Ortada Hiçbir Şey Yokken Trafiğin Kilitlenmesi: Hayalet Trafik Sıkışıklığı
bazen otoyolda ilerlerken hiçbir sebep yokken trafik yavaşlamaya başlar. önce önümüzdeki araç fren yapar, ardından biz yavaşlarız. birkaç saniye sonra arkamızdaki araçlar da durmak zorunda kalır. bir süre sonra trafik tamamen kilitlenir. insan ister istemez ileride bir kaza olduğunu, yol çalışması yapıldığını veya şeritlerden birinin kapandığını düşünür. ancak birkaç dakika sonra araçlar yeniden hareket etmeye başlar. biraz ilerlediğimizde ise ne bir kaza görürüz ne de trafiği engelleyen başka bir şey.
yol tamamen açıktır. peki hiçbir engel yokken yüzlerce araç nasıl olup da aynı noktada sıkışabilir? aslında bunun arkasında trafik mühendisliğinde uzun yıllardır araştırılan oldukça ilginç bir fiziksel olay bulunuyor. bu duruma *phantom traffic jam*, yani hayalet trafik sıkışıklığı deniyor.
trafik kendi kendine nasıl sıkışıyor?
bunu anlamak için yoğun ancak henüz akıcı durumda olan bir otoyol düşünelim. bütün araçlar yaklaşık 80 kilometre hızla ilerliyor. aralarındaki mesafe çok fazla değil ama trafik henüz durmuş da değil. bir sürücü, önündeki araca biraz fazla yaklaştığını fark edip hafifçe frene basıyor. hızı 80 kilometreden 75 kilometreye düşüyor.
arkasındaki sürücü bunu fark ettiğinde o da fren yapıyor. ancak tepki vermesi biraz zaman aldığı veya güvenlik mesafesi az olduğu için hızını 70 kilometreye kadar düşürmek zorunda kalabiliyor. üçüncü sürücü biraz daha fazla yavaşlıyor. dördüncü sürücü ise önündeki aracın hızının hızla düştüğünü görünce daha sert fren yapıyor. böylece başlangıçta yalnızca birkaç kilometrelik hız değişiminden ibaret olan hareket, arkadaki araçlara doğru ilerledikçe büyüyebiliyor. en sonunda ilk sürücünün hafifçe fren yaptığı noktadan yüzlerce metre uzakta, araçların tamamen durduğu bir trafik sıkışıklığı oluşabiliyor. üstelik ilk frene basan sürücü bu sırada çoktan yoluna devam etmiş oluyor.
bu olayın meydana gelmesi için mutlaka hatalı veya dikkatsiz bir sürücünün bulunması gerekmiyor. 2009 yılında massachusetts teknoloji enstitüsü, yani mıt tarafından yayımlanan bir araştırmada, trafik akışının belirli yoğunluklarda kendi kendine kararsız hale gelebildiği açıklandı. araştırmacılar trafik hareketini tanımlamak için akışkanlar mekaniğine benzeyen matematiksel modeller kullandı. çünkü bir otoyoldaki araçların toplu hareketi, bazı yönlerden bir akışkanın hareketine benzetilebiliyor. araç sayısı az olduğunda sürücüler hızlarını küçük miktarlarda değiştirse bile bu değişimler çevredeki trafiğe fazla yayılmıyor. ancak araç yoğunluğu arttığında durum değişiyor.
bir sürücünün yaptığı küçük bir hız değişikliği, arkasındaki araçlar arasında giderek büyüyen bir dalgaya dönüşebiliyor. araştırmacılar bu tür kendi kendini sürdürebilen trafik dalgalarını *jamiton* olarak adlandırdı. bu isim, trafik sıkışıklığını ifade eden *jam* kelimesiyle fizikte kullanılan dalga kavramlarından esinlenerek oluşturuldu. 2008 yılında japonya'da yapılan bir deney ise bu olayın gerçekten yaşanabildiğini gösterdi. nagoya üniversitesi ve diğer japon araştırma kurumlarından bilim insanları, hiçbir kavşak veya trafik ışığı bulunmayan dairesel bir pist hazırladı.
pistin çevresi yaklaşık 230 metreydi. üzerine 22 otomobil yerleştirildi. sürücülere oldukça basit bir görev verildi. sabit bir hızla ilerlemeleri ve önlerindeki araçla aralarındaki mesafeyi mümkün olduğunca korumaları gerekiyordu. hedef hız yaklaşık saatte 30 kilometreydi.
pistte herhangi bir kaza bulunmuyordu. yol çalışması yoktu. trafik ışığı da yoktu. üstelik bütün araçlar başlangıçta düzenli aralıklarla hareket ediyordu. normalde bu koşullarda araçların sürekli aynı şekilde dönmesi beklenebilirdi. ancak deney ilerledikçe farklı bir şey gerçekleşti. önce küçük hız değişimleri ortaya çıktı, ardından araçlar birer birer durmaya başladı.
sürücülerden biri hızını çok az değiştirdiğinde arkasındaki araçlar da bu değişime tepki veriyordu. ancak insanların gaz ve fren pedallarına verdiği tepkiler birbirinin tamamen aynısı değildi. bazıları biraz daha geç yavaşlıyor, bazıları daha sert fren yapıyor, bazılarıysa önündeki araç hızlandıktan sonra gaza basıyordu. başlangıçta önemsiz görünen bu farklılıklar zamanla büyüdü. sonunda pistin belirli bir bölümünde araçlar durma noktasına geldi.
bir süre sonra yeniden hareket ettiler. ancak sıkışıklık tamamen kaybolmadı. araçlar hareket ederken yavaşlama bölgesi pistin üzerinde ilerlemeye devam ediyordu. üstelik araçların hareket yönünün tersine doğru. araştırmacılar böylece hiçbir fiziksel engel olmadan, yalnızca araçların birbirlerine verdikleri tepkiler nedeniyle trafik sıkışıklığı oluşabileceğini deneysel olarak göstermiş oldu. çalışmanın sonuçları 4 mart 2008 tarihinde *new journal of physics* dergisinde yayımlandı.
trafik sıkışıklığı nasıl oluyor da araçların ters yönüne doğru ilerliyor?
bu durum ilk bakışta oldukça tuhaf görünüyor. çünkü araçların hepsi ileri doğru hareket ediyor. ancak trafik sıkışıklığının ilerlediği yön, araçların hareket yönüyle aynı olmak zorunda değil. örneğin bir otoyolda bulunduğumuzu düşünelim. yolun belirli bir noktasına geldiğimizde fren yapıp duruyoruz.
birkaç saniye sonra önümüzdeki araç hareket ediyor. biz de ilerliyoruz. ancak bu sırada arkamızdaki araç yeni durmak zorunda kalıyor. yani bizim bulunduğumuz yerde trafik yeniden açılırken, biraz daha gerideki noktada sıkışıklık devam ediyor. bir sonraki araç daha geride duruyor. böylece yavaşlama bölgesi, araçlar ileri giderken geriye doğru yayılıyor. trafik mühendisliğinde bu olaya *shock wave*, yani şok dalgası deniyor.
buradaki şok dalgası, bir patlamanın oluşturduğu fiziksel basınç dalgası değil. araç hızının ve yoğunluğunun kısa bir mesafede hızlı biçimde değiştiği bölgenin trafik akışı içinde ilerlemesini ifade ediyor. abd federal karayolu idaresi'nin açıklamasına göre trafik sıkışıklığı oluşurken bu dalgalar yol üzerindeki araçların hareket yönünün tersine ilerleyebiliyor. dolayısıyla biz ilerideki bir sıkışıklığa yaklaştığımızı düşünürken, aslında sıkışıklığın kendisi de bize doğru hareket ediyor olabiliyor. ancak bu durum her trafik yoğunluğunda gerçekleşmiyor. yoldaki araç sayısı az olduğunda sürücüler küçük hız değişikliklerini daha kolay karşılayabiliyor.
çünkü öndeki araçla aralarında yeterince boşluk bulunuyor. örneğin önümüzdeki otomobil biraz yavaşladığında ayağımızı gazdan çekmemiz yeterli olabiliyor. sert bir fren yapmamız gerekmiyor. ancak araçların birbirine çok yakın ilerlediği yoğun trafikte bu esneklik azalıyor. bir sürücünün hafifçe yavaşlaması bile arkasındaki diğer araçların fren yapmasını gerektirebiliyor. mıt araştırmacılarının geliştirdiği matematiksel modeller, trafik yoğunluğu belirli bir eşiğin üzerine çıktığında düzenli akışın kararsız hale gelebileceğini gösteriyor.
yani her araç neredeyse aynı hızda ilerliyor olsa bile küçük bir değişim bütün sistemi etkileyebiliyor. 2013 yılında japon araştırmacılar, bu kez nagoya dome içerisinde yaklaşık 314 metrelik daha büyük bir pistte yeni deneyler gerçekleştirdi. farklı sayılarda otomobiller kullanılarak trafik yoğunluğunun dalga oluşumu üzerindeki etkisi incelendi. sonuçlar, belirli yoğunluklarda akıcı trafiğin kendiliğinden sıkışık hale geçebildiğini destekledi. araştırmacılar bu değişimi fizikteki *faz geçişi* kavramıyla ilişkilendirdi. buradaki benzetme, suyun sıcaklık değişimiyle farklı bir duruma geçmesine benziyor. ancak trafikte değişen şey sıcaklık değil, araç yoğunluğu ve sürücülerin birbirleriyle etkileşimi.
hayalet trafik sıkışıklığını oluşturan asıl sorun sürücülerin geç tepki vermesi mi?
tepki süresi önemli faktörlerden biri ama tek neden değil. bir sürücü öndeki aracın hızının azaldığını hemen fark etmeyebilir. fark ettiğinde frene basması ve kendi aracının yavaşlaması da zaman alır. bu sırada iki araç arasındaki mesafe azalmaya devam eder. ancak gecikmenin yanında sürücülerin hangi hızda gitmek istedikleri, güvenlik mesafeleri ve gaz-fren kullanım biçimleri de etkili oluyor.
2009 yılında *physical review e* dergisinde yayımlanan bir araştırmada, sürücülerin tepki gecikmesinin belirli koşullarda trafik sıkışıklığı dalgalarının oluşmasını kolaylaştırabildiği gösterildi. bristol üniversitesi araştırmacıları da 2010 yılında yayımladıkları açıklamada, yoğun trafikte tek bir şerit değiştirmenin bile daha büyük bir yavaşlama dalgasını tetikleyebileceğini belirtti. ancak bu, bütün hayalet sıkışıklıklarının mutlaka bir sürücünün şerit değiştirmesiyle başladığı anlamına gelmiyor. bazen hız değişimleri, bazen takip mesafeleri, bazen de birçok küçük hareketin bir araya gelmesi aynı sonucu oluşturabiliyor. üstelik bu sıkışıklıklar ortaya çıktıkları noktada kalmıyor. örneğin bir otomobilin hafifçe yavaşlaması nedeniyle oluşan dalga, daha sonra o bölgeden geçen başka sürücüleri de etkileyebiliyor.
hatta ilk yavaşlamayı başlatan otomobil çoktan kilometrelerce uzaklaşmış olabiliyor. bu nedenle bazı sürücüler uzun süre trafikte bekledikten sonra hiçbir engelle karşılaşmadan normal hızlarına dönebiliyor. onları durduran şey artık orada bulunan somut bir problem değil, daha önce ortaya çıkmış ve araçlar arasında yayılmaya devam eden bir hız değişimi. bu özellik, hayalet trafik sıkışıklıklarının neden bu kadar kafa karıştırıcı olduğunu açıklıyor. çünkü sorunun kaynağı ortadan kalkmış olsa bile etkisi bir süre daha devam edebiliyor.
bu durum yalnızca zaman kaybına mı neden oluyor?
hayır. sürekli fren yapmak ve yeniden hızlanmak, araçların yakıt tüketimini artırabiliyor. özellikle içten yanmalı motorlu otomobillerde dur-kalk hareketlerinin sıklaşması, akıcı sürüşe göre daha fazla enerji harcanmasına yol açabiliyor. 2019 yılında *transportation research part c* dergisinde yayımlanan bir araştırmada, hayalet trafik sıkışıklıklarındaki araç hareketleri ve yakıt tüketimleri birlikte incelendi. araştırmacılar, daha güçlü dur-kalk dalgalarının daha fazla yakıt tüketimiyle ilişkili olduğunu belirledi.
üstelik sürekli hızlanma ve frenleme, sürücüler açısından daha yorucu bir deneyim oluşturabiliyor. trafikteki bu düzensizlikler, araçların birbirine beklenmedik şekilde yaklaşmasına da neden olabiliyor. dolayısıyla hayalet sıkışıklıklar yalnızca birkaç dakika geç kalmamıza yol açan basit bir sorun değil. trafik güvenliği, enerji tüketimi ve yol kapasitesi açısından da önem taşıyor.
sürücüler daha dikkatli davransa bu sıkışıklıklar tamamen önlenebilir mi?
tek başına dikkatli araç kullanmak bütün sıkışıklıkları ortadan kaldırmaz. çünkü trafik, yalnızca bireylerin değil, birbirini etkileyen çok sayıda aracın oluşturduğu bir sistem. ancak bazı sürüş alışkanlıkları küçük yavaşlamaların büyümesini azaltmaya yardımcı olabilir. örneğin öndeki araçla yeterli takip mesafesi bırakmak, hız değişimlerini daha yumuşak karşılamamızı sağlayabilir. önümüzdeki otomobil hafifçe yavaşladığında hemen sert fren yapmak yerine, uygun mesafe ve güvenli koşullar varsa gazı azaltarak hızımızı ayarlayabiliriz.
gereksiz şerit değişikliklerinden kaçınmak da trafik akışının daha düzenli kalmasına yardımcı olabilir. abd federal karayolu idaresi, yeterli takip aralıklarının korunmasını hayalet sıkışıklıkların büyümesini azaltabilecek yöntemlerden biri olarak gösteriyor. ancak burada asıl amaç daha hızlı gitmek değil, güvenli bir takip mesafesiyle daha dengeli ilerlemek. 2018 yılında yayımlanan başka bir deney, tek bir aracın bile trafik dalgalarını azaltabileceğini gösterdi. raphael stern ve çalışma arkadaşlarının gerçekleştirdiği araştırmada, 20'den fazla otomobil dairesel bir pistte hareket ettirildi.
başlangıçta bütün araçlar insanlar tarafından kullanılıyordu. bir süre sonra yine kendiliğinden dur-kalk dalgaları oluştu. ardından araçlardan birinin hızı otomatik kontrol sistemiyle düzenlenmeye başlandı. bu araç, önündeki otomobili sürekli yakın mesafeden takip etmek ve her küçük hız değişimine sert biçimde tepki vermek yerine daha dengeli hareket ediyordu. araştırmacılar, tek bir aracın hızının uygun şekilde kontrol edilmesiyle trafik dalgalarının önemli ölçüde azaltılabildiğini gözlemledi.
abd ulaştırma bakanlığının değerlendirmesine göre deneydeki otomatik kontrol, karşılaştırılan koşullarda yakıt tüketimini yüzde 40'a kadar azaltabildi. ancak bu oran bütün trafikte her zaman yüzde 40 yakıt tasarrufu sağlanacağı anlamına gelmiyor. sonuçlar, belirli sayıda aracın bulunduğu kontrollü bir pist deneyinden elde edildi. yine de küçük bir bölümdeki araçların daha dengeli hareket etmesinin, çevredeki trafiği de etkileyebileceğini göstermesi açısından önemliydi.
gelecekte otomatik sürüş sistemleri bu sorunu çözebilir mi?
araştırmacılar bunun mümkün olabileceğini düşünüyor. özellikle araçların birbirleriyle iletişim kurabildiği ve hızlarını koordineli şekilde ayarlayabildiği sistemler, trafik dalgalarının oluşmasını azaltabilir. çünkü bir araç, yalnızca hemen önündeki otomobilin ne yaptığına bakmak yerine daha ilerideki trafik koşullarını da değerlendirebilir. böylece ani frenler yerine daha erken ve kontrollü hız değişiklikleri yapılabilir. ancak bütün otomatik sürüş veya adaptif hız sabitleme sistemlerinin trafiği mutlaka daha akıcı hale getirdiğini söylemek doğru değil.
bu sistemlerin nasıl programlandığı ve diğer araçlarla nasıl etkileşime girdiği de oldukça önemli. uygun tasarlanmamış bir sistem, tıpkı insan sürücüler gibi hız değişimlerini büyütebilir. bu nedenle araştırmacılar yalnızca sürücüsüz araçların yaygınlaşmasına değil, bu araçların trafik akışını nasıl yöneteceğine de odaklanıyor. sonuç olarak ortada hiçbir kaza, yol çalışması veya kapalı şerit bulunmadığında bile trafik kendi kendine sıkışabiliyor. çünkü yoğun trafik, her aracın kendisinden öncekinin hareketine tepki verdiği büyük bir sistem.
bu sistemde oluşan küçük bir hız değişikliği, koşullar uygunsa arkadaki araçlar arasında büyüyerek ilerleyebiliyor. üstelik bu dalga, araçlar ileri giderken geriye doğru hareket edebiliyor. bu yüzden bazen dakikalarca dur-kalk yaptıktan sonra aniden açılan bir yolla karşılaşıyoruz. aslında önümüzde kaldırılmış bir engel bulunmuyor. bizi yavaşlatan şey, birkaç dakika önce başka sürücülerin yaptığı küçük hız değişikliklerinin hâlâ devam eden etkisi olabiliyor.
kaynaklar
japon araştırmacıların 230 metrelik dairesel pistte 22 araçla gerçekleştirdiği ve fiziksel bir engel bulunmadan trafik sıkışıklığı oluşabildiğini gösterdiği deney.
https://doi.org/10.1088/1367-2630/10/3/033001
osaka üniversitesi açık erişim arşivi:
https://hdl.handle.net/11094/93262
hayalet trafik sıkışıklıklarının fiziksel açıklaması, trafik yoğunluğunun rolü ve geriye doğru ilerleyen dalgalar.
https://news.mit.edu/2009/traffic-0609
trafik dalgalarının matematiksel modelleri, yoğunluk eşikleri, araçların tepki süreleri ve kendiliğinden sıkışıklık oluşumu.
daha büyük bir pistte yapılan deneyler ve trafik yoğunluğunun sıkışıklık oluşumuyla ilişkisi.
https://doi.org/10.1088/1367-2630/15/10/103034
sürücülerin küçük hız değişimleri, şerit değiştirme davranışları ve trafiğin kendiliğinden sıkışması hakkında akademik araştırma açıklaması.
https://www.bristol.ac.uk/news/2010/6948.html
sürücülerin tepki sürelerinin ve trafik akışındaki kararsızlığın sıkışıklıkların oluşumu üzerindeki etkilerini inceleyen matematiksel araştırma.
https://doi.org/10.1103/physreve.80.046205
takip mesafesi, hayalet trafik sıkışıklıkları ve küçük hız değişimlerinin zincirleme biçimde büyümesi hakkında abd federal karayolu idaresinin açıklamaları.
https://ops.fhwa.dot.gov/…ns/fhwahop18013/chap2.htm
trafik sıkışıklıklarında hız ve yoğunluk dalgalarının oluşumu ve araçların ters yönüne doğru hareket etmesi.
https://ops.fhwa.dot.gov/…ons/fhwahop18013/appa.htm
tek bir otomatik kontrollü araçla dur-kalk dalgalarının azaltılabildiğini gösteren deneysel çalışma.
https://doi.org/10.1016/j.trc.2018.02.005
kontrollü pist deneyinde otomatik sürüşün trafik akışı ve yakıt tüketimi üzerindeki etkilerine ilişkin resmi değerlendirme.
https://www.itskrs.its.dot.gov/2019-b01402
dur-kalk dalgalarının şiddetiyle araçların yakıt tüketimi arasındaki ilişkiyi inceleyen araştırma.