מדעי הגודש בדרכים

הגודש בדרכים הוא לא רק מטרד, הוא נושא למחקר מדעי.

גודש בדרכים הוא בדרך כלל ביטוי של עודף תנועה על קיבולת כבישים וצמתים מוגבלת. לגודש גורמים שונים ובהם צווארי בקבוק בנקודות תורפה, למשל, באזורי מיזוג או פיצול תנועה, או באזורים בהם מספר הנתיבים על ציר תנועה פוחת. גודש מתרחש גם כתוצאה מגורמים אקראיים כמו תאונות דרכים, כלי רכב שנעצר עקב תקלה, נהגים איטיים, או נהגים סקרניים המאיטים את מהירות הנסיעה כתוצאה מגירוי מסוים.

סברה שהגודש בדרכים הוא תופעה שאינה ניתנת להקלה אינה נכונה. באוניברסיטת טקסס בארצות הברית נערך שנים רבות מחקר הבודק את הגודש על כבישי ארצות הברית ובדרך כלל מצביע על החמרת הגודש כתוצאה מהגדלת הנסועה. יחד עם זאת, חוקרים זיהו שבשנת 1965 נעו על נתיב טיפוסי בארצות הברית כ- 1,800 כלי רכב בשעה, ואילו כיום נעים כ – 2,400 כלי רכב לשעה. שיפור הזרימה על הנתיבים מוסבר כתוצאה של שיפור תשתיות, שיפור כלי הרכב ושיפור מיומנות הנהיגה.

בעיית הגודש על עורקי תחבורה מחמירה במקומות רבים בעולם, מעכבת נוסעים רבים, ומפחיתה מהיעילות של משאבי הדרך המיועדים לתנועה. מהנדסי תנועה מנסים למצוא דרכי ייעול יצירתיות שונות כדי להעלות את העומס על קיבולת הכבישים הקיימים מבלי להפחית את המהירות ואת רמת השירות שהכבישים מספקים. מי שמזדחל באיטיות על כבישים גדושים או נע בגלים של עצירה וזחילה אינו יכול לתלות יהבו בכך שמדענים מתחומים שונים מגלים עניין בנושא, אך הוא יכול להתנחם בכך שמודעות לנושא בקרב אנשי מדע והנדסה מצליחה להפחית במקצת מחומרת הבעיה. כדי להתמודד עם בעיית הגודש מבלי להרחיב קיבולת נעשה שימוש בכלים שונים כמו שיפור התחבורה הציבורית, הטלת אגרות גודש במטרה לווסת את שעות השימוש בכבישים או להניע נוסעים מלעשות בהם שימוש, או הבחנה בין תנועת כלי רכב קלים לכלי רכב כבדים. בנוסף לכך מפותחים אמצעים המנסים לשפר את זרימת התנועה על ידי הבנת הסיבות לגודש ואופן היווצרותו.

תצפיות אחר התרחשות גודש תנועה גילו דפוסים וצורות אופייניות כמו תנועה גלית, התפשטות של גלי גודש או סוגי התגבשות תנועה אופייניים. חוקרים מסווגים את גודש התנועה בהגדרות ודימויים שונים. מצבי תנועה שונים מדומים למצבי צבירה של חומרים – מצב של זרימת תנועה חופשית מדומה לגז או אדים, זרימה במרחקים בטוחים מדומה לנוזל, התגבשות של גודש מדומה לקריש ומצב של פקק תנועה שאינה נעה מדומה למצב צבירה מוצק. מצבי הגודש מסווגים אף הם בהתאם לתנאי הזרימה האופייניים, צפיפות כלי הרכב, מהירות הזרימה, וגליות התנועה. קיים גודש שבו מסה של תנועה נעה בקצב אחיד ואיטי, קיימים מצבי האטה מוגברים, מצבים של האטה מלווה בעצירות תכופות – האטה ועצירה, מצבים של עצירות המלוות בהתקדמות איטית – עצירה ונסיעה, או מצבים של עמידה במקום.

פעמים רבות הגודש מפגין תנועה גלית הנעה לאחור במעלה זרם התנועה, כאשר לאורך גל הגודש מאפייני תנועה שונים. במקומות מסוימים ניתן לזהות מוקדים של צברי תנועה, במקומות אחרים מסה אחידה הנעה בקצב מתואם במהירות דומה וללא סטייה מנתיבים, ואילו באזורים אחרים של גל הגודש מאפיינים אחרים.

מודלים תיאורטיים

זמינותם של מחשבים מספקת כלי מחקר נגישים וחדשים לביצוע חישובים מהירים ומורכבים החוזרים על עצמם, או מזינים את עצמם, ואלו גרמו לפיתוח מודלים מתמטיים חדשים בענפי המדע השונים. חלק מהמודלים המתמטיים התפתחו לענף חישוב חדש. מודלים אלו, שפותחו בתחומים שונים, מפרים זה את זה ומשליכים גם על הניסיונות לחקור ולהבין טוב יותר את הגודש בדרכים. במסגרת חקר הנושא נעשה שימוש במודלים מתמטיים שפותחו למטרות אחרות בניסיונות להקיש מהם על מנת להבין את בעיית הגודש ולנסות לפתור אותה. המחשבים מספקים אמצעי הדמיה חזותיים למודלים מתמטיים וסטטיסטיים שונים, ומספקים אפשרויות להזין נתוני גודש המועברים מהשטח בזמן אמת ולהצליב או להשוות אותם עם מודלים תיאורטיים. מדענים, מכוני מחקר ומהנדסי תנועה, מפרסמים מודלים שונים של תנועה, קריסת זרימה ותנאי גודש שונים, כשהם חמושים במחשבים ובמודלים מגוונים העוברים התאמות כדי ליישם אותם בתחום של זרימת תנועה. מודלים אלו מבוססים על שיטות שונות, ובהן מערכות “מרובות סוכנים” עצמאיים. במערכות “מרובות סוכנים” כל כלי רכב בודד מדומה על ידי תא נתונים עצמאי, כאשר “הסוכן” הבודד פועל לפי מערכת של כללים בסיסיים ופשוטים יחסית, ובהם כללים לקיום היזון הדדי עם סביבתו ועם ה-“הסוכנים” שסביבו. תנועת “הסוכנים” המצטברת יוצרת, על בסיס סטטיסטי מציאותי, מבנים מלאכותיים. מודלים אלו מסוגלים לדמות אין סוף תרחישים ולחזות התפתחויות עתידיות בהתנהגות “הסוכנים” ויצירת דפוסים אופייניים של מבנים.

חקר הגודש בדרכים השאיל מודלים מתחומי מדע שונים:

פיזיקה – פיזיקאים חוקרים תופעות שונות של זרימת נוזלים או גזים, על בסיס זיהוי משתני זרימה פיזיקליים, ובהם מהירות ממוצעת, לחץ, או צפיפות חלקיקים, והכללת המשתנים בנוסחאות מתמטיות. מחקרים שונים ניסו לעשות שימוש במודלים הפיזיקליים לדימוי תנועת כלי רכב על ציר גדוש. מודלים אחרים השתמשו בהתנהגות של זרימת חומרים מגורענים, כמו גרגירי חול או מלח. מודלים אלו הצביעו על הבעיות המיוחדות של זרימת גרגירים בגדלים שונים, ומהם השליכו על זרימה מעורבת של כלי רכב בגדלים שונים ובעלי כושר תמרון שונה. נעשו אנלוגיות מתנועה של גרגירי חול שחלקו היה יבש וחלקו לח, כאשר הגרגירים הלחים נטו להתגבש, או מזרימה של גרגירי חול יבש שבנקודות מסוימות עובר שינוי צורה פתאומי כמו מפולת.

כימיה – כימאים פיתחו מודלים הממחישים זרימה של גאז המשנה מצב צבירה לנוזל, או נוזל המשנה את מצבו למוצק. מודלים אלו הושאלו כדי להמחיש כיצד זרימת כלי רכב יכולה באופן ספונטני ומפתיע להתגבש ולהאט את מהירותה, בדומה לתהליך המתרחש כאשר נוזל, או חלקים ממנו, הופכים למוצק.

ביולוגיה – אחד המודלים המקובלים מדמה מושבות של בעלי חיים כמו נמלים או דבורים, בהם כל יצור הוא “סוכן” או תא בודד הפועל לפי מספר כללים פשוטים. המודלים מנסים להנחות את הסוכנים הבודדים לנוע לפי כללים אלו על מסלול אחיד ולבדוק את התגובות המצטברות של זרימה זו. הסתבר כי התקבצות מורכבת של יחידות רבות יוצרת ארגון של דפוסים מיוחדים, שחלקם עשוי לדמות התנהגות בתנאי גודש תנועה.

ביולוגיה ודמוגרפיה – בענפי הביולוגיה והדמוגרפיה פותחו מודלים המדמים כיצד יצורים חיים מקיימים מחזוריות בה הם מתרבים עד למצב של התפוצצות אוכלוסין הגורמת לדילול אוכלוסייה, ומנקודת איזון מסוימת מתחילים בגידול חוזר. גם מודלים אלה הושאלו לחקר הגודש בדרכים שהשווה למצב של התפוצצות אוכלוסין.

פיננסים – בתחום הפיננסים נעשה שימוש במודלים מתמטיים שונים כדי לנסות לחזות מאפייני התנהגות של ניירות ערך, המציגים תנודתיות, וקריסות. אחד המודלים הצביע על כך שפעמים רבות לפני קריסה של מניה קיימת תנודתיות קצרת טווח. מודלים מסוג זה הושאלו על ידי מהנדסי תנועה, אשר הוכיחו כי לפני קריסת זרימה של תנועה על ציר נתון ויצירת פקק תנועה, קיים מצב של גליות ותנודתיות, ואפילו שיפור מסוים בטיב התנועה שהוגדר כ- “ירידה לצורך עלייה.”

השאלה המעניינת היא האם יש קשר בין מודלים השוואתיים תיאורטיים מתחומים אחרים לתחום התנועה בדרכים? התנועה בדרכים שונה באופן מהותי מתנועת גרגירי חול, זרימת נוזלים או צעדת נמלים משום שמעורבים בה גורמים אנושיים מורכבים שאינם פועלים על בסיס כללים פשוטים ובסיסיים. גודש תנועה יכול להתרחש כתוצאה מתאונה אקראית, אך גם כתוצאה מתופעות לוואי כמו סקרנות נהגים או נסיעה איטית של נהג מסוים או קבוצה של נהגים בעלי מגבלות או מיומנות נהיגה נמוכות. כדי לתקן מגבלה זו, בחלק מהמחקרים הוספו לנוסחאות ולמודלים התיאורטיים ביטויים של גורמים אנושים על בסיס סטטיסטי או אקראי. תרומתם של המודלים השונים להבנת גודש התנועה ומאפייניו הייתה לעיתים תפיסתית או סמנטית בכך שהקלה על תפיסת הבעיות על ידי השוואה או דימוי למשבצות מוחשיות מוכרות.

מתיאוריות לפתרונות מעשיים

חוקרי גודש התנועה מאמינים כי הבנת ממצאים ותופעות תקל עליהם להבין את הדינמיקה של התנועה ולמצוא פתרונות שיצליחו “ליישר” את גלי הגודש בדרכים, או לשפר את זרימת התנועה, וכך להפיק את המיטב מהכבישים הקיימים. קיימת הנחה כי זיהוי נקודות קריסה או שבר בזרימה יאפשר שימוש באסטרטגיות שונות המקדימות תרופה למכה ולמנוע מצבי גודש לא רצויים.

מערכות בקרת תנועה הן מערכות הכוללות איסוף נתונים מכבישים ורשתות תחבורה, עיבוד המידע והעברת הוראות או פקודות בתגובה למידע המעובד. במדינת ישראל קיימות מערכות בקרת תנועה מפותחות יחסית לכביש “חוצה ישראל” ול – “נתיבי איילון”. איסוף הנתונים נערך באמצעות מצלמות המוצבות לצד הכבישים, ובפרט בנקודות אסטרטגיות כמו נקודות כניסה ויציאה ומוקדים המועדים לגודש, או חיישנים הטמונים בכביש. הנתונים הנאספים משודרים מהשטח למרכזי בקרה, שם הם מרוכזים על צגים המציגים תמונות מהשטח ולתוכנות המעבדות את הנתונים ומציגים אותם גם באופן מספרי וגרפי. אנשי הבקרה מסוגלים להגיב לבעיות ולהעביר מידע והוראות לשטח. מידע נשלח לשלטים המפיצים מידע המתריע בפני אלו העומדים להיכנס לדרכים הגדושות, לרשת האינטרנט, או לכלי רכב המצוידים במקלטים המקבלים את המידע. הוראות ניתנות לרמזורים הקובעים את קצב ההזנה לכבישים הגדושים, קצב התנועה על הכבישים וקצב פינוי התנועה ממנו. בכביש 6 ניתן להעביר הוראות לרכבי סיור הנעים לאורך הכביש ומסוגלים לסייע בטיפול בתקלות המעכבות תנועה כמו טיפול בתאונת דרכים, או חילוץ רכב תקוע. המודלים המתמטיים הנמצאים במרכזי בקרת תנועה מסוגלים לערוך תחזיות תנועה על ידי שילוב התחזיות עם נתונים המגיעים מהשטח, למטרות ניתוח והמלצות על דרכי פעולה.

ויסות ובקרת כניסה  – בכוחם של רמזורים לווסת תנועה המבקשת להשתלב בעורק תנועה ראשי. לפי תוצאות ניסוי שהושלם לאחרונה על “נתיבי איילון” נטען כי בכוחן של רמפות כניסה המווסתות כניסה של כלי רכב לנתיבים גדושים לשפר את הזרימה על הנתיבים.

שינויים גיאומטריים – לפעמים טיפול בצוואר בקבוק על דרך מהירה אינו מחייב הרחבה משמעותית או הוספת נתיבים לדרך, אלא שינוי גיאומטרי, כמו הסטת נתיב משתלב או נתיב יציאה, הפרדה ביניהם, הרחקת נקודות השתלבות מנקודות יציאה, או שינוי זוויות ושיפור שדה ראייה. אחת מצורות תכנון הדרכים שהתגלו כיעילות בשיכוך גודש היא החלפת צמתים בעלי רמזורים בכיכרות בעלות קוטר רחב, השומרות על זרימת תנועה רציפה ללא האטה משמעותית בכל הכיוונים ותכנון המאפשר פינוי מהיר של הכיכר לזרימת תנועה רצופה.

פינוי מהיר של חסמים – תאונות דרכים, כלי רכב שנעצרו באמצע או בצד הדרך עקב תקלה מכנית, או נהגים  סקרנים המגיבים להתרחשויות יוצאות דופן, הם בין הגורמים האקראיים לגודש בדרכים. פינוי מהיר של חסמים אלה עשוי לחסוך את מחיר הגודש. בכביש “חוצה ישראל” מופעל מערך של רכבי שירות המסיירים לאורך הכביש ונמצאים בקשר מתמיד עם מרכז הבקרה. רכבי השירות נועדו לספק פתרון מהיר של תקלות, פינוי מכשולים כמו כלי רכב שנתקעו על הציר או בצד הדרך או פינוי מטען שנשמט ממשאית, זיהוי תקלות בכביש, או מתן עזרה ראשונה במקרה של תאונות. מלבד השירות שמספקים כלי הרכב הייעודיים למשתמשי הדרך, ההשקעה ברכבי הסיור עשויה להחזיר את עצמה על ידי שיפור יעילות הזרימה על הכביש ומניעה או הקלה על מצבי גודש.

הפצת מידע – חוקרים מאמינים כי בעזרת המודלים התיאורטיים שהם מפתחים בנוגע להתפתחות תנאי גודש תנועה ניתן לחזות בטווחים קצרים התפתחות כזו על בסיס איסוף תנאים מהשטח, ולהתריע מראש בפני נהגים המתכוונים לעבור בכביש שהתנועה עליו עומדת לקרוס.

סיכומו של דבר, הטיפול בבעיית הגודש טרם מוצה. על ידי הבנת הסיבות לגודש בדרכים ואימוץ אמצעים ושיטות זולות יחסית ניתן לסחוט קיבולת תנועה נוספת מהנתיבים הקיימים.

http://www.sciencenews.org/pages/sn_arc99/7_3_99/bob1.htm

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *