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自然渋滞発生モデル
自然渋滞はなぜ起こる?
 交通量の多い高速道路を走行していると、しばしば工事や事故など明確な原因がないにもかかわらず渋滞につかまり、 いつの間にか渋滞が解消していることがあります。このような、明確な原因がないにも関わらず自然発生する渋滞は「自然渋滞」と呼ばれています。 このような自然渋滞はなぜ起こるのでしょうか?

 自然渋滞が起こりやすいとして挙げられるのが「ゆるやかな上り坂の入口(サグ部)」や「トンネル入口」です。 サグ部やトンネルの入口に差し掛かるとドライバー自身は同じ速度で走行しているつもりが、自然と速度低下します。 それにより後続車両との車間距離が狭くなると、後続車両が一瞬ブレーキを踏みます。 そのさらに後続車両は、先行車両がブレーキを踏むことでブレーキを踏み、その後続車両も同様に次々とブレーキを踏んでいき、 ある程度の台数になると一旦停止してしまいます。

 つまり、車間距離が短すぎる場合、サグ部などで発生した速度のわずかな揺らぎを吸収できずにブレーキを踏んでしまい、 後続車たちが次々とブレーキを踏み始めて、最初の「わずかな揺らぎ」を増幅してしまいます。


 これは、ドライバーが機械のように一瞬で判断し行動できれば、全ての車両が一斉に減速し、次の段階で一斉に元の速度に戻るはずですが、 人間であるために反応のタイムラグが生じることでこのような現象が起こります。
渋滞の発生は、道路の流量を極端に低くしてしまうことから、渋滞の発生をいかに抑えるかが課題となっています。

自然渋滞発生をシミュレーションで再現
 この自然渋滞の発生原理をモデル化して、マルチエージェント・シミュレーション上で自然渋滞の発生の様子を確認してみましょう。 半径37mの円状のテストコースを空間として定義し、自動車エージェントをテストコース上に等間隔に22台配置します。 各自動車エージェントには、以下の行動ルールにもとづいて行動させます。

  • 速度を30km/hで走行する
  • 前方の車両と近づき過ぎたらブレーキを踏む
  • 前方車両と十分な車間距離がある場合には30km/hまで加速する
  • シミュレーションステップごとにわずかな速度のゆらぎとして±0.02km/hを与える
 シミュレーションを開始してしばらくの間は速度のゆらぎは非常に小さいため、渋滞なく走行できますが、 徐々に各車両間の車間距離にばらつきが出てきて、10分程度経過した段階で突然渋滞が発生します。

 一度渋滞が発生すると、コース上の車両台数を減らすなどの何らかの外部操作を与えないかぎり渋滞は存在し続けます。 また、面白いことに渋滞箇所は徐々に移動しています。この現象は現実でも起こり、例えば事故などで渋滞したあと、 その事故箇所が通行できるようになってしばらくした後、その渋滞箇所は事故発生箇所よりもずっと後ろに移動しています。(⇒自然渋滞発生モデルのダウンロード)



自然渋滞モデルをダウンロード

モデルの実行にはartisoc または artisoc player(無償)が必要になります。


速度ゆらぎのない機械的な運転の場合は?
 シミュレーション上で、速度のゆらぎを0km/hと設定して実行してみましょう。 すると、車間距離はシミュレーション開始から変化がなく、いつまでたっても渋滞は発生しません。 もし将来、完全に中央から制御可能な自動車が普及した社会では、このような高密度な道路状況においても 渋滞が発生しにくく高い交通量を維持できるようになるかもしれません。

速度ゆらぎのない機械的な運転の場合は?
 自然渋滞は、車両密度の高い車間距離が詰まった状況で起きやすくなりますが、どの程度の車両密度から自然渋滞が発生しやすくなるのでしょうか? これをシミュレーション上で検証してみましょう。

テストコース上に車両の通過台数を計測するポイントを設置します。 そして、テストコース上に配置する車両台数を1台から徐々に1台ずつ増やしたシミュレーションを実施し、それぞれ10分間分を100試行行います。

 シミュレーション結果をグラフに示します。 横軸がテストコース上の車両台数(車両密度)で、縦軸が10分間あたりの計測ポイントの通過台数(流量)を示します。
 車両密度が低い場合の流量は、台数が増えるに伴い流量が単調増加傾向にありますが、 ある程度密度が高くなると極端に流量が低くなってしまうケースが現れ始めます。 このようなケースが渋滞の発生した状況です。また、密度が約0.12から0.15の間では、 同じ密度でも試行によって非常に流量の高い状態と低い状態が存在し、結果にばらつきがあることが分かります。

 この時、流量の高い状態は大変不安定な状態であり、何らかの拍子にブレーキを踏むなどのイベントが発生した途端に 流量の低い状態に陥ってしまいます。このような不安定な状態は「メタ安定状態」と呼ばれます。

自然渋滞の発生を抑制するためには
 渋滞緩和施策としては、このような渋滞の発生しない車両密度を維持するかが重要となります。 車間距離を一定以下にしないようにすることが良いのですが、人間はそれぞれ意思を持っており、 急いでいるとつい間を詰めたくなるためこれを強制できません。

 東京大学の西成教授の社会実験では、渋滞の名所で知られる、中央自動車道の小仏トンネル付近において、 渋滞発生時に車間距離を一定に保つ車両8台を一斉に、小仏トンネルに向けて走行させました。 その結果、8台の車両がトンネルを通過し終わった頃には、平均時速は80km/hまで回復しました。

 このように、うまく人々の行動を誘導することで渋滞を緩和することは可能です。 もし何かアイデアがあれば、シミュレーション上でうまくいくか試してみてください。

参考文献
[1]. 西成活裕「渋滞学」, 新潮社, 2006
[2]. 西成活裕「図解雑学 よくわかる渋滞学」, ナツメ社, 2009
[3]. JAF「社会実験 ~渋滞吸収理論を実践する~」, http://ch.jafevent.jp/detail.php?id=24,(2016/05/20確認)

森俊勝 (構造計画研究所) 2016年6月1日

自然渋滞発生モデル 基本情報

【モデルタイトル】:自然渋滞発生モデル
【モデル考案者】:構造計画研究所 森俊勝
【artisocサンプルモデル作成】:構造計画研究所 森俊勝
【artisocサンプルモデル作成日】:2008年6月1日



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