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「世大智科/天才家居」-我們創業囉
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作者:徐業良(2016-09-11);推薦:徐業良(2016-09-11)
附註:本文發表於汽車購買指南雜誌,2016年十月號,史丹福專欄。

到底為什麼塞車?

女兒今年高中畢業,她選擇大學第一要件就是,要在台北上大學。於是我們第三次搬家回台北。

女兒九月初開學,我重新回到三年前桃園台北通車的日子。第一個星期的通勤經驗簡直是一場噩夢,本來10分鐘就可以從桃園的家開車到學校上班,現在每趟通勤都要開車一兩個鐘頭。

常常發現自己坐在車上生悶氣,到底為什麼塞車?!

您是不是也常有這種經驗,坐在十字路口大排長龍的車陣當中,遠方路口紅燈早已轉綠燈了,前面車龍卻一動也不動,好不容易前方車子開動了,綠燈卻已經轉回紅燈,您還是過不了這個路口

另外一種令駕駛人十分沮喪的塞車經驗是,在高速公路上開車,突然車流慢下來、甚至定點不動,您想一定是前方有事故或施工吧!耐著性子等候,車流總算又開始流動,慢慢走著走著,突然之間交通又順暢起來,沒有事故也沒有施工。

您像我一樣坐在車上悶到極點,到底為什麼塞車?!

我是機械系教授,不免要胡思亂想一些機械上的理論來解釋塞車的現象。塞車像是一種波的傳遞嗎?還是塞車像是水管水的流動呢?

在電腦上到處Google一下,研究交通運輸的學者還真的有這些波傳遞和流體力學的塞車理論呢!

前面提到紅燈轉綠燈的例子,您會不會有這種疑問,紅燈轉綠燈時,所有車子為什麼不能「同步」,大家一起向前開,不就能夠更快速通過路口?

問題在於,駕駛人開車時都一定要和前車維持一個安全距離。這個安全距離有多長,通常也和車速有關,所以安全「距離」反而是用秒數來當計算單位。通常來說駕駛人會和前車維持1.5秒到2秒的安全距離,這裡為了方便計算起見,假設所有駕駛人的安全距離都是整數2秒鐘。

停在路口等紅燈時,車子和車子之間距離很短,常常甚至是“bumper to bumper”前保險桿碰後保險桿,安全距離幾乎是零。因此紅燈轉綠燈後,假設第一部車立即向前開,第二部車要等大約2秒鐘,前車拉開距離後才會開動;再等2秒、也就是4秒鐘之後,第三部車才會開動,依此類推。因此假設十字路口綠燈維持60秒,而您是排在遙遠的後方第31部車,輪到您開始啟動時,綠燈已經轉成紅燈了。

您如果可以從旁觀察這個過程,會發現十字路口綠燈啟動的現象就像是一個「波」,從第一部車依序向後,每隔2秒傳遞給下一部車。當然真實駕駛人反應不會那麼規律,所以這個綠燈啟動「波」的傳遞也有可能忽快忽慢。

場景從十字路口轉到高速公路。高速公路為什麼塞車?大部分塞車的原因其實就是車多而已,車流超過了「飽和車流量」。

還是假設所有駕駛人的安全距離都是2秒鐘,車流量「飽和」的狀況就是每一部車的間隔都是剛好2秒鐘。想像您站在高速公路旁的定點,車流量飽和時每2秒鐘就有一部車通過您的面前。換算一下一個車道1分鐘飽和車流量是30部車,1小時飽和車流量是1,800部車。

飽和車流的狀況下,如果所有車子一直維持在相同定速下行駛,大家始終保持著2秒鐘安全距離,也就相安無事,一路順暢;假設車流當中有一部車突然煞車降低車速,與後車原本2秒鐘的車間距離縮短,然後再加速至原速度前進,這時第二部車也得將速度慢下來,恢復到與前車2秒鐘安全距離後,才能再以原速度前進;第三部車也得降低車速,恢復與前車2秒鐘安全距離後,再以原速度前進;接著第四部車、第五部車把這個速度減緩的「波」依序向後傳遞。

這個「波」傳遞的現象可不是理論而已,2008年日本名古屋大學的研究者真的做了一個實車實驗,您在網路上Google “shockwave traffic jam”就可以找到這段實驗影片。實驗中集合了23部汽車同在一個圓形跑道上,以30公里時速定速繞圈圈行駛。開始時車流顯得十分順暢,突然間有部車慢下來,引發了這個「波」,一部一部車依序向後傳遞。如果依照前面的敘述,前車車速減緩下來時,後車同步減速,前車加速時後車也同步加速,每部車之間仍然一直保持著固定的安全距離,這個「波」對整體交通的影響可能也不大。然而真實狀況車輛之間很難做到「同步」,名古屋大學這段實驗影片中另外一個有趣的觀察是,前車車速減緩下來時,第二部車駕駛人通常需要一些反應時間才踩下煞車,因此得做更大幅的減速,第三部車駕駛人又需要一些反應時間,煞車減速又更劇烈,以此類推。這個實驗影片中,一部車輕微減速,嚴重的時候甚至造成整個車隊完全停下來。

高速公路車陣中如果有一部車任意超車、減速、變換車道,便可能引發這個「波」,甚至造成後方塞車。下次您在高速公路開車,如果原本順順地交通突然之間慢下來,莫名其妙地開始塞車,過一會兒又莫名其妙地恢復順暢,很可能不是事故或施工,而是一兩公里前方有部不安分的車子擾動原本平順的車流,一路傳遞影響到您。

另一個讓車流減緩的原因,就是更多車輛加入已經飽和的車流。假設飽和車流下所有車子都乖乖維持2秒鐘的行車間距,這時如果多一部車插進車流,與前後方車子距離縮短為1秒鐘。為了讓這三部車拉開、恢復成為2秒鐘的行車間距,後方所有車輛都得放慢速度,被耽誤2秒鐘;如果前方有10部車插進來,後方車輛就會被耽誤20秒鐘。如果前方車流每2秒鐘多插進來一部車,後方車輛每2秒鐘後就又被多耽誤2秒鐘,一直沒有機會向前走,就造成定點塞車了。

高速公路上這種「前方車流每2秒鐘多插進來一部車」造成定點塞車的狀況,常發生在交流道入口處不斷有車輛上來匯入主線道,或是交流道出口下不去,排隊車輛占用一個車道;或者高速公路車道數縮減,被縮減車道的車輛得要匯入其他車道。我每天早上上班經過國道三號南下34公里,新店交流道車輛匯入,加上碧潭交流道車輛縮減,幾乎一定會定點;下班經過國道三號北上中和交流道,車流總下不去、經常占用到兩個車道,四線道變成兩線道,也一定塞車。

這裡就得討論一下塞車的流體理論。想像車流是一種特別的液體,高速公路是一條水管,特別的地方是水是「不可壓縮」的流體,容量1000cc的水管最多就只能容納1000cc的水車流則是「可壓縮」的,和氣流比較像。車流順暢時就像水在水管裡快速地流動;不斷有車輛匯入或者車道縮減時,車輛的密度變高,車流變成濃稠的液體,像是瓶子裡很難倒出來的番茄醬,流動速度緩慢。

舉例來說,假設高速公路飽和車流的狀況,每部車都以108公里時速(每秒30公尺)行駛,間距2秒鐘代表每部車間距60公尺(包含車身長度),1公里的道路只能容納16.7部車。如果車輛數加倍,每部車間距30公尺,時速就降低為一半54公里;超級塞車的狀況,1公里的道路擠了100部車,每部車間距10公尺(包含車身長度),時速就剩下原先六分之一18公里(每秒5公尺)了。然而不管流動速度快還是慢,順暢的水流還是番茄醬,流出瓶口的車流量是固定的,每車道每2秒鐘有一部車脫離塞車區。

脫離塞車區的感覺很神奇,高速公路上似乎有一條看不見的線,只要超過那條線,塞車便突然紓解,您又可以自由加速向前。不管道路有多塞,規律還是每2秒鐘會有一部車超越那條脫離塞車區的線,不多也不少。

這個「兩秒鐘定律」有個小小用處,如果您看到高速公路上的動態標示顯示,「國道三號南下31~34公里壅塞」(我幾乎每天早上都看到),快速計算一下,3公里的車陣,依照塞車程度估計一個車道每公里有100部車(10公尺一部車),也就是在您車道前方的塞車區共有300部車。每2秒鐘有一部車脫離塞車區,您要花600秒或10分鐘左右才能脫離這3公里塞車區。

OK,很高興知道倒底為什麼塞車,但是好像也沒甚麼用處。自己唯一能做的就是上班時間越來越早,下班時間越來越晚,每次上路前一定先Google路況,好避開尖峰時間的車流。

解決交通壅塞的問題,許多人對自動駕駛汽車技術寄予厚望,除了可以讓通勤族更輕鬆一些之外,自動駕駛汽車不會任意加速、減速、變換車道,一群自動駕駛車在高速公路上行駛,也能和前後車輛做最好的協調,甚至同步動作,將高速公路做最有效的利用,塞車的可能減到最低。

不過我明天還是得一早自己開車去上班