקקי תנועה

פקקים הם חלק בלתי נפרד מחיי תושבי ערים ברחבי העולם, והדבר לא פוסח על הישראלים – מדי יום, נהגים בישראל מכלים כ-700 אלף שעות בעמידה בפקקים. לעובדה זו יש השלכות כלכליות כבדות, והמשק הישראלי מאבד כ-25-35 מיליארד ש"ח בשנה כתוצאה מהעומס בכבישים. לכאורה, הסיבה לפקקים ברורה: צפיפות גבוהה של כלי רכב, מעבר ליכולת הקיבול של הכבישים. ובכל זאת, קיים מחקר ענף העוסק בפקקים, כיצד הם נוצרים ובאילו תנאים. חוקרים בתחום, שזכה לכינוי "פקקולוגיה" (Jamology), נעזרים במודלים פיזיקליים ומתמטיים כדי לדמות ולחקור את האופן שבו אלפי כלי רכב נעים בכביש, ולתאר את דפוסי התנהגותם הייחודיים.

באחד המחקרים האלו, חוקרים מיפן רצו לרדת לשורשה של תופעה המכונה "פקקי פנטום", פקקים הנוצרים בכבישים מהירים בבחינת יש מאין, כלומר ללא סיבה ברורה כמו תאונה או עבודות בכביש. החוקרים ערכו ניסוי שבו הורו לנהגים לנסוע במסלול מעגלי במהירות קבועה, ותיצפתו על המתרחש. כאשר העומס במסלול הניסוי עבר גבול מסוים, האטות אקראיות של כלי רכב הובילו להיווצרות פקקים. ההאטה הראשונית נבעה בדרך כלל מהיסח הדעת של הנהג או ממעבר נתיבים; באופן כללי, הגורם להאטות הוא ההתנהגות האנושית, המאופיינת בתגובה איטית ובחוסר עקביות. ההאטה הראשונית גרמה להאטה של כלי רכב נוספים, שנסעו מאחורי הרכב הראשון. יתרה מזו: כלי רכב אלה האטו עוד יותר מכלי הרכב הראשון שהאט. האפקט המצטבר גרם להיווצרות פקק, וזה התפשט לאחור, כמו גל, מנקודת ההאטה הראשונית, הרבה אחרי האירוע המקורי.

ברור שפקקים והאטות קשורים בצורה הדוקה למספר כלי הרכב שעל הכביש, אך חוקרים שערכו תצפיות באוטוסטרדות הבחינו בדפוס מעניין. בעומס נמוך כלי רכב נוסעים במהירות גבוהה שאינה תלויה בעומס כלי הרכב על הכביש, ואילו כאשר צפיפות כלי הרכב עולה, מהירות הנסיעה יורדת מאוד, עד כדי פקק. התצפיות העלו שקיים סף קריטי ברור מאוד וקבוע של צפיפות כלי רכב על הכביש, שמעבר לו מהירות הנסיעה צונחת בבת אחת. תופעה זו מזכירה מעבר חד בין שני מצבי צבירה, כמו הפיכה של גז בלחץ מסוים לנוזל, תהליך הנקרא מעבר פאזה. משום כך, חוקרים בתחום נוהגים ליצור מודלים של תנועת כלי רכב בעזרת תיאוריות מקובלות בחקר הפיזיקה של נוזלים, כשהם משווים את התנועה בכביש לאדי מים, ואת כלי הרכב למולקולות. תחילה, בצפיפות כלי רכב נמוכה, התנועה זורמת בקלות ובמהירות, כמו זרימתם של אדים. ואילו כאשר הצפיפות עולה מעל לנקודה קריטית מסוימת, מתרחש "עיבוי" והתנועה עוברת להזדחל כמו נוזל.

לך אל הנמלה חוקר

שיעור חשוב בדפוסי ההתנהגות של תנועת כלי רכב למדו החוקרים ממקום בלתי-צפוי – חקר תנועה של נמלים. תנועה בכבישים ומושבות נמלים הן שתי מערכות המאופיינות בהתנהגות המכונה התהוות (emergence). זוהי תכונה של מערכות המורכבות ממספר רב מאוד של רכיבים בסיסיים בעלי התנהגות פשוטה, שהתנהגותם הקיבוצית יוצרת דפוסים מורכבים בעלי סדר מפתיע.

נמלים נעות אל יעדיהן בטורים מסודרים, בדומה לזרימת כלי רכב על הכביש, אך הן אינן נתקעות בפקקים. ההבדל נעוץ במבנה החברתי של מושבת הנמלים, השונה ממבנה החברה האנושית; הבדל זה בא לידי ביטוי בהתנהגותה של כל נמלה ובאינטראקציה שלה עם נמלים סמוכות. חוקרים מאוניברסיטת פרינסטון בארצות הברית הראו כי נמלי גדוד, הנפוצות ביערות טרופיים, יוצרות נתיבי תנועה מסודרים בדרכן מהקן אל מקור מזון ובחזרה. נמלים הנעות אל מקור המזון מפנות את הדרך לנמלים שחוזרות לקן עם מטען כבד על גבן, כך שנוצרים שלושה נתיבי תנועה – שני נתיבי הלוך בשוליים, ונתיב אחד בחזרה לקן במרכז. כאשר נוצר עומס, הנמלים מאיטות את קצב תנועתן באופן קיבוצי, אך שומרות על תנועה מתמדת.

ההתנהגות של הנמלים נובעת ממאפיינים שהתפתחו בתהליך אבולוציוני והובילו למבנה חברתי שיתופי שמכתיב התנהגות קיבוצית יעילה, שמשתנה מזן נמלים אחד לשני. אמנם האדם מאופיין ביכולות קוגניטיביות אישיות מפותחות, אך המאפיינים של נמלי הגדוד הבודדות מקנים לקן אינטליגנציה קיבוצית, בזכותה נמלי הגדוד נעים באופן טבעי בטורים בסדר מופתי. לו שיירת רכבים הייתה מתנהגת כנמלי גדוד, גם בשעות העומס היה ניתן לשמר על זרימה מתמדת של תנועה בקצב איטי. אך אופי התנהגות של הפרט, של כל רכב על הכביש, מוביל לתופעות אחרות - בפרט, היווצרות של פקקי פנטום. אם כן, כתופעת התהוות, דפוסי התנועה בכביש נובעים מהאופן שבו מתנהג פרט בודד במערכת, כפי שזרימת נוזל תלויה בתכונות המולקולות שמהן הוא מורכב. כדי לשפר את זרימת התנועה ולמנוע תופעות כמו "פקקי פנטום", יש לשנות את האופן שבו שבו אנשים נוהגים. ואולם, אופי האדם לא ישתנה בקלות ובלאו הכי ישנן מגבלות טבעיות – לדוגמה, מהירות התגובה על אירוע בכביש, כמו בלימת רכב מלפנים.

נמלים צועדות בטור | Shutterstock
המאפיינים של כל נמלה מעניקים לקן אינטליגנציה קיבוצית. נמלים צועדות בטור | Shutterstock

אך יש תקווה, שכן מהפכת הרכבים האוטונומיים המתממשת ובאה תשנה מהיסוד את האופן שבו מתנהג הרכב הבודד, ובכך תשנה את האופן שבו כלי רכב נעים על הכביש. ראשית, כלי רכב אוטונומיים יגיבו על אירועים באופן מהיר יותר ויהיו בעלי התנהגות עקבית וצפויה. כאשר זרם התנועה יהיה מורכב מכלי רכב אוטונומיים, תהיה אפשרות לנהל אותו בצורה חכמה בעזרת מערכות המנטרות את מצב הכבישים, כמו Waze ואפליקציות ניווט אחרות. לחלופין, יש המציעים לייצר מערכת מבוזרת שתתנהל ביעילות ובחוכמה ללא צורך במנגנון ניהול מרוכז, בדומה להתנהלות מושבת נמלים. על ידי הגדרת תכונות מתאימות ומנגנוני תקשורת בין כלי רכב סמוכים, נוכל לבנות מערכת תחבורה יעילה ללא צורך בניהול מרוכז, אלא על בסיס מה שמכונה אינטליגנציית הנחיל (swarm intelligence). על פי עיקרון זה, כלי רכב בכביש יעבירו ביניהם מידע על המתרחש סביב, וכך יקבל כל כלי רכב את המידע הדרוש כדי לנהוג בצורה שתאפשר זרימה יעילה של התנועה. אם כן, מהפכת הנהיגה האוטונומית המתקרבת בצעדי ענק עשויה להקל את העומס על ידי שיתוף מידע, הבנה מעמיקה של תכונות מערכת התנועה, ואולי אף בעזרת השראה מנחילי נמלים.

 

0 תגובות