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塞車:看不見的時間小偷

活躍星系核_96
・2015/02/04 ・2641字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 554 ・八年級

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文 / Louis(畢業於台大土木所交通組 高考交通技術及格)

生活中的塞車體驗

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連假出遊,卻因為塞車所以大半時間只能在車上打盹?跟人約好幾點碰面,在路上卻不巧遇上塞車所以遲到?塞車是都市生活中常有的不愉快經驗,究竟惱人的塞車是如何形成的呢?有辦法直接評估它帶給人們的負面影響有多少嗎?

我們最常遇到的塞車情形可以分為在高速公路上,與在有紅綠燈的平面道路,這兩者造成塞車的原因大相逕庭,這篇文章中,我們要討論的是在高速公路上的塞車情形。

在《公路容量手冊》中,將交通設施的服務能力分為A~F六個等級,稱為「服務水準」。通常塞車發生時,是表示道路狀況達到E級或F級,當處於E級或F級的服務水準時,車輛只能以低速行駛,甚至停滯不前,或是發生走走停停的情況,並以衝擊波的方式運作,什麼是衝擊波?又為什麼會有走走停停的現象?

認識一些基本參數

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要說明塞車的成因與如何預防,我們要先認識一些參數與名詞:

  1. 車間距(h, headway):前後2車的車頭經過觀測點的時間差。舉例來說,如果平均車間距為2秒,表示每2秒會有1台車通過觀測點。
  2. 流量(q, flow):單位時間內,通過觀測點的車輛總數。如果車間距為2秒,表示1小時(3600秒)會有1800台車通過觀測點,則流量為1800車/小時。
  3. 車間程(s, spacing):車道上,前後兩車車頭的距離。舉例來說,若平均車間程為40公尺,表示車道上平均每40公尺會有1台車。
  4. 密度(k, density):單位道路長度上的車輛總數。若平均車間程為40公尺,表示一公里(1000公尺)車道上會有25台車,密度為25車/公里。
  5. 速率(u, speed):車輛的在單位時間內行駛的距離,也就是車輛前進的速率。

從以上各個名詞的介紹,我們可以統整出一條同時表達流量、密度、速率的關係式:q(流量)=k(密度)×u(速率)

巨觀車流理論

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Greenshields於1933年,在美國的俄亥俄州公路上觀察車流行為,當時他所使用的設備為單眼電影攝影機,利用照相來量測剛剛提到的流量、密度和速率。最後他繪製出了兩幅曲線圖:

一、u-k圖(速率-密度曲線):

表示速率和密度的關係。描繪出來為一條負斜率的斜直線,表示密度越大時,速率會越小。

1

二、u-q圖(速率-流量曲線)

表示速率和流量的關係。此曲線為一開口向左的曲線,表示流量小時,可能有車少而速率快,或速率慢卻車多兩種截然不同的情況。2

綜合以上兩張圖,可以得到q-k圖(流量-密度圖)(下圖),由這張圖我們就可以分析為什麼會有走走停停的情況產生。

3

曲線頂點表示車道的最大流量,又可以稱為容量,意思是每小時可以通過車道的最大交通量。而頂點對應到的密度為臨界密度,當密度小於臨界密度時,也就是圖中的左半部,這時為穩定車流;當密度超過臨界密度時,也就是圖中的右半部虛線部分,這時就是強迫性車流,當車流為強迫性車流,就會產生走走停停的現象,除此之外,只要將曲線上的點和原點做連線,並算出連線的斜率,就是速率的大小了,因此這是一張可以同時提供三種資訊的曲線圖,又稱為基本圖。

為什麼會自然塞車?

一、密度增加,速率下降

當車道上的車輛密度增加時,表示車與車之間的距離拉近了,這時人類心理的正常現象,會為了安全而減速行駛,但這似乎不符合我們的日常經驗,例如將水管捏緊時,水流反而會變快。

《壅塞學─人、車、螞蟻、網路、細胞一路暢通的祕密》一書中,說明水是屬於「牛頓粒子」,因此具有「慣性定律」「加速度定律」「反作用力定律」三項定律,因此將水管捏緊時,水流速度才會增加。那為什麼車道上的車流不能比喻成水流呢?這是因為行駛中的車輛屬於「自我驅動粒子」,車輛可以自行加減速,甚至煞車停止,因此慣性定律在車流上並不適用。而車輛之間的作用力主要受人類心理影響,因此反作用力定律也不成立。最後一點,因為作用力的大小無法計算,所以加速度定律也無法套用。

二、走走停停的現象

當車道上的密度超過臨界密度時,就如同前面文章所說,這時的車流為強迫性車流,因此會開始有走走停停的情況產生,但這是為什麼呢?

當車道上密度增加時,代表平均車間程縮小,在車間程小於某一臨界值時,前車踩剎車的動作會向後車傳遞、累積,造成越後面的車輛煞車動作越大,透過這種連鎖反應,車隊最後面的車輛可能就需要停下來。反之,如果兩台車間距離夠大,其實前車的行為幾乎不會對後車造成影響,就像兩台車若間距200公尺,則前車的任何動作幾乎不會對後車造成影響。

對於這樣的現象,《壅塞學》一書中舉了一個例子:車子開到平緩的上坡時,駕駛不會注意到有上坡,所以踩油門的力道保持一定,車速會慢慢減低。當車速降低到一個程度時,後方來車在上坡前若以較快的速度追來,此時車間程縮小,後方來車輛就會踩剎車減緩速度,更後面的車輛受到波及,踩剎車踩得更猛。

這種前方交通狀況改變,透過累積傳遞的方式同化後方車流的現象,我們稱為衝擊波。當兩種穩定車流互相衝擊時,會出現不連續的現象,在不連續交界面的時-空作用,就是衝擊波。

 

如何改善塞車

為了避免高速公路塞車,應該控制高速公路上的密度小於臨界密度,因此交通單位會進行匝道管制,如同連續假期台灣會進行國道高乘載管制。除此之外,減少讓車輛減速的情況也很重要,例如高速公路改以電子收費等等,不過最簡單兼顧環保的方法仍是多多搭乘大眾交通工具。

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結論

本篇文章主要說明高速公路上「重現性壅塞」的現象,意思是常發生在特定時段,或可以預知的路段或地點,例如路段於尖峰時段的塞車,而「非重現性壅塞」是表示可能如交通事故、路中掉落物等不可預知的事件造成的塞車,重現性壅塞可以透過管理手段改善,但非重現性壅塞僅能透過迅速的應對措施,來降低事件的不良影響。

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活躍星系核_96
752 篇文章 ・ 96 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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金魚的記憶才不只 7 秒!記憶力怎麼回事?好想要超大記憶容量
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/12/01 ・2720字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 美光科技 委託,泛科學企劃執行。

你是不是也有過這樣的經驗?本來想上樓到房間拿個東西,進到房間之後卻忘了上樓的原因,還完全想不起來;到超巿想著要買三四樣東西回家,最後只記得其中兩樣,結果還把重要的一樣給漏了;手機 Line 群組裡發的訊息,看過一轉身回頭做事轉眼就忘了。

發生這種情況,是不是覺得很懊惱:明明才想好要幹嘛,才不過幾秒鐘的時間就全部忘記了?吼呦!我根本是金魚腦袋嘛!記憶力到底是怎麼回事啊?要是能擁有更好的記憶力就好了!

明明才想好要幹嘛,一轉眼卻又都忘記了。 圖/GIPHY

金魚的記憶才不只 7 秒!

忘東忘西,我是金魚腦?!無辜地的金魚躺著也中槍!被網路流傳的「魚只有 7 秒記憶」的說法牽累,老是被拖下水,被貼上「記憶力不好、健忘」的標籤,金魚恐怕要大大地舉「鰭」抗議了!魚的記憶只有 7 秒嗎?

根據研究顯示,魚類的記憶可以保持一到三個月,某些洄游的魚類都還記得小時候住過的地方的氣味,甚至記憶力可以維持到好幾年,相當於他們的一輩子。

還有科學家發現斑馬魚在經過訓練之後,可以很快學會如何走迷宮,根據聲音信號尋找食物。但是當牠們壓力過大時會記不住東西,注意力分散也會降低學習效率,而且記憶力也會隨著衰老而逐漸衰退。如此看來,斑馬魚的記憶特點是不是跟人類有相似之處。

記憶力到底是怎麼回事?

為什麼魚會有記憶?為什麼人會有記憶?記憶力跟腦袋好不好、聰不聰明有關係嗎?這個就要探究記憶歷程的形成源頭了。

依照訊息處理的過程,外界的訊息經由我們的感覺受器(個體感官)接收到此訊息刺激形成神經電位後,被大腦轉譯成可以被前額葉解讀的資訊,最終會在我們的前額葉進行處理,如果前額處理後認為是有意義的內容就有可能被記住。

在問記憶好不好之前,先了解記憶形成的過程。圖/GIPHY

根據英國神經心理學家巴德利 Alan Baddeley 提出的工作記憶模式,前額葉處理資訊的能力稱為「短期工作記憶」,而處理完有意義、能被記住的內容則是「長期記憶」。

你可能會好奇「那記憶能被延長嗎」?只要透過反覆背誦、重覆操作等練習,我們就有機會將短期記憶轉化為長期記憶了。

要是能有超大記憶容量就好了!

比如當我們在接聽客戶電話時,對方報出電話號碼、交辦待辦事項,從接收訊息、形成短暫記憶到資訊篩選方便後續處理,整個大腦記憶組織海馬迴區的運作,如果用電腦儲存區來類比,「短期記憶」就像隨機存取記憶體 RAM,能有效且短暫的儲存資訊,而「長期記憶」就是硬碟等儲存裝置。

從上一段記憶的形成過程,可以得出記憶與認知、注意力有關,甚至可以透過刻意練習、習慣養成和一些利用大腦特性的記憶法來輔助學習,並強化和延長記憶力。

雖然人的記憶可以被延長、認知可以被提高,但當日常生活和工作上,需要被運算處理以及被記憶理解的事物越來越多、越來越複雜,並且需要被快速、大量地提取使用時,那就不只是記憶力的問題,而是與資訊取用速度、條理梳理、記憶容量有關了!

日常生活中需要處理的事務越來越多,那就不只是記憶力的問題,而是有關記憶力容量的問題了……。圖/GIPHY

再加上短期記憶會隨著年齡增加明顯衰減,這時我們更需要借助一些外部「儲存裝置」來幫我們記住、保存更多更複雜的資訊!

美光推出高規格新一代快閃記憶體,滿足以數據為中心的工作負載

4K 影片、高清晰品質照片、大量數據、程式代碼、工作報告……在這個數據量大爆炸的時代,誰能解決消費者最大的儲存困擾,並滿足最快的資料存取速度,就能佔有這塊前景看好的市場!

全球第四大半導體公司—美光科技又領先群雄一步!除了推出 232 層 3D NAND 外,業界先進的 1α DRAM 製程節點可是正港 MIT,在台灣一條龍進行研發、製造、封裝。日前更宣布推出業界最先進的 1β DRAM,並預計明年於台灣量產喔! 

美光不久前宣布量產具備業界多層數、高儲存密度、高性能且小尺寸的 232 層 3D NAND Flash,能提供從終端使用者到雲端間大部分數據密集型應用最佳支援。 

美光技術與產品執行副總裁 Scott DeBoer 表示,美光 232 層 3D NAND Flash 快閃記憶體為儲存裝置創新的分水嶺,涵蓋諸多層面創新,像是使用最新六平面技術,讓高達 232 層的 3D NAND 就像立體停車場,能多層垂直堆疊記憶體顆粒,解決 2D NAND 快閃記憶體帶來的限制;如同一個收納達人,能在最小的空間裡,收納最多的東西。

藉由提高密度,縮小封裝尺寸,美光 232 層 3D NAND 只要 1.1 x 1.3 的大小,就能把資料盡收其中。此外,美光 232 層 NAND 存取速度達業界最快的 2.4GB/s,搭配每個平面數條獨立字元線,好比六層樓高的高速公路又擁有多條獨立運行的車道,能緩解雍塞,減少讀寫壽命間的衝突,提高系統服務品質。

結語

等真正能在大腦植入像伊隆‧馬斯克提出的「Neuralink」腦機介面晶片,讓大腦與虛擬世界溝通,屆時世界對資訊讀取、儲存方式可能又會有所不同了。

但在這之前,我們可以更靈活地的運用現有的電腦設備,搭配高密度、高性能、小尺寸的美光 232 層 NAND 來協助、應付日常生活上多功需求和高效能作業。

快搜尋美光官方網站,了解業界最先進的技術,並追蹤美光Facebook粉絲專頁獲取最新消息吧!

參考資料

  1. https://pansci.asia/archives/101764
  2. 短期記憶與機制
  3. 感覺記憶、短期記憶、長期記憶  
  4. 注意力不集中?「利他能」真能提神變聰明嗎?

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塞車好心煩!自動駕駛能解嗎?——台大資工林忠緯專訪
科技大觀園_96
・2021/02/08 ・4673字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 526 ・七年級

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每到年節時期,不管返鄉或是出遊,用路人最討厭遇到的就是塞車,漫長的等待、讓人踩剎車踩到腳痛的行車速度,抑或是被汽車廢煙包圍的感覺,本是愉悅心情恐怕都大打折扣。你也是恨不得讓「塞車」這個詞消失在這世界上的人嗎?自動駕駛或許能幫你達成心願喔~感到好奇的話,那就繼續看下去吧!

造成塞車的幕後黑手是誰?

試想,人類與機器人在駕駛汽車時,要維持車與車之間等速前進,誰會 hold 得最好呢?答案很明顯是……機器人!為什麼呢?關鍵就在於「人類的反應速度」,反應速度因人而異:當老(手)司機在開車時,他們能夠對於哪時候該踩剎車、油門的反應速度快,因此不會因誤判與前車之間的距離,而落下一大段「空白車距」;然而菜鳥司機就不一樣了,他們反應速度沒有老(手)司機快,所以在看到前方車輛時,因無法正確判斷哪時候踩剎車最恰當,加上基於安全意識都會先減慢避免 A 到前車為第一反應,「空白車距」自然就出現了~而後方的車輛們會因為這位菜鳥司機(老鼠屎)的行車速度減慢而開始擠成一團,造成塞車。

相信駕駛人們遇到塞車的反應都跟圖片中的人一樣煩悶不堪。圖/GIPHY

相反地,當機器人在行車時,因為他們的動作程序一致,因此能穩穩地維持等速行駛。這也就是為何現今車廠想推出自動駕駛車(以下簡稱「自駕車」)的原因之一。自動駕駛真有那麼神嗎?讓我們來一一剖析它吧!

延伸閱讀:連假無法逃離宿命!為什麼會塞車呢?

自駕車大小事

自動駕駛,顧名思義就是讓車子在無人為操作的情況下,將行車速度與控制車間距離等原本需要手動操控車子行進的動作轉為自動化,以減輕駕駛人的行車負擔。

  • 自動駕駛分級:

自動駕駛可是也有分級制度的!國際汽車工程師協會 (Society of Automotive Engineers, SAE) 依據汽車的自動化程度分為以下級別:

參考資料:SAE International

時至 2020 年末,汽車業的自動駕駛即將發展至第四級,第五級則是各企業競相達成的最終目標。

  • 自駕車的配備主要有哪些?
    • 感測器:相當於人類的眼睛,能辨識障礙物的種類及位置。而感測器又可分為攝影機(Camera)、光達(LiDAR)、雷達(Radar)、超音波這四種,不同種的感測器對於環境辨識及障礙物解析力也會有差異。
    • 動態定位:相當於 Google 地圖功能,當接收來自感測器的環境資訊後,自駕車能協同 GPS、IMU 與高精準地圖資訊等定位工具自動辨識車輛所在位置及設定目的地。
    • 智慧決策:相當於人腦的決斷力,透過整合電子地圖 (RNDF/OpenStreetMap)、感知融合(Perception)、靜態軌跡規劃(Mission Planning)、行為規劃(Behavior Planning)以決定自駕車整體需執行哪些動作及規劃。
    • 電控底盤:負責車子的轉向、剎車及油門。

參考資料:自駕車發展趨勢與關鍵技術

自駕車能透過感測器偵測車距以維持車與車之間最佳距離。圖/GIPHY

自動駕駛真的能解決塞車嗎?

自駕車本身雖能達到自動辨識路口標誌及安全煞停系統,但它就像一個好的食材,需要透過精湛的廚藝及調料的輔助才能發揮它最完美的風味,而輔助自駕車的便是「車聯網」。究竟什麼是「車聯網」?自駕車與車聯網的搭配真的能解決塞車嗎?就讓台大資工系的林忠緯教授來幫大家解惑吧!

林忠緯教授熟知自駕車與車聯網的研究。圖/轉自科技大觀園。

林忠緯教授小檔案:
林忠緯教授在博班時期的研究題目即是關於 Cyber-Physical System(CPS)的研究,而 CPS 簡單來說是指能夠執行物理層面上動作的電子產品,例如車子(能在路上行走)、心律調節器(能放電控制心律)都屬於 CPS。林教授在博班的研究即是關於車子的 CPS,也曾在美國通用汽車(General Motors)實習,畢業後持續拓展自己所長,進入加州矽谷的豐田汽車(Toyota InfoTechnology Center)擔任研究員。林教授熟知自駕車與車聯網的研究,自身也致力於自駕車、車聯網與資安問題的研究,並開心表示對於未來 28 年後自駕車的展望懷抱深深的期許。

  1. 車聯網是什麼?
    車聯網(Internet of Vehicles,IoV)是指車與車之間(vehicle-to-vehicle,V2V),或車與道路狀況(Vehicle-to-everything, V2X)之間利用網路互相交換、接收感測器所會彙整出的訊息,以達到更完善、迅速的交通網絡資訊交流,讓用路人能即時獲得路況的整體資訊。
車聯網就是車子版本的物聯網。圖/Pixabay
  1. 自駕車結合車聯網真能解決塞車嗎?
    若要剖析塞車問題,其實可以分成以下幾種狀況,自駕車必須面對各種塞車情況作出相對應的解決方案。
    1. 選擇路徑:假如過年走春行程是去宜蘭玩,大家通常會想到要走雪隧,然而當大家都走雪隧的話,勢必會造成大塞車。而車聯網能即時追蹤到已經開始塞車的道路,並通知自駕車可以改走較為不塞車的路段(例如北宜),這時候就達到了疏散車流量的效果。
    2. 路口與路口間的交通號誌:假如今天車子走在路上,一路都是綠燈當然令人心情愉悅,反之,則會導致後面開始塞車,因此在車聯網當中也可以整合總體交通號誌的順暢運行。
    3. 單一路口的車輛運行:通常遇到駕駛人遇到路口,都需先放慢行駛速度,觀察轉角方向是否有來車,再行通過;當一個路口車多時,塞車肯定逃不掉~而車聯網能達成上述第二點的升級版——便是不用交通號誌!車聯網就像是開上帝視角,可以同時獲得路口的各道路資訊,而這些資訊是單一自駕車無法自行偵測的,自駕車針對這些資訊做出相對應的動作,而自駕車對於這些動作的控制能比駕駛人更加精準,因此車聯網與自駕車能夠相輔相成增加路口的運行效率。
    4. 單一車輛的運行:車聯網與自駕車亦能互相搭配在安全的前提下縮短跟車距離並減少過度保守的煞車,如此道路的使用率能夠提升,也能減少塞車的機率。
自駕車結合車聯網能達成無須紅綠燈,路口間也能順暢行駛。圖/GIPHY

林教授認為自駕車結合車聯網勢必能解決部分層面的塞車問題,也能避免酒駕、恍神、視線死角等人為意外肇事的發生比率,但在現實生活要自駕車能實際放在道路上跑,現階段仍面臨重重難關。

  1. 自駕車的發展現階段會遇到哪些瓶頸?
    讓我們想像一下,當自駕車、車聯網已完全取代所有的交通系統,實際上最有可能會發生以下幾種瓶頸:
    • 瓶頸一:自駕車的整合系統尚未完善
      林教授個人認為目前自駕車的整合系統會是一大問題,即便供應商提供再好的車組配件,配件與配件之間的整合系統不佳還是會造成車子載運行時效率不佳甚至還可能會釀成車禍,或是遭駭客入侵自駕車系統。所以教授認為設計一個具縝密規畫的整合系統,不僅可以讓車子運行順暢,也能保障駕駛人的安全。
    • 瓶頸二:法規訂定的難題
      當自駕車發生車禍了,那誰該跳出來負責任呢?該怪自駕車內部的機器學習沒有收納進這些意外狀況的數據嗎?還是都是工程師的錯?其實這也是自駕車衍伸出的頭疼題,而林教授針對這個問題也提出相關建議,例如在購買自駕車時,售價的一部分可以作為保險補償,當發生意外時,便能獲得補償金。
    • 瓶頸三:消費者的接受程度
      消費者在購買商品時常會考慮價格及使用感受,而自駕車雖然目前製造成本高昂,但相信未來隨著自駕車的研發技術逐漸成熟,成本也會隨之下降,但成本要降到多低才能達到量產,以及售價普遍是消費者能接受的範圍仍是個問題。另外,感受度的部分,當我們坐進自駕車裡面,由於自駕車可以精準縮小車距,因此當對向來車很近地迎面衝過來,真的不會嚇到嗎?因為自駕車有別於以往的行車感受,所以也不見得能被所有消費者接受。
      另外,有部分消費者享受自己駕馭車子的樂趣,所以他們也不會想使用自駕車,當道路上並非統一是自駕車的情形,要達成車聯網更是難上加難哪~
    • 瓶頸四:資安問題
      自駕車結合車聯網運行時極需網路,而有網路的地方,駭客便如影隨形,當駭客像電影情節一樣駭入車聯網時,不但會構成駕駛人的性命威脅,甚至還會造成全面性的交通世紀大癱瘓!水能載舟亦能覆舟,車聯網雖能讓交通運行更順暢,也可能會釀成一場可怕的災難,因此林教授強調維護資安也是設計車聯網的重點項目。

解決塞車問題的理想藍圖

當我們檢視塞車問題的視野再拉遠一點,除了自駕車及車聯網以外,教授也慷慨地分享了以下管道解決塞車問題:

  • 共享汽車:當大家都選擇搭乘共享自駕車,便能減低車流量與車子的總量(大家更傾向不買車),路上的車子少了,便能減低塞車的發生率。(傳染病盛行的時代不太適用)
  • 道路擴大:當車子的總量下降,停車需求減少,空間使用更有彈性。當道路新增了好幾條線,便能分散車流,避免全部車子堵在同一條路上。
  • 網路通訊:現在網路科技發達,人們在家也能透過網路完成視訊會議、參與活動,減少出門的必要性,也就無須駕車。

結語

雖然現階段自駕車要完全解決塞車問題仍需經時間歷練,但相信透過林忠緯教授及眾多研發單位的辛勤貢獻,大家在春節期間能夠利用自駕車與車聯網享受更加順暢、迅速的行車體驗,而不再受塞車之苦的日子指日可待!新春期間,也祝大家行車平安,旅途別塞!

塞車問題仍需大家共同努力解決,才能營造良好的交通網絡。圖/GIPHY

參考資料

  1. 「自駕車受騙上當和辨識盲點」之專家回應
  2. 為何美國交通部選用SAE的自動駕駛分級,而棄NHTSA丨汽車商業評論
  3. 自動駕駛車發展現況與未來趨勢
  4. 何謂自動駕駛?
  5. 關於自動駕駛:內行人才會懂的有話直說
  6. 對於塞車問題,智慧交通提供的四大解決方案
  7. 塞車讓駕駛踩煞車踩到抽筋,汽車新科技解決這困擾!(內有影片)
  8. 2020 最新自動駕駛技術報告出爐!以特斯拉、Volvo 為例,全面涵蓋智駕技術
  9. 網宇實體系統與製造應用- 熱門焦點- 經濟部技術處
  10. Wevolver: Knowledge for engineers
  11. 一起來用十分鐘略懂自駕車吧!GoGoGo!
  12. 無人駕駛車/自駕車技術探索
  13. SAE International
  14. 科學月刊:不需駕駛也能輕鬆上路-淺談自駕車與高精地圖
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科技大觀園_96
82 篇文章 ・ 1104 位粉絲
為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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塞車:看不見的時間小偷
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文 / Louis(畢業於台大土木所交通組 高考交通技術及格)

生活中的塞車體驗

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連假出遊,卻因為塞車所以大半時間只能在車上打盹?跟人約好幾點碰面,在路上卻不巧遇上塞車所以遲到?塞車是都市生活中常有的不愉快經驗,究竟惱人的塞車是如何形成的呢?有辦法直接評估它帶給人們的負面影響有多少嗎?

我們最常遇到的塞車情形可以分為在高速公路上,與在有紅綠燈的平面道路,這兩者造成塞車的原因大相逕庭,這篇文章中,我們要討論的是在高速公路上的塞車情形。

在《公路容量手冊》中,將交通設施的服務能力分為A~F六個等級,稱為「服務水準」。通常塞車發生時,是表示道路狀況達到E級或F級,當處於E級或F級的服務水準時,車輛只能以低速行駛,甚至停滯不前,或是發生走走停停的情況,並以衝擊波的方式運作,什麼是衝擊波?又為什麼會有走走停停的現象?

認識一些基本參數

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要說明塞車的成因與如何預防,我們要先認識一些參數與名詞:

  1. 車間距(h, headway):前後2車的車頭經過觀測點的時間差。舉例來說,如果平均車間距為2秒,表示每2秒會有1台車通過觀測點。
  2. 流量(q, flow):單位時間內,通過觀測點的車輛總數。如果車間距為2秒,表示1小時(3600秒)會有1800台車通過觀測點,則流量為1800車/小時。
  3. 車間程(s, spacing):車道上,前後兩車車頭的距離。舉例來說,若平均車間程為40公尺,表示車道上平均每40公尺會有1台車。
  4. 密度(k, density):單位道路長度上的車輛總數。若平均車間程為40公尺,表示一公里(1000公尺)車道上會有25台車,密度為25車/公里。
  5. 速率(u, speed):車輛的在單位時間內行駛的距離,也就是車輛前進的速率。

從以上各個名詞的介紹,我們可以統整出一條同時表達流量、密度、速率的關係式:q(流量)=k(密度)×u(速率)

巨觀車流理論

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Greenshields於1933年,在美國的俄亥俄州公路上觀察車流行為,當時他所使用的設備為單眼電影攝影機,利用照相來量測剛剛提到的流量、密度和速率。最後他繪製出了兩幅曲線圖:

一、u-k圖(速率-密度曲線):

表示速率和密度的關係。描繪出來為一條負斜率的斜直線,表示密度越大時,速率會越小。

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二、u-q圖(速率-流量曲線)

表示速率和流量的關係。此曲線為一開口向左的曲線,表示流量小時,可能有車少而速率快,或速率慢卻車多兩種截然不同的情況。2

綜合以上兩張圖,可以得到q-k圖(流量-密度圖)(下圖),由這張圖我們就可以分析為什麼會有走走停停的情況產生。

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曲線頂點表示車道的最大流量,又可以稱為容量,意思是每小時可以通過車道的最大交通量。而頂點對應到的密度為臨界密度,當密度小於臨界密度時,也就是圖中的左半部,這時為穩定車流;當密度超過臨界密度時,也就是圖中的右半部虛線部分,這時就是強迫性車流,當車流為強迫性車流,就會產生走走停停的現象,除此之外,只要將曲線上的點和原點做連線,並算出連線的斜率,就是速率的大小了,因此這是一張可以同時提供三種資訊的曲線圖,又稱為基本圖。

為什麼會自然塞車?

一、密度增加,速率下降

當車道上的車輛密度增加時,表示車與車之間的距離拉近了,這時人類心理的正常現象,會為了安全而減速行駛,但這似乎不符合我們的日常經驗,例如將水管捏緊時,水流反而會變快。

《壅塞學─人、車、螞蟻、網路、細胞一路暢通的祕密》一書中,說明水是屬於「牛頓粒子」,因此具有「慣性定律」「加速度定律」「反作用力定律」三項定律,因此將水管捏緊時,水流速度才會增加。那為什麼車道上的車流不能比喻成水流呢?這是因為行駛中的車輛屬於「自我驅動粒子」,車輛可以自行加減速,甚至煞車停止,因此慣性定律在車流上並不適用。而車輛之間的作用力主要受人類心理影響,因此反作用力定律也不成立。最後一點,因為作用力的大小無法計算,所以加速度定律也無法套用。

二、走走停停的現象

當車道上的密度超過臨界密度時,就如同前面文章所說,這時的車流為強迫性車流,因此會開始有走走停停的情況產生,但這是為什麼呢?

當車道上密度增加時,代表平均車間程縮小,在車間程小於某一臨界值時,前車踩剎車的動作會向後車傳遞、累積,造成越後面的車輛煞車動作越大,透過這種連鎖反應,車隊最後面的車輛可能就需要停下來。反之,如果兩台車間距離夠大,其實前車的行為幾乎不會對後車造成影響,就像兩台車若間距200公尺,則前車的任何動作幾乎不會對後車造成影響。

對於這樣的現象,《壅塞學》一書中舉了一個例子:車子開到平緩的上坡時,駕駛不會注意到有上坡,所以踩油門的力道保持一定,車速會慢慢減低。當車速降低到一個程度時,後方來車在上坡前若以較快的速度追來,此時車間程縮小,後方來車輛就會踩剎車減緩速度,更後面的車輛受到波及,踩剎車踩得更猛。

這種前方交通狀況改變,透過累積傳遞的方式同化後方車流的現象,我們稱為衝擊波。當兩種穩定車流互相衝擊時,會出現不連續的現象,在不連續交界面的時-空作用,就是衝擊波。

 

如何改善塞車

為了避免高速公路塞車,應該控制高速公路上的密度小於臨界密度,因此交通單位會進行匝道管制,如同連續假期台灣會進行國道高乘載管制。除此之外,減少讓車輛減速的情況也很重要,例如高速公路改以電子收費等等,不過最簡單兼顧環保的方法仍是多多搭乘大眾交通工具。

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結論

本篇文章主要說明高速公路上「重現性壅塞」的現象,意思是常發生在特定時段,或可以預知的路段或地點,例如路段於尖峰時段的塞車,而「非重現性壅塞」是表示可能如交通事故、路中掉落物等不可預知的事件造成的塞車,重現性壅塞可以透過管理手段改善,但非重現性壅塞僅能透過迅速的應對措施,來降低事件的不良影響。

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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塞車是連假無法逃離的命運?【影音】
PanSci_96
・2016/02/04 ・203字 ・閱讀時間少於 1 分鐘 ・SR值 367 ・三年級

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「難道,真的回不去了嗎?」「沒錯,真的回不去了…….」

塞車是春節返鄉的遊子們不得不面對的嚴峻考驗,尤其當高速公路徹底化身為一個大停車場時,更是令人絕望到想砸車窗。

究竟塞車是怎麼發生的?

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