Работа посвящена анализу эмпирических данных автотранспортных потоков, собранных на линейном участке Лефортовского туннеля 3-го автотранспортного кольца Москвы в 2004—2005 гг.
Проведенный анализ дает очень сложную структуру фундаментальной диаграммы, которая рассматривается как распределение состояний транспортного потока и строится фазовое пространство (k, v, q) путем разбиения на ячейки [1 (%) х 1 (км/ч) х 0,01 (авт./с)] и записи числа состояний в каждой из этих ячеек.
С помощью анализа трех проекций этого трехмерного распределения и его различных срезов удалось обнаружить четыре возможных состояния трафика: свободный поток, легкая синхронизированная мода, тяжелая синхронизированная мода и затор. Оказалось, что свободный поток и тяжелая синхронизированная мода имеют подструктуру, а легкая синхронизированная мода и состояние затора являются бесструктурными.
Свободный поток иногда может разделяться на три ветви, связанные с типом транспортных средств, движущихся с разной средней скоростью: грузовики, легковые автомобили и высокоскоростные легковые автомобили. Эти три ветви существуют, пока занятость меньше, чем определенное критическое значение k < kc1 ≈ 3 % — это четко видно на проекции на плоскость {q, v}. С ростом занятости появляется легкая синхронизованность движения, что характеризуется бесструктурной областью широкорассеянных состояний. При дальнейшем росте занятости, когда kc2 ≈ 31 %, фаза тяжелого синхронизированного трафика сменяет предыдущее фазовое состояние. Этот переход сопровождается некоторым прыжком в значении средней скорости.
На проекциях на плоскости {kq}, {kv} и {vq} кажется, что широко рассеянные состояния равномерно распределены внутри определенной области, однако соответствующие срезы фундаментальной диаграммы демонстрируют существование подструктур у данного фазового состояния, которые снова включают в себя, по крайней мере, три различные ветви.
Проведенный анализ показал, что данные ветви могут быть связаны с различной длиной транспортных средств. Фаза затора, как и следовало ожидать, может быть объяснена определенной взаимосвязью значений потока q, средней скорости v и занятости k, в частности, это можно записать в виде некой функции v = v(k).
Несмотря на сложную структуру фундаментальной диаграммы и существование четырех различных фазовых состояний, распределение обнаруженных состояний, по сути, бимодально. Один из максимумов находится в начале области легко синхронизованной моды, в то время как другой максимум лежит в области перехода между двумя фазами синхронизованного движения.
Показано, что наблюдаемая динамика перегруженных автотранспортных потоков в данном туннеле действительно демонстрирует кооперативные явления в движении автомобилей, а именно, на фундаментальных диаграммах имеется область широкорассеянных состояний, что является типичной особенностью синхронизированного движения автомобилей. Кроме того, пространственные автокорреляции скорости автомобилей и занятости полос движения существенны, и для перегруженного потока автомобилей эти величины коррелируют на расстояниях порядка 1 км.
Изучен динамический портрет системы в фазовой плоскости “занятость—скорость” ({kv}). Продемонстрировано существование двух областей, где свойства динамики системы заметно различаются. Одна из них фактически совпадает с областью кооперативного движения автомобилей и содержит некоторое ядро, где динамика является чисто хаотической. Важно, что обнаруженное поле регулярного дрейфа системы за пределами этой области не меняет своего направления, когда пересекает ее. Последнее свойство является подтверждением гипотезы о существовании динамических ловушек в перегруженных потоках автомобилей и их роли в формировании континуума долгоживущих состояний в фазе кооперативного движения автомобилей. Другая часть фазовой плоскости соответствует необратимому состоянию образования пробки.
Эти две области разделены относительно узким переходным слоем, расположенным в окрестности k = 35 %, что подтверждает модель формирования затора как фазового перехода первого рода в результате “разрушения” состояния кооперативного движения автомобилей.
