Los sistemas de transporte en entornos urbanos son vulnerables a una variedad de factores que incluyen el clima, la congestión del tráfico y eventos especiales. Los cuellos de botella, en particular, pueden causar problemas importantes y provocar fallas en cascada de todo el sistema.

Científicos de la Universidad de Fudan y la Universidad de Energía Eléctrica de Shanghái en China desarrollaron una técnica de modelado para estudiar los flujos de tráfico urbano y la verificaron con datos del mundo real de Shanghái. Describen su enfoque en Chaos, de AIP Publishing, y muestran que su modelo se puede usar para encontrar cuellos de botella previamente desconocidos que podrían provocar fallas en toda la red de carreteras.

Esta investigación se encuentra en la intersección de la física y la ciencia de la información y es un modelo innovador que involucra el estudio de las ciudades inteligentes. El modelo utiliza una forma modificada de la teoría de la percolación, ampliamente utilizada para comprender el flujo de líquidos a través de medios porosos, como suelo y geles. Cuando el líquido fluye a través de una red de poros, ocasionalmente se bloquea de la misma manera que se puede bloquear el flujo de vehículos a través de las carreteras.

Al construir su modelo, los investigadores consideraron la red vial existente y la distribución de la población en Shanghái. Generaron viajes entre varios centros de población, asignando esos viajes a las vías que proporcionaron la menor distancia de viaje.

« El área urbana es un sistema abierto donde, además de los flujos intrarregionales, también hay un intercambio de flujos entre regiones externas. Para simular el efecto de los desplazamientos, aumentamos la población de las regiones limítrofes », dijo el autor Yu-Gang Ma.

La carga de tráfico en cada carretera se convirtió en una velocidad. Cuando el flujo de tráfico alcanzaba una velocidad inaceptablemente baja en una carretera determinada, esa carretera se consideraba disfuncional y se eliminaba del modelo.

Repitiendo este proceso de manera recursiva, los investigadores descubrieron que una falla masiva en cascada del sistema de transporte urbano ocurría de manera repentina y discontinua, de forma muy parecida a como ocurre una transición de fase repentina cuando el hielo se derrite o el agua hierve.

El autor y líder del proyecto, Dingding Han, dijo : « Usamos mapas disponibles públicamente para el distrito de Yangpu en Shanghái e identificamos cuatro carreteras que sirven como vías principales de desplazamiento. Al aplicar nuestro modelo de filtración de tráfico recursivo, pudimos identificar una vía en particular, Zhonghuan Road, como un cuello de botella potencial que podría conducir a fallas en cascada de todo el sistema de tráfico urbano ».

Cuando Zhonghuan Road se bloquea, el tráfico fluye hacia calles laterales que eventualmente no pueden manejar el flujo de vehículos. Esto conduce a bloqueos adicionales y una avería de todo el sistema. Cuando esto ocurre, la red de caminos se rompe en fragmentos desconectados.

« Vale la pena señalar que el cuello de botella de Zhonghuan Road se encontró durante la quinta ronda de eliminación de carreteras en nuestro modelo », dijo el autor Jiang-Hai Qian. « A través del proceso dinámico de falla en cascada, se descubrió el cuello de botella oculto ».