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為什么綠燈總是那么快？為什么要有黃燈？最早的紅綠燈叫“傻燈”？ 城市常常會考驗我們的行走速度和耐心，走過十字路口就是這樣一個場景——有時，綠燈根本來不及走，還有些綠燈要等上很久。一般情況下，行人等待綠燈的極限忍耐時間是 40 至 50 秒，高峰期的極限忍耐時間達到 70 至 90 秒。然而，大多數時候行人需要等待超過 50 秒的紅燈，部分紅燈甚至長達 120 秒。 設置行人紅綠燈的本意是為了讓人們安全地通過路口，但不合理的綠燈時長卻讓行人感到不便，導致在一些情況下，人們不得不闖紅燈。 我們找到從事交通信息系統設計和咨詢工作的沙云飛，向他詢問了關于紅綠燈規劃方面的問題。沙云飛曾任中國交通信息中心總工程師，現在是北京鐳場景科技有限公司的首席分析師。 沙云飛告訴我們，行人過馬路的體驗會受很多因素影響。一方面，紅綠燈的配時設計主要服務于機動車，通常只給行人預留了“最短綠燈時間”。多數情況下，機動車右轉不受信號燈控制，行人在過街時需要躲避這部分機動車，再加上不受控的三輪車、電動車、自行車，都會影響行人通過馬路的有效時長。 另一方面，伴隨著立交橋、高架橋的建設，加上為提高通過效率、在路口拓展新車道等因素，許多城市的馬路也“越修越寬”。   總體而言，交通控制與管理是一個需要平衡效率、公平、安全等多個因素的復雜系統。能否讓行人擁有較好的過街體驗，看似是件小事，但也許是一座城市的規劃是否“以人為本”的體現之一。 未來預想圖 × 沙云飛 北京鐳場景科技有限公司首席分析師 Q：紅綠燈時長是如何分配的？考慮了哪些因素？ A：專業上來說，控制紅綠燈時長被稱作“信號配時”。我們在考慮路口信號配時主要考慮效率和公平。用最簡單的十字路口做例子，在效率上，我們考慮如何在單位時間里讓路口通過更多車輛，而在公平上，則要考慮讓兩條路的車都能通行。具體來說，在單條車道上通過的車占路口通過車輛的總數量有一個比例，在各條道路上，這個比例要盡可能相同。 當我們設計配時的時候，首先要摸清需求，也就是每個路口里每個方向（包括直行、左轉、右轉和掉頭）通過路口的車的數量、行人數量和非機動車數量等。在交通工程中，設計師不可能考慮所有的情況，所以我們的應對方法是集中研究高峰段。這是每個城市交通壓力最大的時間段，如果這段時間都能扛過去，那么需求少的時間段就不太可能擁堵。 其次，我們要計算路口中每條車道的通行能力。這里有一個概念叫飽和流量，即在一條車道里，前進車輛不被打斷的情況下，單位時間內路口最多能通過多少車輛。當然，實際生活中，車道不會達到飽和流量，因為右轉、左轉和掉頭的車輛肯定會讓“通車數量”降低。 黃燈的設置也是降低路口通行能力的一個原因。設計黃燈的目的是為了清空路口，讓已經在路口里的車輛盡快走掉。所以，一個紅綠燈周期里面的黃燈時間越多，越是降低通行效率，相當于有效通行的時間更少了。  雖然實際生活中，路口的通行能力無法到達飽和流量，但我們還是希望能夠盡可能讓多一點車通過路口，為此，設計師會給路口設計渠化方案。這里的意思是，假設有一個路口原本是單向兩車道的設計，直行和左轉車輛共用一個車道，右轉和直行共用另一個車道。為了提高車輛通行效率，路口被強行劃分出更多車道，讓直行、左轉、右轉各占一個車道，這樣就變成了單向三車道。 “渠化”能夠提高路口的通行效率，但是會讓路口越修越寬，行人過街的長度也增加了。  確定渠化方案后，設計師根據車道數量和需求來確定配時。一般來說，我們根據經驗公式確定信號周期的總長度，通常為 60 秒、90 秒和 120 秒這樣規整的時間段。之后，再確定紅、綠、黃燈的時長，稱作“相位”。理論上，在一個周期里，相位設計得越少越好，因為有效通行時間更長，允許通過的車輛也越多。 Q：你剛才所說的配時都主要考慮的是車輛的需求，那是否會考慮行人的需求呢？ A：行人過街的信號配時有兩種情況，第一種是主干道、次干道交叉，比較大的路口，第二種是單獨為行人過街設置信號燈，可能會有過街按鈕的情況。在交叉路口，我們設計相位時，會考慮如何通過最多的車，同時設計最短綠燈時間，計算行人過街時長，最短綠燈時間必須大于行人過街時長。 無法設置過街天橋和地下通道的地方，會設置行人過街信號燈。過街的紅綠燈只有兩個相位，第一個相位車走，第二個相位人走。設計的時候盡可能人走時間短一點，如果沒有人那就不放綠燈。為此，過街按鈕出現了，行人需要過街就摁一下，但這個設計實際上更多還是服務于機動車交通。 Q：如果行車的紅綠燈時長已經預留了行人通行時間，那原則上來說行人應該能從容地走過路口。 A：不對，多數情況下，設計師計算時長只考慮了單人行走時間，不考慮行人的數量，像行人一擁而上、并排走和排隊的情況很少考慮進去。配時算法還是以機動車數量和排隊長度為主。 另外，在國內大部分城市，車輛右轉是沒有專用信號燈的，機動車讓行人又確實做得不太好，所以行人過街的時候還得躲著右轉車輛，會讓人覺得過街特別費勁，行人過街的時間也變得更長。 一種特殊情況是，在交叉路口里兩條路的車輛需求差不多的時候，時間分配是可以保障行人過街的。但是像那些車流量很大的街，行人過街時間可能只有最短綠燈時間。 Q：在行人比較多的地方會單獨考慮關于行人的因素嗎？ A：在非常繁華的步行街可能會考慮人流量的因素，讓機動車完全讓行、服務于行人交通。但是，這只是極個別的情況，通常信號燈的設置還是為機動車交通的效率服務的，不會把行人過街時長作為主要的優化目標。 這可以追溯到大概 1962 年芝加哥綜合交通規劃，在那之后，全球的交通規劃都在學它。美國是典型的在車輪上的國家，整個交通規劃的理念是圍繞小汽車的，所以城市規劃、鄉村規劃和路面的交通控制系統服務于小汽車交通。 實際上，在行人流量大的地方，更好的方法是完全隔離，比如說步行街、學校、醫院、商場門口，通常不會用信號燈控制的方法。過街的時候用天橋或者地下通道就好了。  當通過路口的需求已經增長到無論紅綠燈再怎么調整，路口還是擁堵的時候，就只能修立交橋了。這是為什么在城市機動化進程中，越來越多的城市都在修立交橋。立交完全隔開了各個方向的需求，我有空間了，就不跟你搶時間了，這時候就可以做到效率和安全。 Q：美國似乎也在改變“車輪上的國家”這個印象了。比如紐約，也開始了城市交通考慮行人的改造方案。那我們還要繼續學美國原來車輪上的架構嗎？ A：城市規劃理念在進步，近些年各國也都在反思機動化帶來的利弊，不再盲目發展小汽車交通，倡導因地制宜。很多國家都在鼓勵公共交通的發展，鼓勵多種交通方式有機結合。 比如后來出現的，被稱作“TOD”的以公共交通為導向的城市交通規劃，這種規劃方式倡導用公共交通，包括快速公交、軌道交通、地面公交，撐起城市交通的骨架，小汽車交通應該作為補充。（點擊這里，收聽我們的第一期播客節目）這樣的話，設計師就要調整很多城市規劃以及信號控制的方法。就拿公交優先來說，我們已經看到了許多公交專用道。公交專用道容易建，但公交優先的信號不好設置。 Q：我們在北京會觀察到，在高架下面的十字路口通行是非常難的，因為你需要看著對面很遠的一個紅綠燈，中間可能還得在高架下面停留一段時間。 A：高架上面和下面的相位控制是無關的，所以高架下面馬路變得更寬了。除了剛剛提到的渠化，一些路口中間還會增加一個高架的寬度，所以會覺得過街時間比較久。 Q：為什么路口中間會增加一個高架的寬度？ A：也不是所有城市都是這樣的，針對不同城市的特點規劃有所不同。南方的城市，例如廣州和上海，很多高架路下面可以通行車輛，空間沒有占用那么多。但在北京，由于基礎設施修在不同的年代，二三四五環都只是局部的立交，不是完全的高架路，因此橋面下的空間沒有設計通行車輛。高架下面不能通行車輛，就在兩側設置了輔路，因此增加了過街寬度。  Q：像北京的三環，中間的快速路部分叫主路，旁邊還會有兩條車道的輔路。這些地方過街好像也很困難。 A：三環上的過街天橋很少，大部分是地下通道。但以前設計得不好，地下通道通常是在主路和輔路中間的位置，導致行人要橫穿輔路。還有很多公交車站在主路上，行人就要從人行道穿過輔路到主路去坐車。有些地方建了天橋，但是天橋繞得太遠了，很多人不愿意走。所以主路上又修了很多欄桿，不讓人直接過來。 出于安全的考慮，有些地方就會設置紅綠燈。但在三環上肯定還是優先考慮機動車的通行效率，而不是考慮人在三環上走路的需求。 Q：紅綠燈的配時、相位確定了之后，還會做動態調整嗎？ A：我們以一個交叉路口為例，這叫做單點控制。接下來，我們希望一路上開車都很通暢，如果每個紅綠燈都要停半分鐘，體驗就會很差。所以從效率的角度提出了“線控”方案，也叫綠波帶，就是我從一個綠燈開過去之后，到下一個路口正好變綠燈，或處于綠燈時間。所以紅綠燈的相位會根據路段長度往后調，把下一個路口的綠燈起始時間稍微往后推一下。但是為了保障主干道是綠波帶，與它垂直相交的道路可能就很難調了，總會有沖突的地方。 Q：這也是為什么人們會發現會“一路綠燈”。 A：然后下一個層級就是面控，是在一個區域網絡里面去控制。 最早的紅綠燈叫“傻燈”，是固定配時的。到了第二個階段，就會根據不同的交通情況設定相應的預案。這是靠交通調查和工程師的經驗來設置的，比如早高峰、平峰、晚上。紅綠燈是會變化的，但并不是道路自己控制的，只是設定好調整的時間和方案。 第三個階段是感應式的，這個技術大概五六十年前就出現了。信號控制最初服務于機動車交通，所以會在道路下面或路邊裝一些傳感器，來檢測通過這條道路的車輛。在這之后，出現了自適應的配置方案，可以動態調整綠燈時間。比如說最短綠燈時間是 30 秒，但是檢測器數據顯示這條道路上排隊通行的車輛還是很多，那綠燈就會延長 10 秒。 但這樣會影響到下一個相位，如果總周期不變的話，它就會影響另一個方向的通行權。  Q：這么做有實際效果嗎？ A：自適應的效果其實特別不好。最早的檢測器太弱了，它就是電磁感應線圈，車輛是個導體，經過線圈時會影響磁場強度，檢測到磁場變化就能知道車輛經過、停留、排隊等情況。我們知道需求之后，就可以計算出相應的方案。 國內花很多錢引進了一套自適應的信號控制系統，但是根本不適合國內的國情。因為國內新修的路，恨不得一個月就被軋得都是車轍，就把底下的線圈壓壞了。線圈的維護成本極高，要重新挖槽、破路去更換，施工的話還會把路口堵上。現在壞就壞了，所以國內基本上就不用線圈了。 后來用的比較多的是攝像頭，像阿里巴巴在杭州建的“城市大腦”，就是通過架設廣角攝像頭，識別這個路口來了多少輛車。“城市大腦”的效果需要看實際情況，但總的想法是對的，就是利用先進技術更準確地把握實時、動態的通行需求，然后再去優化信號。 真正掌握每一個路口的實時需求之后，接下來就是算法的問題。怎樣給出一個更有效的配時方案，讓每一個路口都能平衡安全、效率、公平這幾個目標，這個優化函數其實是非常復雜的。 我覺得在紅綠燈里運用人工智能也是一個循序漸進的過程，因為優化目標太不顯性了，需要兼顧很多因素。這件事在單點很容易做，但很可能這個路口通暢了，所有車都堵在別的路口了。我覺得它是一個非常復雜的多目標、網絡的問題，也許未來能夠找到很好的辦法去緩解，但徹底解決可能還需要一段時間。 Q：我們在街道上也會看到那種按鈕式的紅綠燈，你覺得它對于行人過馬路是有幫助的嗎？ A：國內我看到挺多這種按鈕，但大部分都是壞的。因為國內交通控制還是服務于它的主要目標，沒有做到以人為本。犧牲一個人等 60 秒，但是過了 200 輛車，哪個效率更高呢？所以還是公平和效率的一種均衡。 Q：有些地方會在馬路中間修一個像安全島一樣的地方，這是不是一種幫助行人過馬路的比較經濟又比較好的方法？ A：我非常支持這種做法。我第一次去武漢是去年 6 月，我看到武漢在很多馬路中間還設置了遮陽棚。我覺得特別人性化。因為武漢是特別曬的一個城市，在太陽下過馬路恨不得要被曬暈。這可能是臨時設施，但至少考慮到了過街行人的體驗這件事。 這個我們叫做“二次等燈”，更多的是考慮到行人的安全。對于過馬路的人來說，他還得在路中間等一次，這個體驗其實是很差的。你站在路中間，來往車輛很容易出事故，所以更多的是從安全角度來考慮。  在決策的時候，對于行人安全的考慮要高于對效率的考慮。 — |
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