紅綠燈是怎樣運(yùn)行的

逝水流年　ＯＡＳＩＳ

“紅燈停，綠燈行，見(jiàn)到黃燈等一等”，有很多人認(rèn)為紅綠燈只不過(guò)是個(gè)簡(jiǎn)單的電子設(shè)備，它的外形設(shè)計(jì)也不怎么出色，甚至還有點(diǎn)丑。更叫人難以接受的是，它經(jīng)常用紅燈將你攔下，讓你身處汽車(chē)長(zhǎng)龍之中，眼睜睜地看著其他路口的車(chē)暢通無(wú)阻，因此很多人把紅綠燈視為“木腦袋”設(shè)計(jì)?？删褪沁@個(gè)“木腦袋”的紅綠燈控制著全世界數(shù)以億計(jì)的汽車(chē)和行人，它的背后有著極為復(fù)雜的理論和控制系統(tǒng)。如果你不信，那就隨《Geek》來(lái)窺視—下紅綠燈背后的秘密。

紅綠燈的誕生

紅綠燈最早于1868年誕生在倫敦議會(huì)大廈前的廣場(chǎng)上。當(dāng)時(shí)這個(gè)地方經(jīng)常發(fā)生馬車(chē)軋人的事故，為了避免事故，人們?cè)诼愤呚Q起一根7米高的柱子，在上面掛上一盞煤氣提燈，前面用兩塊紅、綠玻璃交替遮擋，紅燈時(shí)馬車(chē)停下來(lái)讓行人，綠燈時(shí)馬車(chē)才可以通行，以此來(lái)控制馬車(chē)和行人有序地通行，保障交通安全。這個(gè)紅綠燈是由當(dāng)時(shí)英國(guó)機(jī)械師德?哈特設(shè)計(jì)的，他為什么選擇了這兩種顏色呢?那是因?yàn)楫?dāng)時(shí)在英國(guó)中部的約克城，紅、綠裝分別代表女性的不同身份。其中，著紅裝的女人表示我已結(jié)婚，而著綠裝的女人則是未婚者。他正是受到了這種紅綠裝啟發(fā)，用這兩種顏色的燈光來(lái)管理交通。這個(gè)紅綠燈操作起來(lái)很費(fèi)勁，需要一名警察牽動(dòng)皮帶轉(zhuǎn)換顏色。不幸的是這個(gè)紅綠燈使用到第23天時(shí)突然爆炸了，還犧牲了位正在值勤的警察，因此紅綠燈一度被取締。直到1914年，在美國(guó)的克利夫蘭市才恢復(fù)了紅綠燈。第一個(gè)三色信號(hào)燈于1918年誕生，它是一組三色的圓形投影器，被安裝在紐約市五號(hào)街的座高塔上，使城市交通大為改善。黃色信號(hào)燈的點(diǎn)子其實(shí)是一位名叫胡汝鼎的中國(guó)人想出來(lái)的，他當(dāng)時(shí)在美國(guó)通用電器公司任職。某天，他在紅燈即將轉(zhuǎn)綠的時(shí)候過(guò)馬路，一輛汽車(chē)呼地一聲擦身而過(guò)，嚇得他身冷汗。后來(lái)他想到在紅、綠燈中間再加上個(gè)黃燈，以提醒人們注意安全。這個(gè)建議立即得到有關(guān)方面的肯定。于是紅、黃、綠三色信號(hào)燈成為了一組完整的交通信號(hào)，后來(lái)遍及全世界陸、海、空交通領(lǐng)域。

我們?cè)倩剡^(guò)頭看看最早的那個(gè)紅綠燈裝置。它解決了橫穿馬路的行人與順著路行駛的汽車(chē)相斥的問(wèn)題，它讓行人和汽車(chē)分別在屬于自己的時(shí)間段內(nèi)使用路面，這類(lèi)似于早期CPU的分式操作的方式。在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下，CPU不能多線程運(yùn)算，因此操作系統(tǒng)(相當(dāng)于紅綠燈)會(huì)將CPU的運(yùn)算時(shí)間劃分成個(gè)個(gè)時(shí)間片，在這些時(shí)間片里把CPU(公路)輪流用于各個(gè)程序(行人和車(chē)輛)運(yùn)算。這種分時(shí)管理的結(jié)果是讓系統(tǒng)能流暢地運(yùn)行多個(gè)程序，也使公路更暢通。最典型的例子就是在有人行橫道的地方設(shè)置這種紅綠燈。

解決并線的問(wèn)題

近幾十年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，公路上行駛的車(chē)輛越來(lái)越多，雖然有人行天橋、地下通道等設(shè)施讓行人和車(chē)輛分開(kāi)通行，但堵車(chē)的現(xiàn)象并沒(méi)有緩解多少，原因之一就是在路口有不同方向來(lái)的車(chē)輛匯集到起，如果疏導(dǎo)不利就很容易堵車(chē)。在上個(gè)世紀(jì)90年代，公路上的紅綠燈還比較少，那時(shí)候都是由警察站在路口指揮交通，車(chē)輛根據(jù)警察的手勢(shì)按順序通過(guò)。后來(lái)紅綠燈逐漸替代了警察，它通過(guò)調(diào)整紅燈(相當(dāng)于警察讓車(chē)輛停下的手勢(shì))與綠燈(相當(dāng)于警察放行車(chē)輛停手勢(shì))的間隔時(shí)間依次放行處于沖突路線上的車(chē)輛，以此來(lái)保證交通的安全和最大限度的暢通。

紅綠燈有著一套自己的調(diào)度算法，它把車(chē)輛離開(kāi)的路口當(dāng)做出口，把要去往的路口當(dāng)做入口，它就是要實(shí)現(xiàn)在同一時(shí)間內(nèi)入口的放行量最大化，也就是盡量保證疏導(dǎo)去同個(gè)路口的車(chē)輛?，F(xiàn)在絕大多數(shù)公路都是雙向行駛的，因此在常見(jiàn)的三岔路口，就會(huì)有三個(gè)出口和三個(gè)入口，每個(gè)入口都會(huì)對(duì)應(yīng)兩個(gè)出口，這意味著紅綠燈放行的時(shí)候，就會(huì)有兩個(gè)路口的車(chē)輛前往同一個(gè)路口，這兩路的車(chē)就給紅綠燈提出了一個(gè)并線的問(wèn)題。紅綠燈通常是這樣解決的，我們來(lái)舉例說(shuō)明吧：某個(gè)路口將持續(xù)放行60秒鐘，它會(huì)先讓直行的車(chē)輛往出口方向開(kāi)，在放行到第40秒的時(shí)候再給左轉(zhuǎn)的車(chē)輛25秒的時(shí)間，大家注意到這中間有5秒的時(shí)間差了嗎?它就是留給車(chē)輛并線的，這樣做可以讓直行的車(chē)輛快速通過(guò)，然后用5秒的時(shí)間讓左轉(zhuǎn)的車(chē)輛并入直行車(chē)道，緊跟著前面直行的車(chē)輛通過(guò)路口。這種對(duì)并線車(chē)輛的處理其實(shí)就為了讓兩個(gè)路口的車(chē)輛都能及時(shí)快速地通過(guò)路口，從而縮短其他路口車(chē)輛等待的時(shí)間。

解決道路沖突

根據(jù)現(xiàn)代城市的規(guī)劃方式，十字路口是非常常見(jiàn)的，而設(shè)置在十字路口的紅綠燈運(yùn)行起來(lái)就更復(fù)雜了。為了便于區(qū)分，我們將各個(gè)路口以順時(shí)針編號(hào)為A、B、C、D。按照我國(guó)靠右行駛的交道準(zhǔn)則，不會(huì)有其他方向駛來(lái)的車(chē)與另一輛車(chē)相遇，因此紅綠燈并不會(huì)對(duì)右轉(zhuǎn)行為進(jìn)行限制，車(chē)輛可以直接在靠著最右側(cè)的車(chē)道右轉(zhuǎn)過(guò)去。早期的紅綠燈沒(méi)有方向指示，各個(gè)路口上只有組紅、黃、綠的信號(hào)燈，這種方法其實(shí)是依照駛出口優(yōu)先的原則而定的。比如A路口的司機(jī)看到綠燈放行時(shí)，他們可以根據(jù)自己的目的地選擇直行或左轉(zhuǎn)，此時(shí)A路口的車(chē)輛放行量最大，但其他三個(gè)路口的司機(jī)只能干瞪眼。如果某哥們兒到達(dá)路口時(shí)剛剛放行過(guò)了，那他將在路口度過(guò)一個(gè)漫長(zhǎng)的時(shí)光，這樣的情況有時(shí)侯會(huì)讓人抓狂，顯然這樣設(shè)置紅綠燈并不科學(xué)。

后來(lái)有人改進(jìn)了十字路口的放行規(guī)則，依照人口優(yōu)先的原則，比如A路口亮起綠燈時(shí)，除了B直行和左轉(zhuǎn)都受紅燈限制外，C和D去往A的車(chē)輛都可以駛?cè)?，每次放行都可以讓兩個(gè)路口的車(chē)輛通行，效率就高多了。

另外，大家都知道城市里的公路有主干道和非主干道之分，前者的車(chē)流量比較大。在主干道和非主干道交匯的路口，紅綠燈肯定會(huì)優(yōu)先照顧位于主干道上的車(chē)輛，要給它更長(zhǎng)的放行時(shí)問(wèn)。一般在非主干道交叉路口的紅綠燈會(huì)一直閃爍黃燈，這代表車(chē)輛可以直接通行，但要小心確認(rèn)路口是否凈空。

明白了紅綠燈的運(yùn)行規(guī)律和原則以后，大家肯定會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)紅綠燈的人多一分敬佩了吧。其實(shí)每個(gè)人遇到紅燈的幾率是一樣的，紅綠燈也不是有意要為難你的，它所做的切都是為了讓所有的車(chē)輛更安全、快捷地通過(guò)路口。公路上的情況瞬息萬(wàn)變，它不但要優(yōu)先照顧主干道，還要兼顧并線的車(chē)輛，如果你正好處在非主干道上，又是要左轉(zhuǎn)的，可能你的等待時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)。這個(gè)時(shí)候你千萬(wàn)別抱怨，世界如此美妙，你也沒(méi)有必要如此暴躁，還是用聽(tīng)音樂(lè)或者揉揉眼睛啥的來(lái)打發(fā)這點(diǎn)難得的放松時(shí)間吧。

不斷進(jìn)化的紅綠燈

早期的這種紅綠燈是用定時(shí)器和繼電器做成的，間隔時(shí)間是預(yù)先根據(jù)交通流量進(jìn)行推導(dǎo)和計(jì)算得出的，調(diào)整起來(lái)很麻煩。后來(lái)的可編程邏輯控制器(ProqrommableLogic Controller，PLC)取代了它，工作人員通過(guò)修改控制程序即可獲得各種組合輸出，方便了許多。但大太陽(yáng)天的，讓人家抱著個(gè)筆記本電腦去修改PLC多殘忍啊，于是lTS就誕生了，它的聰明之處在于它能根據(jù)各路口的交通狀況自動(dòng)調(diào)整紅綠燈的時(shí)長(zhǎng)。為了讓紅綠燈的運(yùn)行能根據(jù)各個(gè)路口的車(chē)流量大小實(shí)時(shí)調(diào)整，工作人員需要在各路口的車(chē)道上埋設(shè)一種稱(chēng)為“地感”的傳感器或者更高級(jí)的紅外線分車(chē)器。當(dāng)有車(chē)經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)，車(chē)子的前輪和后輪會(huì)分別壓上傳感器，ITS就利用相鄰的這兩個(gè)脈沖信號(hào)來(lái)計(jì)量車(chē)流量(紅外分車(chē)器類(lèi)似，車(chē)身在進(jìn)入和離開(kāi)紅外區(qū)域也會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)計(jì)量信號(hào))。傳感器一般布置在稍遠(yuǎn)離路口的位置，這樣不僅能統(tǒng)計(jì)流量，還能在該路口的紅燈時(shí)間統(tǒng)計(jì)大致有多少車(chē)在排隊(duì)等待通過(guò)。lTS內(nèi)的計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)根據(jù)這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整路口的紅綠燈周期。如果你開(kāi)車(chē)進(jìn)入這套系統(tǒng)的控制范圍，遇到上面說(shuō)到的那種其他路口均空閑的情況，會(huì)發(fā)現(xiàn)綠燈很友善地為你馬上開(kāi)啟。

但這只是針對(duì)單個(gè)路口的情況。現(xiàn)代城市如蜘蛛網(wǎng)一樣的道路結(jié)構(gòu)，大家都不會(huì)希望每經(jīng)過(guò)一個(gè)路口就要等上幾十秒甚至幾分鐘吧，這就需要各路口相互協(xié)作了，指揮中心控制就是干這個(gè)事的。它是屬于更高級(jí)的智能交通體系，主要任務(wù)是建立控制模型，并針對(duì)性地設(shè)置相應(yīng)的軟件算法，選取適當(dāng)?shù)男盘?hào)配比控制方案策略。指揮中心控制已經(jīng)用上了包括GPS、圖像識(shí)別等在內(nèi)的攬子傳感技術(shù)，絕大多數(shù)路口都安裝了電視監(jiān)控系統(tǒng)，利用圖像識(shí)別技術(shù)更準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)車(chē)流量和監(jiān)控交通意外。指揮中心系統(tǒng)還利用大量裝有GPS的移動(dòng)監(jiān)控車(chē)(專(zhuān)業(yè)稱(chēng)浮動(dòng)車(chē))在城市的各條路線移動(dòng)監(jiān)控交通狀況，并將資料傳送至指揮中心。中心將諸多數(shù)據(jù)輸入中央電腦進(jìn)行分析預(yù)測(cè)后，對(duì)各路口的紅綠燈周期進(jìn)行全局控制。

現(xiàn)在大家應(yīng)該了解紅綠燈背后-復(fù)雜而有效的運(yùn)行規(guī)律了吧，要從根本上解決紅綠燈繁忙的狀況，各位還是響應(yīng)號(hào)召少開(kāi)車(chē)，盡量選擇公共交通出行，這樣既減輕了控制電腦的壓力，也是為人類(lèi)生存環(huán)境做了一件善事!另外，建議大家去玩一下這個(gè)游戲，親自控制紅綠燈以后，你們就會(huì)了解到它的重要性了。