红绿灯是怎样运行的

逝水流年　ＯＡＳＩＳ

“红灯停，绿灯行，见到黄灯等一等”，有很多人认为红绿灯只不过是个简单的电子设备，它的外形设计也不怎么出色，甚至还有点丑。更叫人难以接受的是，它经常用红灯将你拦下，让你身处汽车长龙之中，眼睁睁地看着其他路口的车畅通无阻，因此很多人把红绿灯视为“木脑袋”设计。可就是这个“木脑袋”的红绿灯控制着全世界数以亿计的汽车和行人，它的背后有着极为复杂的理论和控制系统。如果你不信，那就随《Geek》来窥视—下红绿灯背后的秘密。

红绿灯的诞生

红绿灯最早于1868年诞生在伦敦议会大厦前的广场上。当时这个地方经常发生马车轧人的事故，为了避免事故，人们在路边竖起一根7米高的柱子，在上面挂上一盏煤气提灯，前面用两块红、绿玻璃交替遮挡，红灯时马车停下来让行人，绿灯时马车才可以通行，以此来控制马车和行人有序地通行，保障交通安全。这个红绿灯是由当时英国机械师德?哈特设计的，他为什么选择了这两种颜色呢?那是因为当时在英国中部的约克城，红、绿装分别代表女性的不同身份。其中，着红装的女人表示我已结婚，而着绿装的女人则是未婚者。他正是受到了这种红绿装启发，用这两种颜色的灯光来管理交通。这个红绿灯操作起来很费劲，需要一名警察牵动皮带转换颜色。不幸的是这个红绿灯使用到第23天时突然爆炸了，还牺牲了位正在值勤的警察，因此红绿灯一度被取缔。直到1914年，在美国的克利夫兰市才恢复了红绿灯。第一个三色信号灯于1918年诞生，它是一组三色的圆形投影器，被安装在纽约市五号街的座高塔上，使城市交通大为改善。黄色信号灯的点子其实是一位名叫胡汝鼎的中国人想出来的，他当时在美国通用电器公司任职。某天，他在红灯即将转绿的时候过马路，一辆汽车呼地一声擦身而过，吓得他身冷汗。后来他想到在红、绿灯中间再加上个黄灯，以提醒人们注意安全。这个建议立即得到有关方面的肯定。于是红、黄、绿三色信号灯成为了一组完整的交通信号，后来遍及全世界陆、海、空交通领域。

我们再回过头看看最早的那个红绿灯装置。它解决了横穿马路的行人与顺着路行驶的汽车相斥的问题，它让行人和汽车分别在属于自己的时间段内使用路面，这类似于早期CPU的分式操作的方式。在当时的技术条件下，CPU不能多线程运算，因此操作系统(相当于红绿灯)会将CPU的运算时间划分成个个时间片，在这些时间片里把CPU(公路)轮流用于各个程序(行人和车辆)运算。这种分时管理的结果是让系统能流畅地运行多个程序，也使公路更畅通。最典型的例子就是在有人行横道的地方设置这种红绿灯。

解决并线的问题

近几十年来随着经济的不断发展，公路上行驶的车辆越来越多，虽然有人行天桥、地下通道等设施让行人和车辆分开通行，但堵车的现象并没有缓解多少，原因之一就是在路口有不同方向来的车辆汇集到起，如果疏导不利就很容易堵车。在上个世纪90年代，公路上的红绿灯还比较少，那时候都是由警察站在路口指挥交通，车辆根据警察的手势按顺序通过。后来红绿灯逐渐替代了警察，它通过调整红灯(相当于警察让车辆停下的手势)与绿灯(相当于警察放行车辆停手势)的间隔时间依次放行处于冲突路线上的车辆，以此来保证交通的安全和最大限度的畅通。

红绿灯有着一套自己的调度算法，它把车辆离开的路口当做出口，把要去往的路口当做入口，它就是要实现在同一时间内入口的放行量最大化，也就是尽量保证疏导去同个路口的车辆。现在绝大多数公路都是双向行驶的，因此在常见的三岔路口，就会有三个出口和三个入口，每个入口都会对应两个出口，这意味着红绿灯放行的时候，就会有两个路口的车辆前往同一个路口，这两路的车就给红绿灯提出了一个并线的问题。红绿灯通常是这样解决的，我们来举例说明吧：某个路口将持续放行60秒钟，它会先让直行的车辆往出口方向开，在放行到第40秒的时候再给左转的车辆25秒的时间，大家注意到这中间有5秒的时间差了吗?它就是留给车辆并线的，这样做可以让直行的车辆快速通过，然后用5秒的时间让左转的车辆并入直行车道，紧跟着前面直行的车辆通过路口。这种对并线车辆的处理其实就为了让两个路口的车辆都能及时快速地通过路口，从而缩短其他路口车辆等待的时间。

解决道路冲突

根据现代城市的规划方式，十字路口是非常常见的，而设置在十字路口的红绿灯运行起来就更复杂了。为了便于区分，我们将各个路口以顺时针编号为A、B、C、D。按照我国靠右行驶的交道准则，不会有其他方向驶来的车与另一辆车相遇，因此红绿灯并不会对右转行为进行限制，车辆可以直接在靠着最右侧的车道右转过去。早期的红绿灯没有方向指示，各个路口上只有组红、黄、绿的信号灯，这种方法其实是依照驶出口优先的原则而定的。比如A路口的司机看到绿灯放行时，他们可以根据自己的目的地选择直行或左转，此时A路口的车辆放行量最大，但其他三个路口的司机只能干瞪眼。如果某哥们儿到达路口时刚刚放行过了，那他将在路口度过一个漫长的时光，这样的情况有时侯会让人抓狂，显然这样设置红绿灯并不科学。

后来有人改进了十字路口的放行规则，依照人口优先的原则，比如A路口亮起绿灯时，除了B直行和左转都受红灯限制外，C和D去往A的车辆都可以驶入，每次放行都可以让两个路口的车辆通行，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，前者的车流量比较大。在主干道和非主干道交汇的路口，红绿灯肯定会优先照顾位于主干道上的车辆，要给它更长的放行时问。一般在非主干道交叉路口的红绿灯会一直闪烁黄灯，这代表车辆可以直接通行，但要小心确认路口是否净空。

明白了红绿灯的运行规律和原则以后，大家肯定会对设计红绿灯的人多一分敬佩了吧。其实每个人遇到红灯的几率是一样的，红绿灯也不是有意要为难你的，它所做的切都是为了让所有的车辆更安全、快捷地通过路口。公路上的情况瞬息万变，它不但要优先照顾主干道，还要兼顾并线的车辆，如果你正好处在非主干道上，又是要左转的，可能你的等待时间会比较长。这个时候你千万别抱怨，世界如此美妙，你也没有必要如此暴躁，还是用听音乐或者揉揉眼睛啥的来打发这点难得的放松时间吧。

不断进化的红绿灯

早期的这种红绿灯是用定时器和继电器做成的，间隔时间是预先根据交通流量进行推导和计算得出的，调整起来很麻烦。后来的可编程逻辑控制器(ProqrommableLogic Controller，PLC)取代了它，工作人员通过修改控制程序即可获得各种组合输出，方便了许多。但大太阳天的，让人家抱着个笔记本电脑去修改PLC多残忍啊，于是lTS就诞生了，它的聪明之处在于它能根据各路口的交通状况自动调整红绿灯的时长。为了让红绿灯的运行能根据各个路口的车流量大小实时调整，工作人员需要在各路口的车道上埋设一种称为“地感”的传感器或者更高级的红外线分车器。当有车经过传感器时，车子的前轮和后轮会分别压上传感器，ITS就利用相邻的这两个脉冲信号来计量车流量(红外分车器类似，车身在进入和离开红外区域也会产生两个计量信号)。传感器一般布置在稍远离路口的位置，这样不仅能统计流量，还能在该路口的红灯时间统计大致有多少车在排队等待通过。lTS内的计算机负责根据这些数据实时调整路口的红绿灯周期。如果你开车进入这套系统的控制范围，遇到上面说到的那种其他路口均空闲的情况，会发现绿灯很友善地为你马上开启。

但这只是针对单个路口的情况。现代城市如蜘蛛网一样的道路结构，大家都不会希望每经过一个路口就要等上几十秒甚至几分钟吧，这就需要各路口相互协作了，指挥中心控制就是干这个事的。它是属于更高级的智能交通体系，主要任务是建立控制模型，并针对性地设置相应的软件算法，选取适当的信号配比控制方案策略。指挥中心控制已经用上了包括GPS、图像识别等在内的揽子传感技术，绝大多数路口都安装了电视监控系统，利用图像识别技术更准确地统计车流量和监控交通意外。指挥中心系统还利用大量装有GPS的移动监控车(专业称浮动车)在城市的各条路线移动监控交通状况，并将资料传送至指挥中心。中心将诸多数据输入中央电脑进行分析预测后，对各路口的红绿灯周期进行全局控制。

现在大家应该了解红绿灯背后-复杂而有效的运行规律了吧，要从根本上解决红绿灯繁忙的状况，各位还是响应号召少开车，尽量选择公共交通出行，这样既减轻了控制电脑的压力，也是为人类生存环境做了一件善事!另外，建议大家去玩一下这个游戏，亲自控制红绿灯以后，你们就会了解到它的重要性了。