驾车旅行中最晦涩的现象之一是突然出现幻影交通拥堵。 我们大多数人都遇到过这种情况：您前面的汽车突然减速，导致您刹车，这迫使驾驶员在您后面减速。 但是不久之后，您和您周围的汽车将再次加速至原始速度，很明显，道路上没有明显的障碍，也没有明显的减速原因。
由于机芯可以迅速恢复其原始速度，因此幻像插头通常不会造成严重的延迟。 但是它们不仅是微不足道的令人讨厌的干扰。 这些都是事故的焦点，因为它们会导致意外的制动。 它们所导致的急动会损坏汽车，减少资源并增加油耗。
那到底是怎么回事？ 为了回答这个问题，数学家，物理学家和运输工程师已经开发出许多不同种类的交通方式。 例如，微观模型可计算单个汽车的路径，非常适合描述单个汽车的相互作用。 宏观模型以液体形式描述交通，其中的机器被解释为液体颗粒。 它们对于研究涉及许多汽车的大规模现象非常有效。 最后，蜂窝模型将道路划分为多个部分，并规定了汽车从一个蜂窝移动到另一个蜂窝的规则，从而创建了一种结构来描述实际道路交通中固有的不确定性。
为了开始理解幻影交通拥堵的形成原因，我们首先需要了解实际交通中存在的许多影响，这些影响可能会导致交通拥堵：不同类型的车辆和驾驶员，不可预测的行为，高速公路出入口，更改车道等。 可以假定这些效果的某种组合对于创建幻影插头是必需的。 学习数学模型的一大好处是，可以关闭理论分析或计算机仿真中的所有这些不同影响。 因此，我们可以创建一组沿单车道高速公路行驶而没有任何出口的相同可预测驾驶员。 换句话说，是回家的完美之路。
令人惊讶的是，当您关闭所有这些效果时，幻像插头仍然会出现！ 该观察结果告诉我们，幻影拥塞不是个别驾驶员的过错，而是道路上所有驾驶员的集体行为的结果。 它就是这样。 想象一下统一的运输流程：所有汽车均匀分布在高速公路上，并以相同的速度行驶。 在理想条件下，这种理想的交通将永远持续下去。 但是，实际上，该运动经常受到小的波动：沥青表面的瑕疵，发动机的小问题，几分之一秒的时间，驾驶员对此减弱了注意力，等等。 为了预测这种交通流的演变，必须回答一个重要的问题：所有这些小的波动都会被衰减还是放大？
如果它们衰减，则流量是稳定的，没有塞子。 但是，如果它们增加，则均匀流动变得不稳定，并且小的振荡会成长为倒退的波浪，称为“ jamiton”（jamiton，源于堵塞-堵塞）。 可以在现实中观察到这样的波，它们在各种类型的模型和计算机模拟中都非常明显，并且在精心控制的实验
中也被
重新创建 。
在宏观（流体动力学）模型中，每个驾驶员都被解释为交通流的流体粒子，可以随时观察自身周围的局部交通密度，并因此选择要保持的速度：如果附近没有汽车，则选择高车速;如果交通拥堵，则选择低速。 然后它加速或减速到该目标速度。 此外，他建议接下来要进行流量。 这种预测运动效果是通过“交通压力”建模的，该交通压力在许多方面的行为类似于实际流体中的压力。
交通模式的数学分析表明，这两种效应相互竞争。 在达到所需速度之前的延迟导致波动增加，并且交通压力减轻了波动。 如果预测效果占优势，则均匀流的状态是稳定的，并且这在低通量密度下发生。 延迟效应在高交通密度时占主导地位，这会导致不稳定并最终导致幻影交通拥堵。
从均匀流到占主导地位的流的过渡类似于水如何从液态流向气态。 在汽车流动中，当通量密度达到某个临界阈值时会发生此相变，在该临界阈值时，驾驶员的期望通过调整速度时的延迟效应得到平衡。 该阶段过渡最令人惊奇的方面是，机芯的性质发生了巨大变化，尽管单个驾驶员根本没有改变其行为。
Jamiton出现的视频。 从左到右的流动导致贾米顿从右到左的扩散。 垂直轴表示道路上汽车的密度。 从低密度到高密度（从高速到低速）的急剧转变是所有干扰弹的特征。因此，可以通过相变期间的行为来解释交通波（干扰素）的发生。 但是，为了了解如何防止幻像交通阻塞，还需要了解完全建立的Jamiton的结构细节。 在宏观交通模型中，jam弹是爆炸过程中在现实世界中发生的爆炸波的数学模拟。 所有Jamiton的局部区域都具有较高的交通密度和低速行驶。 从高速到低速的过渡非常陡峭，就像液体中的冲击波一样。 与冲击波碰撞的汽车被迫急剧制动。 罢工后，有一个“反应区”，驾驶员在该反应区中尝试再次加速到其原始速度。 最后，在幻像插头的末端，从驾驶员的角度来看，存在“通过声速的过渡线的角度”。
声波点过渡线点（sonic point transition line point）（声波点）的名称源于与爆炸波的类比。 在爆炸中，这是液体从超音速转变为亚音速的点。 这对于爆炸波和干扰波中的信息流都具有重要的影响。 过渡点创建的信息边界类似于黑洞的事件范围：下游的任何信息都不会影响过渡点另一侧的干扰。 因此，分散Jamiton相当困难-通过过渡点后，汽车就不会影响Jamiton。
因此，机器的性能必须在进入jamitton之前受到影响。 实现此目的的一种方法是汽车之间的无线通信，现代数学模型使我们能够开发合适的方法来使用
未来的
技术 。 例如，当汽车检测到突然制动的事件，然后立即加速时，它可以向行驶一英里后行驶的汽车广播“警戒警告”。 这些汽车的驾驶员至少可以为意外制动做好准备； 或者，也可以增加间隔以促进交通波的散射。
通过观察交通流的水动力模型获得的结果可以帮助解决现实世界中的许多其他问题。 例如，供应链表现出类似于交通拥堵的行为。 在天然气管道，信息网络和生物网络的流动中也可以观察到交通拥堵，爆发和波浪现象-所有这些都可以被视为流体流动的类似物。
除了幻像插头是数学研究的重要例子之外，它们可能也是一个有趣且可视化的社交系统。 在jam子发生的地方，它们是由所有驾驶员的集体行为引起的，而不是由少数“败类”造成的。 那些充当领导者的人可以驱散the子，并帮助跟随它们的所有驾驶员。 这是道德黄金法则有效性的经典例子。
因此，下次您遇到无用，无意义和自发的交通拥堵时，请记住它看起来要困难多少。
关于作者：本杰明·赛伯德（Benjamin Saybold）是天普大学的数学教授。