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Boris Kerner

Boris S. Kerner (nacido en 1947) es un físico e ingeniero civil alemán que creó la teoría del tráfico trifásico . [1] [2] [3] [4] [5] [6] La teoría del tráfico trifásico es el marco para la descripción de los estados empíricos del tráfico vehicular en tres fases de tráfico: (i) flujo de tráfico libre (F), (ii) flujo de tráfico sincronizado (S) y (iii) atasco amplio en movimiento (J). Las fases de flujo de tráfico sincronizado y atasco amplio en movimiento pertenecen al tráfico congestionado .

Biografía

Kerner es ingeniero y físico. Nació en Moscú, Unión Soviética, en 1947 y se graduó en la Universidad Técnica de Moscú MIREA en 1972. Boris Kerner obtuvo el doctorado y el doctorado en ciencias en la Academia de Ciencias de la Unión Soviética, respectivamente, en 1979 y 1986. Entre 1972 y 1992, sus principales intereses incluyen la física de semiconductores, plasma y física del estado sólido. Durante este tiempo, Boris Kerner, junto con V. V. Osipov, desarrolló una teoría de los autosolitones , estados intrínsecos solitarios que se forman en una amplia clase de sistemas disipativos físicos, químicos y biológicos. [7]

Después de emigrar de Rusia a Alemania en 1992, Boris Kerner trabajó para la empresa Daimler en Stuttgart. Su principal interés desde entonces fue la comprensión del tráfico vehicular . [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] Boris Kerner fue galardonado con el Premio de Investigación Daimler en 1994. [15] La naturaleza empírica de la nucleación de la ruptura del tráfico en los cuellos de botella de las autopistas entendida por Boris Kerner es la base de la teoría del tráfico trifásico de Kerner , que introdujo y desarrolló entre 1996 y 2002. [16] [17] [18] [19 ] [20 ] [21] [22] [23]

Entre 2000 y 2013, Boris Kerner dirigió el área de investigación científica de Tráfico en la empresa Daimler. En 2011, Boris Kerner recibió el título de profesor de la Universidad de Duisburg-Essen en Alemania. [24] Después de jubilarse de la empresa Daimler el 31 de enero de 2013, el profesor Kerner trabaja en la Universidad de Duisburg-Essen. [25]

Trabajo científico

Teoría del tráfico trifásico

En la teoría de tráfico trifásica de Kerner, además de la fase de tráfico de flujo libre (F), hay dos fases de tráfico en el tráfico congestionado : la fase de tráfico de flujo sincronizado (S) y la fase de atasco amplio y móvil (J). Uno de los principales resultados de la teoría de Kerner es que la ruptura del tráfico en un cuello de botella de la autopista es una transición de fase aleatoria (probabilística) de flujo libre a flujo sincronizado (transición F → S) que ocurre en un estado metaestable de flujo libre en un cuello de botella de la autopista . Esto significa que la ruptura del tráfico (transición F → S) exhibe la naturaleza de nucleación . [26] [27] [28 ] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] La razón principal de la teoría trifásica de Kerner es la explicación de la naturaleza de nucleación empírica de la ruptura del tráfico (transición F → S) en los cuellos de botella de la autopista observados en datos de tráfico de campo reales.

La predicción de la teoría trifásica de Kerner es que esta metaestabilidad del flujo libre con respecto a la transición de fase F → S está gobernada por la naturaleza de nucleación de una inestabilidad del flujo sincronizado con respecto al crecimiento de un aumento local suficientemente grande en la velocidad del flujo sincronizado (llamado inestabilidad S → F). La inestabilidad S → F es una onda de velocidad creciente de un aumento local en la velocidad del flujo sincronizado en el cuello de botella. El desarrollo de la inestabilidad S → F de Kerner conduce a una transición de fase local del flujo sincronizado al flujo libre en el cuello de botella (transición S → F). [16] [17] [18]

Entre 2011 y 2014, Boris Kerner amplió la teoría del tráfico trifásico, que desarrolló inicialmente para el tráfico en autopistas, para la descripción del tráfico urbano. [39] [40] [41]

Flujo de tráfico sincronizado

A finales de la década de 1990, Kerner introdujo una nueva fase de tráfico, denominada flujo sincronizado , cuya característica básica conduce a la naturaleza de nucleación de la transición F → S en un cuello de botella de la autopista. [16] [17] [18] [42] [43] Por lo tanto, la fase de tráfico de flujo sincronizado de Kerner se puede utilizar como sinónimo del término teoría de tráfico trifásico .

En 1998, Kerner descubrió que el conocido fenómeno empírico de los atascos en movimiento "sin una razón obvia" se produce debido a una secuencia de transiciones F → S → J. [26] Este estudio se realizó utilizando datos de tráfico empíricos. La explicación de la secuencia de transiciones F → S → J es la siguiente: en la teoría de tráfico trifásica se supone que la probabilidad de una transición F → S en flujo libre metaestable es considerablemente mayor que la probabilidad de una transición F → J. [16]

En la teoría del tráfico trifásico de Kerner, cualquier transición de fase entre las tres fases del tráfico exhibe la naturaleza de nucleación, como de acuerdo con los resultados de las observaciones empíricas. [16] [17] [18]

En 2011, Kerner introdujo el principio de minimización de averías, que se dedica al control y la optimización de las redes de tráfico y transporte, manteniendo al mismo tiempo el mínimo de probabilidad de ocurrencia de congestión de tráfico en una red. [44] En lugar de una minimización explícita del tiempo de viaje, que es el objetivo del Sistema Óptimo y el Equilibrio del Usuario , el principio BM minimiza la probabilidad de ocurrencia de congestión en una red de tráfico. [45]

Modelos matemáticos en el marco de la teoría del tráfico trifásico

En lugar de un modelo matemático del flujo de tráfico , la teoría del tráfico trifásico de Kerner es una teoría del flujo de tráfico cualitativo que consta de varias hipótesis. El primer modelo matemático del flujo de tráfico en el marco de la teoría del tráfico trifásico de Kerner que las simulaciones matemáticas pueden mostrar y explicar la ruptura del tráfico por una transición de fase F → S en el flujo libre metaestable en el cuello de botella fue el modelo de flujo de tráfico microscópico estocástico de Kerner-Klenov introducido en 2002. [46] Algunos meses después, Kerner, Klenov y Wolf desarrollaron un modelo de flujo de tráfico de autómata celular (CA) en el marco de la teoría del tráfico trifásico de Kerner. [47] El modelo de flujo de tráfico estocástico de Kerner-Klenov en el marco de la teoría de Kerner se ha desarrollado aún más para diferentes aplicaciones, en particular para simular la medición de la rampa de entrada , el control del límite de velocidad , la asignación dinámica de tráfico en redes de tráfico y transporte, el tráfico en cuellos de botella pesados ​​y en cuellos de botella en movimiento, las características del flujo de tráfico heterogéneo que consiste en diferentes vehículos y conductores, métodos de advertencia de atascos, comunicación de vehículo a vehículo (V2V) para conducción cooperativa, el rendimiento de los vehículos autónomos en el flujo de tráfico mixto, la interrupción del tráfico en las señales de tráfico en el tráfico urbano, el tráfico urbano sobresaturado , el consumo de combustible del vehículo en las redes de tráfico. [48] [49] [50 ] [51] [52] [ 53] [54 ] [55] [56] [57] [58] [59] [60 ] [39] [40] [ 41 ] [61]

Sistemas de transporte inteligentes en el marco de la teoría del tráfico trifásico

Métodos ASDA/FOTO para la reconstrucción de patrones de tráfico congestionado

La teoría del tráfico trifásico es una base teórica para aplicaciones en ingeniería de transporte . [16] [17] Una de las primeras aplicaciones de la teoría del tráfico trifásico son los métodos ASDA/FOTO que se utilizan en aplicaciones en línea para la reconstrucción espaciotemporal de patrones de tráfico congestionado en redes de carreteras. [62] [63]

Enfoque de control de patrones congestionados

En 2004, Kerner introdujo el enfoque de control de patrones congestionados . [16] [64] [65] A diferencia del control de tráfico estándar en un cuello de botella de la red en el que un controlador (por ejemplo, mediante el uso de medición de rampa de entrada , límite de velocidad u otras estrategias de control de tráfico) intenta mantener las condiciones de flujo libre al máximo caudal posible en el cuello de botella, en el enfoque de control de patrones congestionados no se realiza ningún control del flujo de tráfico en el cuello de botella mientras se realice el flujo libre en el cuello de botella. Solo cuando se ha producido una transición F → S (interrupción del tráfico) en el cuello de botella, el controlador comienza a trabajar intentando devolver el flujo libre en el cuello de botella. El enfoque de control de patrones congestionados es coherente con la naturaleza de nucleación empírica de la interrupción del tráfico. Debido al enfoque de control de patrones congestionados, el flujo libre se recupera en el cuello de botella o la congestión del tráfico se localiza en el cuello de botella. [66] [67]

En 2004, Kerner introdujo el concepto de vehículo autónomo en el marco de la teoría del tráfico trifásico. El vehículo autónomo en el marco de la teoría del tráfico trifásico es un vehículo autónomo para el que no hay un intervalo de tiempo fijo con respecto al vehículo precedente. [68] [69] [70]

Trabajo después de 2015

En 2015, Kerner descubrió que antes de que se produzca una interrupción del tráfico en un cuello de botella de la autopista, puede haber una secuencia aleatoria de transiciones F → S → F en el cuello de botella: El desarrollo de una transición F → S se interrumpe por una inestabilidad S → F que conduce a la disolución sincronizada del flujo que da lugar a una transición S → F en el cuello de botella. El efecto de las transiciones F → S → F de Kerner es el siguiente: Las transiciones F → S → F determinan un retraso temporal aleatorio de la interrupción del tráfico en el cuello de botella. [71]

Kerner sostiene que existe un nuevo paradigma de la ciencia del tráfico y el transporte que se deriva de la naturaleza empírica de la nucleación de la interrupción del tráfico (transición F → S) y que la teoría del tráfico trifásico cambia el significado de la capacidad estocástica de la autopista de la siguiente manera. En cualquier instante de tiempo existe un rango de valores de capacidad de la autopista entre una capacidad mínima y una máxima, que son en sí mismos valores estocásticos. Cuando el caudal en un cuello de botella está dentro de este rango de capacidad relacionado con este instante de tiempo, la interrupción del tráfico puede ocurrir en el cuello de botella solo con cierta probabilidad, es decir, en algunos casos ocurre la interrupción del tráfico, en otros casos no ocurre. [16] [17] [18] [72] [ página necesaria ]

En 2016, Kerner desarrolló una aplicación del principio de minimización de fallas denominada enfoque de maximización del rendimiento de la red . El enfoque de maximización del rendimiento de la red de Kerner está dedicado a maximizar el rendimiento de la red mientras se mantienen las condiciones de flujo libre en toda la red. [73]

En 2016, Kerner introdujo una medida (o "métrica") de una red de tráfico o transporte llamada capacidad de red . [73] [20]

En 2019, Kerner descubrió que existe una competencia espaciotemporal entre las inestabilidades S → F y S → J. [38]

Véase también

Referencias

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  2. ^ Science News Online, Volumen 156, Número 1 (3 de julio de 1999). La ciencia del tráfico intermitente. Al comprender mejor el flujo de tráfico, los investigadores esperan reducir la congestión en las carreteras
  3. ^ Artículo de Davis en "APS News" titulado "Los físicos y el flujo de tráfico"
  4. ^ The Economist: Atascos de tráfico: adaptación a las condiciones de la carretera – 1 de julio de 2004 – De la edición impresa de The Economist
  5. ^ Physics Today – Noviembre de 2005 por Henry Lieu (Administración Federal de Carreteras, McLean, Virginia), revisor del libro "La física del tráfico: características empíricas de los patrones de las autopistas, aplicaciones de ingeniería y teoría" de Boris S. Kerner [ enlace muerto permanente ]
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Fuentes