Perché si formano gli ingorghi sulle strade

Gli ingorghi sulle strade, specialmente nelle ore di punta e durante le festività o le ferie estive, sono un fenomeno che interessa tutte le principali città del mondo, seppure in misura diversa. Si formano code nei centri urbani in Europa, sia in quelli grandi e ben collegati dai trasporti pubblici sia in quelli meno affollati. Ci sono code nelle grandi città americane, note per l’ampiezza delle carreggiate e per una certa predilezione degli abitanti per il trasporto privato. E c’è traffico nei centri urbani molto densamente popolati dei paesi asiatici e anche di quelli in via di sviluppo.

Una delle convinzioni più diffuse quando ci si trova imbottigliati nel traffico è che la ragione dell’imbottigliamento sia un motivo di rallentamento a un certo punto del percorso: un incrocio, un semaforo, un restringimento della carreggiata o un incidente. Diversi studi sulle proprietà emergenti dei sistemi complessi dimostrano tuttavia che a causare la congestione del traffico sono spesso le cosiddette «code fantasma».

Sono rallentamenti che si formano senza alcun motivo apparente in presenza di grandi volumi di auto sulla strada. E dipendono da comportamenti individuali apparentemente ininfluenti – seguire da vicino la macchina che abbiamo davanti, non mantenere una velocità costante – i cui effetti si ripercuotono a catena lungo tutta la coda, fino a fermare il traffico del tutto. Diversi studi recenti dimostrano come sistemi di guida autonoma basati sull’intelligenza artificiale possano contribuire a ridurre notevolmente questo fenomeno.

Di solito, una coda fantasma si verifica quando in una situazione di traffico intenso ma scorrevole un’auto riduce anche solo leggermente la propria velocità. E questo provoca una più marcata riduzione di velocità dell’auto che la segue a distanza ravvicinata e il cui conducente non poteva prevedere il rallentamento dell’auto davanti. A quel punto il rallentamento si propaga all’indietro come un’onda, peggiorando man mano che si diffonde, anche se l’auto in testa alla coda ha intanto ripreso l’andatura che aveva all’inizio. Le auto che si trovano molto più indietro nella coda sono alla fine costrette a fermarsi del tutto, per non rischiare di colpire le auto più lente davanti.

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Le code fantasma sono state spesso riprodotte in condizioni sperimentali che permettono di comprenderne la dinamica e le ragioni, generalmente difficili da scorgere in condizioni normali. Gli esperimenti mostrano che, anche lungo un percorso circolare privo di ostacoli o interruzioni, le code si formano spontaneamente. E non è nemmeno necessario che ci siano moltissime auto: il traffico anzi sarebbe scorrevole, se gli automobilisti mantenessero costante la velocità e uniforme la distanza dalle altre macchine. Cosa che però non accade, a causa di minime «perturbazioni» nel sistema causate da variazioni individuali nella guida degli automobilisti.

In uno studio giapponese del 2008, condotto da un gruppo di ricercatori dell’Università di Nagoya, agli automobilisti di 22 macchine inizialmente poste alla stessa distanza l’una dall’altra fu chiesto di guidare su un circuito circolare lungo 230 metri mantenendo una velocità costante di circa 30 chilometri orari. I ricercatori scoprirono che dopo pochi minuti si formava una coda che si propagava all’indietro a una velocità di circa 20 chilometri orari. E conclusero che la coda si forma spontaneamente se la densità media di auto presenti sulla strada supera un certo valore critico, rendendo impossibile mantenere l’omogeneità delle condizioni di partenza.

Gli studi sulle code fantasma mostrano come queste «onde» di rallentamento possano viaggiare lungo un’autostrada per chilometri. In condizioni di bassa densità il traffico rimane scorrevole perché le piccole perturbazioni nel sistema – come per esempio un automobilista che cambia corsia o che rallenta in curva – vengono «assorbite» dagli aggiustamenti messi in pratica dagli altri automobilisti. Ma se il numero di macchine aumenta e le distanze tra le macchine diminuiscono al di sotto di una certa soglia, il sistema diventa instabile e le piccole perturbazioni vengono amplificate.

Il concetto di coda fantasma ha permesso di indebolire per molti aspetti un diffuso e durevole pregiudizio secondo cui a causare i rallentamenti sarebbero sempre gli altri, probabilmente automobilisti con scarse abilità di guida, e mai noi stessi.

In un recente sondaggio su tremila automobilisti negli Stati Uniti, il 93 per cento degli intervistati ha affermato di guidare in un modo che ridurrebbe gli incidenti stradali di almeno il 10 per cento. E oltre l’80 per cento si è definito un automobilista migliore rispetto alla media. Come osservava sarcasticamente il comico statunitense George Carlin, morto nel 2008: «Avete mai notato che chiunque stia guidando più lentamente di voi è un imbecille e chiunque stia guidando più velocemente di voi è un folle?».

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In un certo senso, sintetizzano gli studiosi che si sono occupati del problema, le code fantasma non sono colpa di una sola persona ma di tutte, considerate nel loro insieme. E all’origine delle piccole perturbazioni del sistema, che si traducono poi in file interminabili, potrebbe piuttosto esserci una sopravvalutazione delle proprie abilità di guida e di concentrazione che non le scarse abilità di qualcun altro.

Proprio questa sopravvalutazione è ciò che spesso porta gli automobilisti a non mantenere una certa distanza dalle altre macchine e li fa sentire in grado di reagire tempestivamente e in modo appropriato a qualsiasi eventuale rallentamento del traffico. Con il risultato che il più delle volte quegli automobilisti sono costretti a frenare per evitare di fatto un tamponamento, comportamento che accresce e prolunga l’onda del rallentamento lungo la coda. Così come la accresce la tendenza ad accelerare troppo rapidamente dopo un rallentamento e frenare di nuovo bruscamente, generando a catena altri cicli di brusche frenate da parte di chi sta dietro.

Berthold Horn, docente di informatica del Massachusetts Institute of Technology, si è a lungo occupato di sistemi di intelligenza artificiale applicata al problema delle code fantasma. Secondo lui e altri studiosi, la singola condizione che potrebbe ridurre o eliminare del tutto queste code è mantenere una velocità costante e una distanza omogenea tra le macchine (la condizione iniziale nell’esperimento dello studio dell’Università di Nagoya).

Questa condizione – da Horn definita «controllo bilaterale» – è però ostacolata dallo stile di guida tipico di molti automobilisti. E le funzioni tecnologiche che permettono di controllare automaticamente la velocità (cruise control) e di mantenere una certa distanza prestabilita dall’auto davanti sono presenti in un numero ancora limitato di macchine in circolazione, oppure vengono disattivate dagli automobilisti.

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In altre parole, per un motivo o per un altro, gli automobilisti non sono in grado di adattare continuamente il proprio stile di guida in modo da mantenere la propria auto più o meno a metà strada tra l’auto che sta davanti e quella che sta dietro. E non ci riescono, tra l’altro, perché non hanno alcuna percezione delle condizioni intorno a loro.

L’utilizzo di auto a guida autonoma, che dispongono di dati sulle condizioni del traffico ricavati dai sensori stradali e dai sistemi integrati nelle altre auto, ha ridotto drasticamente le code fantasma in alcuni esperimenti condotti nel 2017 da ricercatori della University of Illinois Urbana-Champaign e di altri istituti.

Mantenendo una velocità costante, vicina alla velocità media del traffico complessivo, queste macchine impediscono la formazione degli ingorghi. E in situazioni in cui gli ingorghi siano già presenti, sono in grado di anticiparli frenando prima e in modo più graduale rispetto a quanto farebbe un automobilista. Inoltre, come dimostrato dagli esperimenti, anche l’aggiunta di una sola auto a guida autonoma – in circuiti circolari percorsi da circa 20 auto con automobilisti umani – può essere sufficiente a ridurre le code fantasma.

All’inizio del video di uno dei test, quando l’accelerazione dell’auto a guida autonoma è controllata da un conducente umano, il traffico inizia ad aumentare. Quando il sistema di guida autonoma prende il controllo dell’auto, il traffico si attenua. I test dimostrarono inoltre una diminuzione massima del 40 per cento del consumo di carburante complessivo di tutte le auto, quando il sistema entrava in azione.