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        “智能紅綠燈的投入能帶來40倍產(chǎn)出”讓會思考的紅綠燈統(tǒng)治我們

        2015-12-16 08:26:40本刊主筆劉國偉
        環(huán)境與生活 2015年6期
        關(guān)鍵詞:紅綠燈信號燈交通

        ◎本刊主筆 劉國偉

        當(dāng)你開車或者乘車,總有一種等待讓你焦灼難耐。對,你遇到堵車了,時光在流失,汽油在發(fā)動機(jī)里被白白燃燒,污染物被排入大氣……“紅燈停,綠燈行”,這是我們小時候就熟知的。道路信號燈系統(tǒng)——俗稱紅綠燈的投入使用雖然只有100多年,但科學(xué)家和管理者為它功能的完善和智能化一直在進(jìn)行不懈探索。

        堵車造成的經(jīng)濟(jì)損失有多大?2005年,美國得克薩斯農(nóng)工大學(xué)的一篇文獻(xiàn)統(tǒng)計稱,僅僅在美國每年的損失就高達(dá)631億美元,其中包括37億小時的時間損失和被浪費的87億升燃料。隨著全球汽車數(shù)量的激增,全球范圍內(nèi)堵車造成的損失更是不可計數(shù)。

        為了避免堵車,人類探索賦予紅綠燈更多的“智慧”,讓它去“思考”讓交通更順暢的方法。

        紅綠燈:從燒煤氣到用電

        紅綠燈究竟誕生于何時何地呢?

        業(yè)界公認(rèn)的第一盞紅綠燈,是英國人在1868年12月9日開始啟用的,地點是英國議會大廈附近的大橋街、國會街和大喬治街三條馬路交匯處,三位鐵路系統(tǒng)的工程師設(shè)計了這盞燈。燈光有紅綠兩色,使用煤氣燈做光源。遺憾的是,第一盞紅綠燈用了不到一個月就退出了歷史舞臺,因為煤氣爆炸事故造成了操作紅綠燈的警察受傷(一種說法是殉職)。

        紅綠燈再次出現(xiàn)時已經(jīng)是20世紀(jì),電力時代來臨了。

        1912年,以電力做能源的紅綠燈出現(xiàn)在美國猶他州鹽湖城。兩年后美國俄亥俄州克利夫蘭市的紅綠燈更進(jìn)一籌,在燈光變換時蜂鳴器會發(fā)出聲音提供警告。1920年是雙色紅綠燈變成三色燈的元年,美國底特律市的警官威廉·波茨設(shè)計了三色燈。俄亥俄州阿什維爾市一個路口的紅綠燈,從1932年服役到1982年,后來被拆下來直接搬進(jìn)了博物館,可謂全美最老資格的紅綠燈。

        當(dāng)全美各地紛紛裝上了紅綠燈的時候,英國等到1926年才在皮卡迪利廣場首次裝上電力紅綠燈。之后,紅綠燈的外觀就鮮有重大變化了。大家熟悉的人行橫道上的倒計時計數(shù)器(有時候是動態(tài)小人),是上世紀(jì)90年代才問世的,因為顯示直觀、使用貼心,使用得較為廣泛。

        智能系統(tǒng)能“無為而治”?

        隨著人工智能技術(shù)的出現(xiàn),紅綠燈又被賦予了“智慧”。

        2008年,德國德累斯頓理工大學(xué)的斯蒂芬·萊默和瑞士聯(lián)邦工學(xué)院的德克·赫爾冰通過研究,認(rèn)為人類對于規(guī)則和控制太過于偏好了,如果我們放手“無為而治”,讓智能系統(tǒng)自己找解決方法,情況會好很多。

        兩人在實驗和研究中發(fā)現(xiàn),以往必須給交通系統(tǒng)建立一個控制中心來支配紅綠燈的做法,使交通信號燈只能聽命于控制中心,不能自適應(yīng)路口的情況變化;若給紅綠燈制定簡單規(guī)則后使其自己行動起來,每盞燈都能采取策略去適應(yīng)下一刻的交通狀況不是更好嗎?兩人經(jīng)過優(yōu)化,讓系統(tǒng)中鄰近的紅綠燈彼此共享信息,使其他紅綠燈也能夠?qū)δ硞€燈附近的情況做出反應(yīng),從而避免大規(guī)模堵車。

        早期紅綠燈組圖來源:汽車技術(shù)網(wǎng)

        1868年倫敦第一盞紅綠燈結(jié)構(gòu)圖,它比第一輛汽車還早了18年。來源:汽車技術(shù)網(wǎng)(thecartech.com)

        兩人在模擬運行系統(tǒng)后,司機(jī)無法預(yù)測綠燈持續(xù)時間,可是整個道路系統(tǒng)的總行車時間大幅下降。而且以往傳統(tǒng)交通中出現(xiàn)的荒誕場景,例如半夜車輛在空曠路上被路口紅燈叫停的情況不會出現(xiàn)了。兩人研究成果中的亮點,即“建立能夠自己解決問題的系統(tǒng)”,正逐漸被越來越多的城市規(guī)劃人員所重視,其后在德累斯頓公路上開展的初步試驗令人振奮,當(dāng)?shù)氐囊患医煌ú块T已與兩人開始合作。

        100年前的紅綠燈外形十分“樸實無華”。這是1915年美國俄亥俄州波特蘭市的紅綠燈。來源:波特蘭在線網(wǎng)(portlandonline.com)

        讓紅綠燈“鄰里對話”

        2013年,在加拿大多倫多大學(xué)攻讀工程學(xué)研究生的薩瑪·艾爾·坦塔維和導(dǎo)師巴赫爾·阿卜杜亥教授合作,運用博弈論和人工智能設(shè)計了匹配實時交通模型的更智能的紅綠燈系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特色是實時無延遲,避免了因為管理中心崩潰引發(fā)的全系統(tǒng)混亂。系統(tǒng)甚至允許紅綠燈彼此之間“對話”,即每個路口都和臨近路口“合作”,在特定地域內(nèi)優(yōu)化車流,進(jìn)而形成全網(wǎng)范圍內(nèi)的相互協(xié)調(diào)。

        經(jīng)過計算,坦塔維設(shè)計的紅綠燈系統(tǒng)在每一個路口的安裝,需要投入2萬至4萬美元。這套系統(tǒng)已經(jīng)引起了交通信號控制產(chǎn)業(yè)的興趣,還贏得了兩項國際大獎。

        “可擴(kuò)展城市交通控制(SURTRAC)”系統(tǒng)是美國卡耐基梅隆大學(xué)“交通2 1(Traffic21)”研究計劃的一部分。2012年6月起,項目首席研究員斯蒂芬·史密斯帶領(lǐng)團(tuán)隊在美國匹茲堡市安裝SURTRAC試點。但由于使用閉路電視監(jiān)控交通,遭到了所謂“侵犯走動隱私權(quán)”的批評。

        能“自主思考”的紅綠燈誕生

        在世界很多地區(qū),傳統(tǒng)信號燈的變色模式可能幾年才修訂一次,但是美國猶他州的紅綠燈只需30秒就能完成調(diào)整。這是拜2002年鹽湖城冬奧會所賜,猶他州對本州的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行了大量的投資和提升,將猶他州的信號燈通過光纖網(wǎng)絡(luò)連接起來。猶他州交通運輸部門從1000多個相機(jī)和馬路下埋置的線圈中收集數(shù)據(jù),實現(xiàn)了對全州50%(也有文獻(xiàn)說80%)交通燈的智能控制,最終實現(xiàn)交通的優(yōu)化。該州交通運輸部工程師馬克·泰勒估計,在紅綠燈系統(tǒng)上的投入至少能帶來40倍的產(chǎn)出。

        即使財力如美國般雄厚,也不是每個城市都有能力對信號燈系統(tǒng)進(jìn)行大改造。匹茲堡市的智能紅綠燈技術(shù)從研究到應(yīng)用走在美國的前列,與當(dāng)?shù)刂目突仿〈髮W(xué)提供的技術(shù)支持密不可分??突仿〈髮W(xué)的斯蒂芬·史密斯團(tuán)隊,使用埋置在道路下的感應(yīng)線圈,與車輛位置、速度和方向等信息相協(xié)調(diào),實時靈活變化紅綠燈,避免可能發(fā)生的擁堵。這套系統(tǒng)結(jié)合了現(xiàn)有技術(shù)和人工智能,號稱開創(chuàng)了能夠“自主思考”的紅綠燈。

        也許過不了多久,公路上的紅綠燈就像一個個智慧的大腦,能互相溝通快速協(xié)調(diào),讓道路和汽車達(dá)到最大限度的暢通與和諧。

        卡耐基梅隆大學(xué)的這個研究項目名為“交通21(Traffic21) ” ,系統(tǒng)中的光纖視頻接收器允許控制器實時監(jiān)控和改變信號燈顏色,應(yīng)對交通情況的變化,所謂“自主思考”就是這個意思。

        2012年6月起,斯蒂芬·史密斯及其他師生開始了系統(tǒng)試運行,他們將智能紅綠燈系統(tǒng)安裝在匹茲堡東自由區(qū)的9個交叉路口,取得了預(yù)期效果。結(jié)果顯示,路線上的行車時間減少26%,汽車空轉(zhuǎn)時間減少41%,沿途停車時間減少31%,尾氣排放量減少21%。

        2012年6月起,斯蒂芬·史密斯及其他師生將智能紅綠燈系統(tǒng)安裝在匹茲堡東自由區(qū)的9個交叉路口,取得了預(yù)期效果。結(jié)果顯示,路線上的行車時間減少26%,汽車空轉(zhuǎn)時間減少41%,沿途停車時間減少31%,尾氣排放量減少21%。

        捕捉司機(jī)手機(jī)信號調(diào)整交通

        如果能將當(dāng)下廣為普及的智能手機(jī)的性能開發(fā)出來,作為汽車的一個信號源與控制紅綠燈的計算機(jī)系統(tǒng)相連接,可以為后者提供重要的車流數(shù)據(jù),這對于優(yōu)化紅綠燈效果很有用處。美國得克薩斯州哈里斯縣控制紅綠燈的計算機(jī)系統(tǒng)就做到了這一點,該系統(tǒng)基于司機(jī)手機(jī)發(fā)出的信號對車輛信息進(jìn)行收集,即使在少量司機(jī)手機(jī)開通的情況下,系統(tǒng)也可以通過紅綠燈的變換針對交通密度進(jìn)行調(diào)整。

        美國麻省理工學(xué)院研究人員研究的車對車平臺系統(tǒng)“卡特爾(CarTel)”,就是使用手機(jī)提供的數(shù)據(jù),對行車軌跡進(jìn)行預(yù)測,取得較準(zhǔn)確的結(jié)果。為了從公眾中采集信息源,技術(shù)人員在蘋果和谷歌的應(yīng)用商店里提供了應(yīng)用下載,該應(yīng)用在波士頓有一定的應(yīng)用基礎(chǔ)。

        德國東柏林交通信號燈“?!焙汀靶小钡臉?biāo)志比較特殊。當(dāng)東西德統(tǒng)一,東柏林也與西柏林合并,東柏林人堅持把交通信號燈上的小人兒保留下來,因為它是專屬于東柏林的一個標(biāo)志。直到今天,人們走在柏林的大街小巷,只要看信號燈就能分辨出自己是在東柏林,還是在西柏林。

        此外,美國加州大學(xué)和歐洲部分學(xué)術(shù)團(tuán)體也在這方面開展了研究。但是需要指出的是,利用手機(jī)數(shù)據(jù)采集車輛信息,需要處理好公眾隱私這一難題,所以這方面的進(jìn)展因此受到了限制。

        德國德累斯頓理工大學(xué)的斯蒂芬·萊默等研究者的自組織智能紅綠燈仿真試驗示意圖。圖中藍(lán)線為常規(guī)紅綠燈,橙線為有自組織能力的智能紅綠燈。右上角曲線圖是兩種燈使用后的汽車油耗對比(升/秒),左下角是在兩種燈下汽車等待紅燈時間的對比。來源:城市實驗室

        智能紅綠燈專治超速慣犯

        智能紅綠燈在英國的應(yīng)用頗有些喜感。2011年秋天,英格蘭西南的斯溫頓鎮(zhèn)地方議會,經(jīng)過討論決定關(guān)閉當(dāng)?shù)伛R路上的測速儀,原因是這些測速儀每年維護(hù)費高達(dá)32萬英鎊,而發(fā)生的交通事故數(shù)量表明,這些測速儀并沒有使交通更安全,所以一拆了之,同時安裝上新的智能紅綠燈。這種智能燈在燈前面不遠(yuǎn)處埋置有傳感器,記錄經(jīng)行的車輛速度,如果車速太快,信息傳到燈光控制盒,燈光就會切換成紅色,迫使超速車輛停下來。

        為了防止司機(jī)們?;?,傳感器的具體位置不予公開。而自動車牌識別系統(tǒng)會給救護(hù)車等特別車輛以方便,讓它們暢通無阻。盡管這種智能限速手段在西班牙、葡萄牙和法國也有應(yīng)用,可是在英國試用仍然引起了不同的看法。英國皇家汽車俱樂部基金會的董事斯蒂芬·格萊斯特對此潑了冷水:“這種奇怪的紅燈會改變那些超速慣犯嗎?紅燈亮了,他們熟視無睹地開過,倒是他們后面的守法司機(jī)會被紅燈逼停?!惫俜椒Q這種紅綠燈的使用如果證明是成功的,可以為后續(xù)更成熟的智能紅綠燈系統(tǒng)引入英國鋪平道路。

        無人駕駛車將讓紅綠燈退休?

        除了上面所說的智能紅綠燈,當(dāng)下世界各地廣泛采用的智能交通系統(tǒng)——無論是英國的“交通信號自動化控制系統(tǒng)(SCOOT)”,澳大利亞的“悉尼自適應(yīng)交通控制系統(tǒng)(SCATS)”,還是美國的“自適應(yīng)控制的最優(yōu)策略(OPAC)”和“實時、遞階、最優(yōu)化的、分布式、且可實施的系統(tǒng)(RHODES)”等,均把紅綠燈的管理納入系統(tǒng)范疇,作為一項核心功能給予重視,此處就不一一敘述了。

        此外參與研發(fā)智能紅綠燈管理系統(tǒng)的公司還包括寶馬和西門子公司,兩家公司在2010年公布了其網(wǎng)絡(luò)化的信號燈系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠與許多汽車上安裝的反空轉(zhuǎn)技術(shù)協(xié)同工作,從汽車上收集的信息能夠幫助智能紅綠燈減少循環(huán)時間,也能夠告知司機(jī)紅綠燈即將發(fā)生的變化,使行車更有效率。奧迪公司正在測試的原型車也具備通知司機(jī)燈光何時變色的功能。據(jù)德國汽車廠商稱,該技術(shù)很快會被商業(yè)化。

        未來紅綠燈是什么樣子呢,大家可以盡情想象。

        也許,在不遠(yuǎn)的將來,谷歌無人駕駛汽車引領(lǐng)的汽車全自動駕駛風(fēng)潮遍及全球之后,汽車自己會決定何時停、何時走,熟悉的紅綠燈可能會成為一件令后人倍感稀奇的歷史文物。但在目前,相信紅綠燈的智能化,是減少擁堵最令人樂觀的發(fā)展方向。

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