◎本刊記者　季天也　撰文/攝影

你不知道的紅綠燈那些事
——訪北方工業(yè)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院副院長王力副教授

◎本刊記者季天也撰文/攝影

經(jīng)常在市區(qū)開車的人可能會感覺到，有時通過路口一路綠燈，有時又處處趕上紅燈。這只是運氣原因嗎？信號燈的紅綠時間是如何分配的？完善的信號燈系統(tǒng)對交通順暢貢獻(xiàn)幾何？5月26日，《環(huán)境與生活》記者來到北方工業(yè)大學(xué)，聽該校主攻城市交通信號智能控制理論與技術(shù)的電氣與控制工程學(xué)院副院長、城市道路交通智能控制技術(shù)北京市重點實驗室副主任王力副教授講解紅綠燈的奧妙。

位于北方工業(yè)大學(xué)2號實驗樓前、供教學(xué)和研究的紅綠燈設(shè)備。

實驗室宛如交通指揮中心

北方工業(yè)大學(xué)的修偉杰老師首先帶記者參觀了學(xué)校的城市道路交通智能控制技術(shù)北京市重點實驗室，該實驗室是京津冀地區(qū)唯一以城市交通控制為特色的省部級重點實驗室。

走進(jìn)房間，頓時有種置身交管局指揮中心的感覺：一塊比黑板還大的組合監(jiān)控屏格外高調(diào)，屏幕上分區(qū)模擬顯示著北京城區(qū)監(jiān)控探頭的分布、某些路口的路況數(shù)據(jù)和紅綠燈的運行狀態(tài)。幾個學(xué)生坐在屏幕前的電腦前，操作著記者看不懂的圖表和數(shù)據(jù)，時不時小聲交談幾句。在靠窗一側(cè)，一組帶有倒計時的信號燈正在有規(guī)律的運行。修老師介紹，這里是進(jìn)行城市道路交通智能控制技術(shù)研究與實現(xiàn)的實驗室。他打開一個金屬機箱講解道，這個信號機與前面的電腦和上方的紅綠燈相連，電腦負(fù)責(zé)給紅綠燈配時?！斑@臺信號機具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，其具有高集成度、高智能化、高可靠性等特點?！?/p>

來到另一間實驗室，記者見到了不同品牌的信號機以及能顯示紅綠燈路口的教具和各式沙盤，其中一個教具多達(dá)4個“路口”。修老師介紹，“這是用來練習(xí)幾個路口聯(lián)動控制的，在電腦上把紅綠燈配時調(diào)好，就可以展示出‘綠波帶’效果?！?/p>

北方工業(yè)大學(xué)城市道路交通智能控制技術(shù)實驗室內(nèi)不只有模型，也有貨真價實的信號燈。

“綠波帶”是指計算車輛通過某一路段的時間，再對各個路口的紅綠燈信號進(jìn)行協(xié)調(diào)，使得車輛通過時能“一路綠燈”的技術(shù)。

除了實驗室，就連校園也是紅綠燈控制的教學(xué)場地。幾處紅綠燈架設(shè)在步行道模擬的路口上，燈頭配備方向信號和計時功能，還帶有視頻監(jiān)控設(shè)備，學(xué)校周邊的道路上也裝了不少他們自己安裝的道路監(jiān)測設(shè)備，供相關(guān)專業(yè)的師生研究和學(xué)習(xí)。

北方工業(yè)大學(xué)的城市道路交通智能控制技術(shù)北京市重點實驗室，曾完成了“北京中心城區(qū)交通信號控制系統(tǒng)研發(fā)”“奧運交通信號控制工程”“國慶60周年長安街信號控制系統(tǒng)改造工程” 等幾十個大型智能交通項目，在我國城市道路交通控制領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。

什么情況下需設(shè)紅綠燈

在電氣與控制工程學(xué)院的辦公樓里，《環(huán)境與生活》記者見到了術(shù)業(yè)專攻城市道路交通信號智能控制研究領(lǐng)域的王力副教授。王老師向記者介紹，道路上有人、自行車、機動車等多種交通參與者，而規(guī)范交通秩序、防止互相沖突的基本控制措施，一般有兩大類——空間隔離和時間隔離。護(hù)欄、隔離墩這些交通設(shè)施就屬于空間上的隔離，優(yōu)點是長效，而時間隔離一般來說就是紅綠燈，機智靈活是它的強項。

一個路口要不要設(shè)置紅綠燈，需要考察的因素非常多，如路口類型（如十字路口、丁字路口、環(huán)島）、道路等級（主干路、次干路、支路）、交通流量和事故率，具體細(xì)則由《道路交通信號燈設(shè)置與安裝規(guī)范》《城市道路交通設(shè)施設(shè)計規(guī)范》等國標(biāo)文件來把控。王老師強調(diào)，眾多因素中，事故率的重要性更為突出，“如果說這個路口流量壓力很小，但是常發(fā)交通事故，那就需要設(shè)置紅綠燈，避免各個方向交通流的沖突。”

紅綠燈需要與“時”俱進(jìn)

討論紅綠燈控制，經(jīng)常會用到“周期、綠信比、相位”等術(shù)語。

北方工業(yè)大學(xué)城市道路交通智能控制技術(shù)實驗室很像縮小版的交通指揮中心

相位，指同時獲得通行權(quán)的一股或多股車流，通俗講就是在路口上同時放行的車流，現(xiàn)在實際路口中用的比較多的是4相位和8相位控制。交通流與相位的關(guān)系就好比電燈和開關(guān)。一個開關(guān)可以同時控制一盞或多盞燈，一個紅綠燈相位也可以控制多條交通流，前提是它們的行進(jìn)方向不互相沖突。如果一個“開關(guān)”控制路口南北向的交通流，另一個“開關(guān)”控制東西向的交通流，這就組成了一個簡單兩相位的紅綠燈控制模式。

周期，就是路口所有方向的交通流分別通行一次的總時長，也就是所有相位輪流運行一次的時間之和。

綠信比，就是每個相位的有效綠燈綠燈時間在周期中的占比。

一個路口的紅綠燈控制得是否合理，主要就體現(xiàn)在這3個參數(shù)上。

為了適應(yīng)交通流量一天當(dāng)中的波動，重要路口的周期和綠信比需要與“時”俱進(jìn)?！拔覀儠鶕?jù)不同時間段的流量變化來調(diào)整。比如高峰那幾個小時，周期120秒，某個相位綠燈時間50秒；平峰就要變了，可能周期是100秒，這個相位綠燈時間變?yōu)?0秒。到了夜里車流更少，周期可能就縮短到60秒，綠燈每次給30秒?！?/p>

信號燈周期時長一般不超過180秒

這是不是說長周期適用于大車流，短周期適用于小車流呢？

“周期越長，每人等待的時間就越長，路口積壓的車也越多，所以不見得通行效率就高?！蓖趵蠋煴硎?，長周期、大路口對紅綠燈控制來說并不是一個有效的組織方式。長周期會增加交通參與者等候時間，車流更容易積壓；大路口往往需要設(shè)置更多的相位來減少交通流沖突，這就縮短了每個相位的平均通行時間，而每個相位轉(zhuǎn)換都需要幾秒鐘的路口清空時間（燈 “四面全紅”），更多的相位轉(zhuǎn)換就增加了無效時間，從而就降低了通行效率。因此，中心城區(qū)不適宜建設(shè)太寬的路口?！冻鞘械缆方煌ㄔO(shè)施設(shè)計規(guī)范》建議：信號燈周期時長一般不超過180秒。

北京的長安街是雙向8車道的城市主干路，而且它的特點是進(jìn)城方向越來越寬，出城方向越來越窄，一旦市區(qū)車流積壓，出城方向就會更堵。保證長安街通暢所采用的一個重要思路，就是精簡相位數(shù)，縮短總周期，減少無效時間。最典型的措施就是“白天（長安街）所有路口禁止左轉(zhuǎn)，必須從支路繞行——我們常叫‘右轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)再右轉(zhuǎn)’”，通過這樣一個“平面立交”的模式，來避免直接左轉(zhuǎn)，從而簡化交通流。

給多長時間的綠燈最合適

那么，一個方向給多長時間的綠燈最合適？

王老師介紹，綠燈時間應(yīng)該剛好可以讓之前紅燈時間排成的車隊完全通過，之后變成紅燈，后續(xù)車輛等待下次放行。具體到每個路口的紅綠燈周期應(yīng)該多長、設(shè)置多少個相位最合適等問題，國際上有十幾種不同的算法，以最大程度縮短車輛延誤時間為目標(biāo)的“韋伯斯特配時法”，是比較基礎(chǔ)且常用的一種。

盡管這些理論體系的專業(yè)性很強，但王老師還是給出了通俗易懂的解釋：綠燈時長的分配，取決于實際交通流量與飽和流量（道路理論通行能力）之比。美國交通部的《道路通行能力手冊》取1800輛/小時（按小客車規(guī)格計算）為一條標(biāo)準(zhǔn)車道的飽和流量，即每分鐘30輛車。比如某條車道有20輛車在等紅燈，要想讓它們?nèi)客ㄟ^，綠燈時間至少設(shè)置為40秒。

不過，在綠燈剛亮?xí)r和紅燈亮之前，還各有一段“損失時間“，一般從路口的第五或第六輛車開始，才能進(jìn)入有效綠燈時間。因此，實際能保證這些車全部通過的綠燈時間還應(yīng)大于40秒。

北京臺基廠路口南向北方向車流“溢出”，影響了路口其他方向車輛通行。

長安街信號控制系統(tǒng)改造獲獎

王老師指出，剛才提到的按時段調(diào)整紅綠燈配時方案，僅僅是半自動控制，紅綠燈只能機械地執(zhí)行設(shè)定好的邏輯。真正的智能化控制，是根據(jù)當(dāng)前監(jiān)測到的車流量，配合一系列嚴(yán)密的算法，自動、實時地調(diào)整紅綠燈配時方案，來達(dá)到最優(yōu)通行效率的自適應(yīng)控制。

北京二環(huán)內(nèi)的部分主干路早在上世紀(jì)80年代就安裝了英國的“SCOOT”交通控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過安裝在路口的感應(yīng)線圈和信號機，配合先進(jìn)的智能算法，就能實現(xiàn)路口的自適應(yīng)控制。

線圈感應(yīng)具有準(zhǔn)確、直接、低成本等優(yōu)點，但也有不足：“一旦路面損壞它就不準(zhǔn)了，要修好就得重新鋪設(shè)。像長安街這種大流量主干道，不可能天天挖溝埋線啊！”

也有更先進(jìn)的視頻檢測器。新中國成立60周年的2009年國慶節(jié)慶典期間，長安街要進(jìn)行一系列養(yǎng)護(hù)和交通優(yōu)化工作，王力副教授和其所在的北方工業(yè)大學(xué)智能交通研究團(tuán)隊，負(fù)責(zé)長安街南禮士路至永安里路段共13個路口的紅綠燈控制系統(tǒng)改造，任務(wù)之一就是用視頻檢測器替代原來的線圈檢測器。這種視頻檢測器的可靠性不受路面磨損狀況牽制，同時還具備治安監(jiān)控的功能。在五環(huán)內(nèi)的北京城區(qū)，約有30%的路口配備了綜合功能的視頻檢測器。

當(dāng)然，這項工作可不是把線圈換成探頭那么簡單。王老師向記者說明，視頻與線圈的檢測原理不同，視角、距離、光線等很多因素都會影響視頻檢測的精準(zhǔn)度，也因此需要在軟件層面做不同的調(diào)試，才能保證它操控紅綠燈不至于幫倒忙。另一方面，以往北京交管局的紅綠燈都是按行政區(qū)來分別管控，而長安街這13個路口橫跨西城、東城和朝陽3個區(qū)，改造之后則是統(tǒng)一管控，解決了紅綠燈控制各自為政的問題，有利于提升通行效率。這項“長安街信號控制系統(tǒng)調(diào)整改造”的課題，也因此獲得2010年北京市科技進(jìn)步三等獎。王老師表示，這種統(tǒng)籌和融合的理念目前已經(jīng)成為未來紅綠燈智能化控制的趨勢。

開車守規(guī)矩才有“綠波帶”

說到這里，王老師介紹了紅綠燈智能化的3個層次，第一層是本地智能，就是一個路口的“自適應(yīng)控制”，也叫“點控智能”；第二層叫“線控智能”，它的職責(zé)是根據(jù)路段的指定車速和路口間距，算出車流到達(dá)每個路口所用的時間，確保車流每到路口剛好趕上綠燈，也就是“綠波帶”的實現(xiàn)；第三層是“面控智能”，就是一個片區(qū)內(nèi)幾十個路口聯(lián)動控制，并且每個路口都能達(dá)到最理想的通行狀態(tài)，這個層次的控制牽一發(fā)而動全身，無論是智能化級別還是實現(xiàn)難度，都是最高的。

據(jù)王老師介紹，北京的一些重要的東西向主干道已經(jīng)設(shè)定出了“綠波帶”，如長安街、平安大街和前三門大街等。

然而，為什么大多司機感到?jīng)]能享受一路綠燈的暢快呢？這是因為線控和面控“對交通行為規(guī)范性的要求很高”。王老師再次舉例分析：“比方說A、B、C這3個路口，本來我預(yù)測機動車從A到B大概30秒，那B的綠燈就應(yīng)該在A的綠燈30秒后亮起，但如果你在A路口被不規(guī)矩的交通行為干擾了，可能50秒還沒到B呢。你從A到B沒過去，連帶著后面B到C的規(guī)律也沒法智能了——一步亂，步步亂?！蓖趵蠋煂Υ吮硎荆蛔袷亟煌ㄖ刃?qū)π熊囈?guī)律的影響是致命的，面控在國內(nèi)難以實現(xiàn)的癥結(jié)就在這兒。

出于對綠波帶的興趣，記者順便向王老師反映了一個情況。在北京朝陽區(qū)香河園一帶，有一段路的3個路口分別只有100米和200米的間隔。這3個路口車流量不大，并且都只有兩個簡單的直行相位，但車輛經(jīng)常需要花兩三分鐘才能通過這段區(qū)區(qū)300米長的道路，平均車速連普通人慢跑的水平都不如。記者納悶，它們的紅綠燈各自為政是否合理？

王老師說：“距離這么近的幾個路口，是一定得協(xié)調(diào)的，要不然上游堆積的車輛排隊到下一個路口也過不去，車流量一上來就會‘溢出’，上游路口四面八方就都被堵死了?！彼ㄗh，像100米這樣的間距，更應(yīng)該用一個信號機同時控制多個路口的紅綠燈，保證車輛一次通過。這么改簡單有效，成本也比幾個設(shè)備各干各的要低得多。更進(jìn)一步說，紅綠燈的間距本身就不宜設(shè)得這么密。

交通好不好　力靠大家

說到這兒，王老師向記者提及了一個交通研究領(lǐng)域大家“風(fēng)趣”的說法：交通狀況好不好，七成原因在規(guī)劃和道路建設(shè)；兩成在管理，如交通組織、停車問題、超速執(zhí)法等；最后一成才是交通信號燈控制。

“經(jīng)常有人問我，你們搞了這么多年智能交通，路上怎么還這么堵？其實如果沒有大家的努力，北京的交通狀況會更差。”王老師感慨，紅綠燈控制是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，每天都有巨量的數(shù)據(jù)需要處理。做好了對道路暢通的貢獻(xiàn)率能達(dá)到10%，但做不好對擁堵的貢獻(xiàn)率可就遠(yuǎn)不止10%了。

交通與人們的出行息息相關(guān)，因此順暢的交通不僅需要先進(jìn)的技術(shù)，還需要合理的規(guī)劃和科學(xué)高效的管理，同時需要大眾從自身做起，遵守交通秩序，一起建立更加良好的交通出行環(huán)境，利人利己。

本欄目責(zé)編/鄭挺穎
zhengtingying@vip.163.com

北方工業(yè)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院副院長王力副教授

北方工業(yè)大學(xué)城市道路交通智能控制技術(shù)實驗室內(nèi)，能同時模擬紅綠燈控制與交通流量的沙盤。