Введение

Основная группа велосипедистов

В дорожной велосипедной гонке пелотон (от французского, первоначально означающего «взвод») — это основная группа или плотная группа гонщиков. Велосипедисты в группе экономят энергию, едучи близко друг к другу (используя эффект драфтинга или следуя в потоке воздуха), особенно позади других гонщиков. Снижение аэродинамического сопротивления значительно: в середине хорошо сформированной группы сопротивление может быть уменьшено до 5–10%. Использование этой потенциальной экономии энергии приводит к сложным кооперативным и конкурентным взаимодействиям между гонщиками и командами в гоночной тактике. Этот термин также используется для обозначения всего сообщества профессиональных велосипедистов.

Определение

Более формально, пелотон определяется как "два или более велосипедиста, едущих в достаточно близкой близости, чтобы находиться в одной из двух основных позиций: (1) позади велосипедистов в зонах пониженного воздушного давления, известной как "drafting" (следование в аэродинамической тени), или (2) в позициях, где воздушное давление максимально. Велосипедисты, едущие в зоне аэродинамической тени, затрачивают меньше энергии, чем велосипедисты, идущие впереди". Пелотон также определяется как "группа велосипедистов, связанных друг с другом благодаря взаимной энергетической выгоде от следования в аэродинамической тени, при котором велосипедисты следуют за другими в зонах уменьшенного сопротивления воздуха". Пелотон – это сложная система, что означает, что коллективное поведение возникает из простых правил взаимодействия велосипедистов. Пелотон движется как единое целое, в котором каждый гонщик корректирует свою позицию в ответ на движения соседних и идущих впереди велосипедистов. Велосипедисты, находящиеся впереди, полностью подвержены сопротивлению ветра и, следовательно, испытывают большую усталость, чем велосипедисты, едущие в зоне аэродинамической тени. После определенного времени, проведенного в лидирующей позиции, ведущие велосипедисты маневрируют назад в пелотон, в зону аэродинамической тени, чтобы восстановиться. Таким образом, пелотон находится в постоянном движении, с непрерывной ротацией велосипедистов, которые перемещаются от задних рядов к переднему краю, а затем отпадают назад. Подобно стаям птиц, поведение, похожее на пелотон, включающее следование в аэродинамической тени или аналогичные механизмы экономии энергии, было выявлено в различных биологических системах. Форма или построение пелотона меняется в зависимости от множества факторов. Относительно высокая мощность, необходимая из-за высокой скорости на ровной местности, сильный встречный ветер или подъемы (холмы) приводят к расширению или удлинению построения, часто в один ряд. Медленный темп или попутный ветер, при котором выход мощности велосипедистов низок, приводят к компактным построениям, когда велосипедисты едут бок о бок, часто заполняя дорогу от одного края до другого. Когда две или более группы велосипедистов оспаривают контроль над пелотоном, могут образовываться несколько эшелонов, каждый из которых стремится истощить другие команды. Усталость является решающим фактором в исходе каждой гонки. Диапазон периферического зрения велосипедистов является важным фактором формирования пелотона. Таким образом, эти построения состоят из двух основных фаз поведения: компактного, низкоскоростного построения и построения в один ряд, высокоскоростного. Принципы фазового поведения, выявленные Trenchard и др., были применены для оптимизации инженерных задач. Аналогично, эти пороговые значения в построении пелотона определяют переходы между кооперативным поведением в пелотоне и поведением "свободной езды". Сотрудничество и "свободная езда" в пелотонах изучались с использованием теории игр и как социальная дилемма, а также рассматривались в контексте эквивалентности аспектам экономической теории. Базовые модели поведения в пелотоне также были смоделированы с использованием роботов, а принципы поведения пелотона также рассматривались в связи с будущим коллективного поведения роботов.

Модель Олдса

Анализ Олдса включал в себя отрыв пелотона и преследующие группы. Он выявил факторы, определяющие вероятность успешного достижения группой отрыва финиша раньше преследующих групп. Он определил следующие ключевые факторы: оставшаяся дистанция гонки, скорость группы отрыва, количество гонщиков как в группе отрыва, так и в преследующей группе, степень плотности пелотона, профиль и качество дорожного покрытия трассы, а также встречный и боковой ветер (обозначаемые как "факторы спроса"). Введя физиологические показатели гонщиков, включая выработку метаболической мощности и время до истощения ("факторы предложения"), Олдс представил итеративный алгоритм для определения средней мощности каждой группы и их относительного времени до истощения, тем самым определяя, сможет ли преследующая группа догнать отрыв. Ключевые выводы Олдса заключаются в том, что средняя скорость группы быстро возрастает с увеличением её размера до пяти-шести гонщиков, а затем продолжает увеличиваться, но уже более медленно, до примерно 20 велосипедистов; расстояние между колесами существенно влияет на скорость группы благодаря эффекту драфтинга; средняя скорость снижается по мере уменьшения оставшейся дистанции; необходимое время для удержания отрыва быстро сокращается с увеличением количества гонщиков в отрыве до примерно 10, но затем выравнивается по мере приближения численности отрыва к численности преследующей группы. Кроме того, Олдс заметил, что если размер преследующей группы меньше размера группы отрыва, а расстояние между колесами преследователей превышает 3 метра, то преследующая группа никогда не догонит лидирующую, при прочих равных условиях.

Модель Hoenigman et al.

Компьютерные модели, основанные на агентах, позволяют любому количеству независимых "агентов" с заданными атрибутами взаимодействовать в соответствии с запрограммированными правилами поведения. Таким образом, возникают смоделированные глобальные закономерности, которые можно изучать по их свойствам и сравнивать с реальными системами. Для своих агентов-велосипедистов Hoenigman et al. присвоили индивидуальные максимальные мощности в гетерогенном диапазоне среди велосипедистов в пелотоне, а также индивидуальные и командные кооперативные атрибуты, при которых агенты разделяют наиболее затратную переднюю позицию или уклоняются от неё, стремясь к менее затратным позициям в пелотоне, в обоих случаях в соответствии с определенной вероятностью. Hoenigman et al. использовали уравнения мощности из литературы для езды без тяги и с тягой, приблизительный анаэробный порог, определяемый как процент от максимальной мощности велосипедиста при одиночной езде без тяги, и параметр времени до изнеможения. Авторы также ввели состояние "отрыва", при котором велосипедисты, уклоняющиеся от работы, увеличивают скорость до более высокого порога, чтобы совершить отрыв или догнать группу впереди. Авторы провели эксперименты, изменяя указанные параметры в смоделированной гонке по ровной трассе, состоящей из 15 команд по 10 гонщиков. Сотрудничающие велосипедисты (те, кто готовы занимать наиболее затратную переднюю позицию) проводят 5 минут впереди, после чего переходят в конец пелотона. Уклоняющиеся велосипедисты проводят на переднем крае всего одну минуту. По мере приближения к финишу стратегии меняются: каждый агент постепенно увеличивает свою мощность, основываясь на оставшейся энергии, до 100% от максимальной мощности. Результаты моделирования показывают, что слабым гонщикам выгоднее уклоняться от работы, в то время как сотрудничество является хорошей стратегией для сильных гонщиков. Результаты реалистичны при сравнении с реальными соревнованиями и демонстрируют эффективность такого рода модели, основанной на агентах, которая облегчает точную идентификацию и анализ базовых принципов поведения системы (в данном случае, пелотона).

Симуляция Эрика Ратамеро

В своем моделировании пелотона на основе агентов 2013 года Эрик Ратамеро применил модель стайности на основе агентов Виленски, включающую три основных динамических параметра: выравнивание, разделение и сплочение. Модель Виленски берет начало в модели стайности Крейга Рейнольдса, которая включает те же параметры, которые он описал как согласование скорости, избежание столкновений и центрирование стаи. Затем Ратамеро применил алгоритм Саямы для сил сплочения и разделения, чтобы корректировать ускорение агентов на основе их пропорционального расстояния в пределах заданного поля зрения. Далее Ратамеро ввел энергетические параметры велосипедистов, используя элементы уравнений Олдса для оценки энергозатрат велосипедистов и результаты соревнований велосипедистов, полученные Хоенигманом. Затем Ратамеро ввел пороговое энергетическое значение для моделирования лактатного порога, основанного на данных Хоенигмана, при котором агенты-велосипедисты, расходующие энергию выше этого уровня, будут уставать и, в конечном итоге, отходить назад в смоделированном пелотоне. Таким образом, агенты-велосипедисты расходуют энергию дифференцированно внутри пелотона в зависимости от их позиций и близости к позициям для эшелонирования. Модель Ратамеро демонстрирует, что велосипедисты, как правило, расходуют энергию более эффективно, участвуя в хорошо организованных линиях, в которых велосипедисты продвигаются к переднему краю, даже если они могут проводить больше времени в передних позициях без эшелонирования, чем некоторые велосипедисты внутри пелотона, чьи постоянные изменения позиций могут приводить к меньшему времени в оптимальных позициях для эшелонирования. Модель Ратамеро демонстрирует самоорганизованное конвективное поведение, которое Тренчард описал как фазу поведения пелотона.

Стратегия

В то время как гонщики в самом переднем ряду испытывают наибольшее сопротивление воздуха (а также те, кто на подветренной стороне при значительном боковом ветре), те, кто находится позади первых гонщиков у переднего края, имеют критические преимущества. Близость к передней группе позволяет гонщику видеть и реагировать на атаки соперников и изменения позиций с гораздо меньшими усилиями. Иногда в пелотоне образуются разрывы, и близость к передней группе снижает риск оказаться в задней группе, если, например, после падения произойдет отрыв. У гонщиков, находящихся впереди, гораздо меньше вероятность задержек из-за участия в падениях. Риск задержек или травм от участия в падениях возрастает по мере удаления назад в пелотоне. Кроме того, гонщики все сильнее подвержены эффекту «аккордеона», когда изменение скорости усиливается по мере распространения к задней части пелотона. Гонщики, следующие за ними, должны предвидеть и тормозить раньше, чтобы избежать столкновений при замедлении пелотона. Даже кратковременное касание колес обычно приводит к падению, которое распространяется по всему пелотону как цепная реакция, поскольку плотно упакованные гонщики не могут избежать столкновения с упавшими гонщиками и велосипедами. Весь пелотон, оказавшийся за местом падения, может быть остановлен. Близость к передней группе также критична при сильном боковом ветре. Боковой ветер создает значительную усталость для всех, если только гонщики не формируют движущиеся группы, называемые эшелонами, в которых они сотрудничают, чтобы создать «пацелину» в виде гоночной трассы, расположенной под углом к дороге, с ведущим гонщиком на наветренной стороне дороги. Гонщики в пацелине, например, в эшелоне, последовательно меняются местами через короткие промежутки времени, чтобы ни один гонщик не испытывал длительное чрезмерное сопротивление ветру на переднем крае. Размер эшелонов ограничен шириной дороги. Когда большой пелотон подвергается сильному боковому ветру на узкой дороге, пелотон неизбежно разделяется на несколько небольших эшелонов. Команды, осведомленные об условиях ветра, достаточно сильные, чтобы переместиться вперед, и имеющие опыт езды в эшелонах, могут получить важное преимущество в таких условиях. Для гонщиков, претендующих на победу, крайне важно оставаться рядом (но не впереди) передней группы пелотона, особенно при приближении к крутым поворотам, требующим торможения. Возобновление темпа после крутого поворота (особенно против ветра) часто приводит к разделению пелотона. Если после разделения воля и коллективная сила тех, кто находится впереди, больше, чем у отстающих, разрыв между группами сохранится (или увеличится) до конца гонки, поскольку дополнительное сопротивление воздуха для одиночного гонщика, пытающегося продвинуться вперед к передней группе, налагает чрезмерную усталость по сравнению с теми, кто остался защищенным в пелотоне. Это особенно верно на высокой скорости на ровных дорогах. Когда команда маневрирует впереди пелотона, она занимает позицию, позволяющую диктовать темп гонки. Команды гонщиков могут предпочитать более быстрый или медленный темп в зависимости от тактики команды. Близость или нахождение в передней группе пелотона критично при инициировании отрыва. Несколько сильных гонщиков всегда пытаются оторваться от основного пелотона, стремясь создать такое значительное преимущество в начале гонки, которое пелотон не сможет ликвидировать до финиша. Отрывы могут быть успешными, когда гонщики в отрыве сильны, особенно если ни один из них не является лидером (претендующим на победу в общем зачете), и если они действуют как команда. Гонщик (или гонщики), находящийся впереди и успешно оторвавшийся от пелотона, называется Tête de la Course (французское выражение, означающее «голова гонки»). Пелотон не позволит отрыву с лидером уйти далеко вперед. Сильные команды, желающие вывести своего спринтера в борьбу за победу, выходят впереди пелотона и задают жесткий темп, вызывая усталость у соперников, в то время как гонщики в отрыве (которые должны проводить гораздо больше времени, подвергаясь воздействию ветра, чем гонщики в пелотоне) последовательно выдыхаются и обычно догоняются. В противном случае успешные отрывы часто распадаются непосредственно перед финишем, когда расчеты гонщиков относительно личных шансов на победу разрушают непрочный альянс отрыва, в то время как пелотон быстро догоняет. Также важны тактические факторы. Командная тактика обычно включает в себя группировку своих членов в пелотоне, чтобы максимизировать их способность влиять на него. Например, если член команды находится в отрывной группе впереди основного пелотона, остальные члены команды обычно не будут пытаться ускорить пелотон, чтобы максимизировать шансы на успех гонщика в отрыве. В редких случаях они могут переместиться впереди пелотона и активно препятствовать продвижению пелотона в критический момент. Эта тактика имеет наибольшие шансы на успех на узких дорогах с крутыми поворотами, где одна команда может занять всю ширину дороги. В гонках, где финиш находится на ровной дороге, в пределах нескольких километров от финиша, сильные команды выстраиваются в линии, а их главный спринтер находится сзади. Ведущий гонщик каждой претендующей команды движется вперед с максимально возможной скоростью, пока не достигнет предела своих возможностей, после чего отходит в сторону, позволяя следующему члену команды в линии двигаться вперед до своего предела. Спринтер команды использует эффект драфтинга сзади, чтобы минимизировать усталость из-за сопротивления воздуха, до последних ста метров или около того, когда спринтер выберет момент, чтобы вырваться из-за ведущего гонщика и устремиться к финишу с максимально возможной скоростью.