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发表于 2011-07-27 14:00 | Tags 标签:, ,

城市是一头巨兽,而在城市中穿行的交通工具就组成了它的血液。小汽车、公交、地铁、火车,它们将人和货物从城市的一个地方运到另一个地方,保障城市的正常运作。道路就是城市的命脉。血管堵塞对人来说足以致命,道路堵塞对城市来说则会造成重大损失。所以,保持血脉的畅通,是维持城市正常运作的重要一环。但在北京上海这样的巨型城市中,大型的雪崩式的堵塞却常常发生。有没有什么办法可以减少这种堵塞呢?

柏油路上的绿波

有一种叫“绿波”的交通模式,可以部分地解决这个问题。

这种现象,可能经常开车的有车一族不太留意,但是在所有十字路口都可以很容易观察到这种现象。路面上不断有车开来,但在路口处如果遇到红灯的话,那就只能停下来。在亮红灯的这段时间,信号灯下就停了一大堆车。红灯刚转为绿灯的时候,这一大波车就都开动起来,这时经过信号灯的车特别多。等到过了一段时间,原来在停着的车都开走之后,经过信号灯的车相对来说就变得很少。这就形成了路面车辆的一种模式:有一段车流相对密集,紧随着一段车流相对稀疏。这种忽高忽低的交通模式,跟水波非常相似。

那么,信号灯的策略也很明显了。在车流高峰到达的时候,应该给它们大开绿灯,让占车流大部分的车过去;而车流低谷的时候,正好利用这段时间让行人和另外方向的车穿过十字路口。这样创造出来的效果,就是所谓的“绿波”,因为每一个车流高峰都会遇到绿灯,一路畅通。拉斯维加斯的“人人VIP待遇”就是利用的这个原理。

这种“绿波”的设置,还有助于控制车速。开得太快的车,会先于车流高峰到达信号灯,这时遇到红灯的它就只能停下,等待高峰到了再一起走,无形中减慢了速度。开得太慢的车,会落后于车流高峰到达信号灯,这时它也会遇到红灯,只能等着跟下一波高峰一起走,相对地也提醒司机:你丫开得太慢了!这样就能将总体的车速调节到一个相对合适的范围。

绿波有多远?

不过,要实现这种技术,还是有几个问题需要解决的。

首先是怎么判断车流高峰到没到。尽管在高峰时车流相对比较集中,但每辆车的速度不同,这个高峰也会越变越稀疏,难以判断具体位置。解决这个问题的方法也不难。一个方面,我们可以假定车流高峰在绿灯的时候经过前一个路口,那么要让高峰经过这个路口时也遇上绿灯,只需要计算高峰经过两个路口的距离需要多长时间。打好时间差就可以了。我们可以估算一个合适的速度来计算这个时间差,从而调节信号灯,也可以通过实时的车流监控来进行动态调节,维持“绿波”。

其次,我们刚才只考虑了一个方向的车流,但是信号灯是两个方向同步的,问题似乎变得更麻烦了。不过,如果适当地设置信号灯的位置的话,我们也能在两个方向上同时维持车流的“绿波”。即使是在十字路口,需要考虑左转弯和另一方向的车流时,通过恰当地控制信号灯,我们还是可以尽量做到让有车一族们一路畅通,不仅避免了令人烦躁的开开停停,也减少了废气的集中排放。

交通堵塞的罪魁祸首

要解决道路堵塞的问题,还有不少方法。比如说在城市规划时,适当地使不同等级的住宅区和商业区交错分布,减少人们上下班的出行距离,对于缓解早晚高峰,也相当切实可行。但如果要从根本上解决这个问题,还是要对交通本身进行更深入的研究。

我们说交通工具是城市的血液,这不仅仅是一种类比。事实上,如果我们将车辆想象成液体中的分子,那么车辆在公路上的运动,与液体在管道中的运动有着相似之处。这使我们可以用类似物理上处理液体运动的微分方程来研究车辆在公路网上的行动。

不过,车流和水流也有不一样的地方。两股水流交叉时会互相穿行,好像另一道水流从未存在那样;但当两股车流交叉时,我们就必须设置红绿灯避免交通事故。另外,由于车是人驾驶的,所以速度的变化也受人的反应时间的限制,不能及时依据周围车辆的情况调整状态。相对于水流而言,车流的性质更像是粘性非常大的蜂蜜。这种特性使道路堵塞更容易发生。


(视频:交通堵塞的形成)

上面这个视频就很好地说明了这一点。车子本来在大圆环上是等距分布的,速度也相差不大,似乎不应该出现堵塞,但事实上,堵塞却出现了。从视频中我们可以看到,一开始车辆的运行是很顺畅的,但它们之间的速度有些微妙的差别,但是驾驶者通常不会留意。长时间运行后,有些车之间就会过于靠近。这种情况一旦出现,后面的车就会减速,等前面的车重新拉开距离,而这又会导致它之后的车减速。这种情况继续发展下去,因为人的反应需要时间,减速的情况就会越演越烈,最后就形成了局部的堵塞。

让计算机消灭堵塞

仅仅因为人的反应需要时间,就会导致原本不应该出现的堵塞。为了解决这个问题,最明显的方法就是用计算机去自动控制车速。计算机的反应时间比人快得多,如果它能够根据周围车辆的速度适当调节车速的话,就相当于减少了车流的“粘性”,从而使交通更顺畅。这种技术被称为自适应巡航控制(Adaptive Cruise Control,简称ACC)。

ACC系统配备有车载雷达,可以实时探测周围车辆的速度和距离,在正常行驶中尝试保持车辆之间的距离。当前方车辆减速时,系统会自动减速避让,否则则会加速保持距离。由于是计算机自动操作,反应自然比人类驾驶员要快得多。更先进的ACC系统甚至可以与路旁监控车流的传感器通讯,获取道路交通的更多信息,甚至可以与其它车辆的ACC系统通讯,共享更大范围的车辆情况,更有效地辅助驾驶。有了这种系统,我们可以有效地消除上面实验中的那种莫名出现的堵塞。

实际上,计算机模拟表明,装备有ACC系统的车辆,不仅可以使拥有它的人更快地到达目的地,无形中也会帮助整体的交通变得更加顺畅。在模拟中,如果车流中有装备了ACC的车辆达到四分之一,交通堵塞的数目就会明显下降。即使只有3%的车辆有ACC,也可能显著提高交通的流动速度。

不少汽车公司正在尝试开发实用性的ACC系统。ACC系统可以装载在一般的汽车上,但是能更精确快捷控制速度的电动车可能更适合装载ACC系统。现在还只有高档汽车才配备有这项功能,不过相信很快我们就能看见装载有ACC系统的普通汽车了。届时,相信我们能看见更顺畅的交通。

延伸阅读:法则与混乱

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32 Responses to “明天的智能交通”

  1. Lasga说道:

    沙发?
    那个十字路口红绿灯设置应该怎样能不能讲详细点?

    • TimeDistance说道:

      这个其实还挺麻烦的,主要涉及的因素有两个交叉口之间的行驶时间、信号相位时长,然后通过一些最优化的方法,通过调整相位的起始时间和相序组合,来给出一个优化的方案。这应该还不算完,需要把这个方案放到实际的路口里,看下运行情况,因为排队是会影响两个路口的行驶时间的,所以需要反复的调整很多次,最后找一个比较好的来实施。当然也需要针对早、晚高峰和周末不同的交通特性来设置多套方案。

  2. ice-cream说道:

    板凳 ?

  3. blind说道:

    阿根廷布宜诺斯艾利斯的几条主干道上就有绿波,果然开起来很爽的。布市街道大多单行,有利于绿波的计算,而且实施的时段也都不是高峰。

  4. 启凡辅助说道:

    这个挺不错的···········

  5. 合十说道:

    ACC看样子是好东西,但是成本估计很高。而且肯定要消费者买单……

  6. 超哥说道:

    我们那街道运气好,一路绿灯,运气不好就杯具,一直红灯

  7. 大型熊类说道:

    未来人口爆炸,应该消灭私车或鼓励私车载人而不是像恶心的中国一样打压处罚为有关部门创收,大力发展公共交通,以达到高能源利用率

  8. 冷水说道:

    两股水流交叉时会互相穿行,好像另一道水流从未存在那样
    这是错误的。。。。

    • horsefaced说道:

      是的,只有波才有这个属性,水流是粒子流不是波,作者不会想说是水波吧?

    • 方弦说道:

      啊,如果水流够快并且是互相垂直的话,那的确会相互穿过……

      我其实就是想表达粘度这个概念……

  9. 中子豆说道:

    其实还有一个情况必须考虑:道路情况。
    大城市还凑合,而在一些二线、三线城市,有些道路实在破的不成样子,大坑连小坑,在这种道路上根本没法开快。

  10. TimeDistance说道:

    嗯,视频演示了连续交通流的Shockwave特性,也就是说道路系统中如果在某些特殊情况下(驾驶员的反应特性),一个小的波动都可能造成非常严重的交通拥堵。如何让交通拥堵更为快速缓解而不是愈演愈烈,就需要通过智能交通系统的有效控制了。

  11. 桃一个说道:

    关键还是人素质问题。。。否则你再智能、再高科技、再牛逼,也还是有那耍小聪明钻空子的。。。不能解决问题反而添乱

  12. 百年之夏说道:

    我觉得我初中坐车的时候头脑中就有这个想法 优先满足主干道 一路绿灯

  13. guest说道:

    松鼠会总能在适当的时候发出适当的文章。呵呵

  14. Freehv说道:

    上海很多路段也有绿波,比如周家嘴路,高峰的时候差不多开60km/h能每个路口都赶上绿灯。

  15. Yili说道:

    最想说的是在中国大城市的街道里,还有空间存在绿波吗?如果有疏密相间的车流,说明通行情况已经很好了,已经不属于目前城市里要解决的首要问题了,呵呵。

  16. Resphoina说道:

    不太懂啊,有车辆堆积不是本来就是红灯造成的么?那么如果计算出了几个连续绿灯之后这些堆积的车没有停下,经过一系列速度调整就应该不这么密集了吧(就像高速路上的事故堵车,过了事故点车就会稀疏起来)?为什么绿波会持续存在呢?

  17. 青春不痛说道:

    看来现在中国的动车才真正需要改革!!

  18. ygniu说道:

    滤波的前提条件是车流来源集中,讲究节奏,说白了就是共鸣现象,大部分车集中到达路口才有利于绿波的形成。现实中很多路口的车辆来源很杂,图一中如果在半路再加几个车辆来源入口的话,就会有问题

  19. einstein说道:

    我大学时就考虑过这个问题,当时还没有叫绿波。想到的原理就如同网络通信里的封包技术,让一辆辆的车按速度封入虚拟的绿灯带包里,只要速度一定,在绿灯带包里行进,一路绿灯。就像网络通信里的ip包样的

  20. einstein说道:

    交警考虑的问题是如何管理绿灯带的包
    驾驶员考虑的问题是进入什么样的绿灯带包

  21. HU说道:

    建议公车不买audi,改买volvo

  22. [...] 本文在科学松鼠会发表,链接:https://songshuhui.net/archives/57461 [...]

  23. 炎和永远说道:

    用电脑来模拟一下李刚李二江的孩子们的交通状况吧

  24. 吼海雕说道:

    很新颖的视角,长见识了。

  25. [...] 实际上,这个理论已经可以应用到实际交通的控制中。采用一种被称作“绿波”的交通模式引导交通可以有效解决文章开头提到的“幽灵堵车”,这一方法的思路是既然车流的密度是像水波那样波动的,那么只要对每一个波包,当其到达路口时给他们绿灯,当高峰通过后再放行其他方向的车辆。这样总体的等待时间就得到了优化。同时这样也对车辆的速度进行了控制,高于平均速度的车辆将被迫等待,而低于平均速度的车辆则会努力赶上波峰。交通流理论是将物理学现有模型应用于跨领域情况的一次成功尝试。随着对这方面研究的深入,也许彻底解决交通拥堵问题的答案就蕴藏其中。 关于“绿波”的细节问题,松鼠会曾详细介绍过: 明天的智能交通 [...]

  26. xyz说道:

    ACC不是不可以理解为一串无线连接的列车行驶在公路上

  27. wukoe说道:

    当一条路从头堵到尾,系统就没有意义了

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