ТРУДЫ МФТИ. — 2010. — Том 2, № 4 632) (правило свободной дороги) если ни один изавтомобилей i 1 , ..., i k при k n не имеетвпереди себя препятствия, то распределениевектора v i1 (t 1 ), ..., v ik (t k ) совпадает с распределениемвектора w i1 (t 1 ), ..., w ik (t k ) иявляетсянезависимым от распределения вектораv ik+1 (t k+1 ), ..., v in (t n );3) (правила обгона) если автомобиль i имеетвпереди себя препятствие в момент t, тоонменяeтся местами с предыдущим автомобилемс некоторой интенсивностью λ в течение(случайного) интервала времени, покаw i (t) >v i−1 (t). Смысл этого условия состоитв том, что водитель обгоняет, если его активностьвысока в течение некоторого промежуткавремени.Уже для этого простейшего определениятранспортного потока с зависимыми от временискоростями есть много задач. Несколько из нихмы сейчас сформулируем в виде гипотез.Назовем свободной фазой случай, когда автомобильне задерживается при обгоне догоняемогоавтомобиля, то есть интенсивность обгона равнабесконечности. Тогда для любых автомобилей синдексами i, j их скорости независимы, и, значит,ковариацииcov ij (t) =Ev i (t)v j (t) − Ev i (t)Ev j (t) =0.Гипотеза 1. Для заданных распределенийпроцессов w i (t) существует константа 0 v 2 .Предположим, что быстрые автомобили в начальныймомент времени образуют пуассоновскуюслучайную конфигурацию (пуассоновскийточечный поток) на всей прямой с плотностью λ 1 .Медленные автомобили расположены в моментt =0в точкахx 0 =0
64 ТРУДЫ МФТИ. — 2010. — Том 2, № 4II.2. О связи вероятностного подходас кинетическими уравнениямиКаждой частице в точке x i на прямой сопоставляетсямарка — скорость v i > 0. Тогдапоток машин определяется счетным подмножеством{(x i ,v i )} точек фазового пространстваR × R + . А случайный поток определяется меройμ на множестве таких конфигураций. Обозначимn(A) =n μ (A) — среднее число частиц в ограниченномобъеме A фазового пространства. Если существуеттакая функция f(x,v), что для всех A∫n(A) = f(x,v)dxdv,узлов обслуживания. Каждый узел S k представляетсобой систему типа M/M/1 с дисциплинойобслуживания FIFO (first-in-first-out), то есть обслуживаниев порядке естественной очереди. Этиузлы соответствуют медленным автомобилям, атребования — быстрым. Например, узел S 0 соответствуеткрайнему левому медленному автомобилю.Вторая буква M означает экспоненциальностьвремени обслуживания. Это вместе с дисциплинойFIFO отвечает формулировке нашей модели.Первая буква M означает пуассоновость входящегопотока прибывающих требований. Так, наузел S 0 поступление требований образует стационарныйпуассоновский поток с интенсивностьюλ 1 v. Из элементарной теории очередей известно,во-первых, что если λ 1 v < μ, то устанавливаетсястационарный режим с вероятностями P n того,что длина очереди равна n:P n =(1− r)r n ,r = λ 1vμ .Во-вторых, известно (теорема Burke), что в стационарномрежиме выходящий поток из системытипа M/M/1 будет пуассоновским с интенсивностью,равной интенсивности входящего потока, тоесть в нашем случае это λ 1 v.После первого узла со случайным, но одинаковымдля всех автомобилей временным сдвигомx 1−x 0vпоток требований поступает на узел S 1 ,гдетакже устанавливается стационарный режим.Найдем среднюю скорость быстрого автомобиляна интервале (x 0 ,x N ),N →∞. При этом мы будемпредполагать, что стационарный режим ужеустановился. Время проезда этого участка складываетсяиз N обгонов и N путей между медленнымиавтомобилями.Среднее время, затрачиваемое быстрым автомобилемна обгон медленного, составит∞∑n (n +1) 1(1 − r)r =μ (1 − r)μ = 1μ − λ 1 v ,n=0в то время как среднее время движения до следующегомедленного автомобиля есть1λ 2 v .Поэтому расстояние между соседними медленнымиавтомобилями (в среднем равное λ −12 ) быстрыйавтомобиль в среднем проходит за время(μ − λ 1 v) −1 +(λ 2 v) −1 .Таким образом, средняя скорость быстрого автомобилясоставитv mean =λ −12(μ − λ 1 v) −1 +(λ 2 v) −1 .В следующих разделах мы рассмотрим болеесложную ситуацию с более общими распределениями.Aто f называется одночастичной (корреляционной)функцией распределения μ.Хотя кинетический подход к транспортным задачамизвестен давно [19] и много разрабатывалсяв физических работах [11, 12, 37], следует сразусказать, что строгий математический выводкинетических уравнений (то есть уравнений дляf(t; x,v)) для транспортных потоков остается открытым.Мы даем лишь краткий комментарий.Пусть в момент t = 0 задано распределениеμ с одночастичной корреляционной функциейf(0,x,v). Если движение частиц свободное, тоесть каждая частица движется со своей, но строгопостоянной, скоростью, тоf(t + δ; x,v) =f(t; x − vδ,v).Вычитая f(t; x,v) из обеих частей этого равенства,деля на δ и переходя к пределу δ → 0, получаем∂f∂t + v ∂f =0. (3)∂xЭто простейшее кинетическое уравнение для системычастиц без столкновений. Решением будет,конечно,f(t; x,v) =f(0; x − vt,v). (4)В общем случае в кинетическом уравнениидолжен быть также столкновительный член.Столкновением частиц-автомобилей могло бы служитьих сближение, так что один мешает другомусовершить определенные маневры, например, обгон.Как бы происходит образование новой составнойчастицы (кластера из нескольких автомобилей),которая через некоторое время распадаетсяна отдельные частицы. Это не так легко формализовать.Другой подход — рассматривать движениебыстрых автомобилей в среде медленных. Предположимсначала, что автомобили и водители одинаковы,по-прежнему движутся независимо, но скоростьv(x,t) каждой зависит от x (например, отсостояния дороги в данном месте) и от t (например,от погодных условий). Иначе говоря, движениекаждой частицы определяется уравнениемdxdt = v(x,t),x(0) = x 0.