你不知道的红绿灯那些事<br/>——访北方工业大学电气与控制工程学院副院长王力副教授

你不知道的红绿灯那些事
——访北方工业大学电气与控制工程学院副院长王力副教授

2015-09-24季天也撰文摄影

环境与生活 2015年6期

◎本刊记者　季天也　撰文/摄影

你不知道的红绿灯那些事
——访北方工业大学电气与控制工程学院副院长王力副教授

◎本刊记者季天也撰文/摄影

经常在市区开车的人可能会感觉到，有时通过路口一路绿灯，有时又处处赶上红灯。这只是运气原因吗？信号灯的红绿时间是如何分配的？完善的信号灯系统对交通顺畅贡献几何？5月26日，《环境与生活》记者来到北方工业大学，听该校主攻城市交通信号智能控制理论与技术的电气与控制工程学院副院长、城市道路交通智能控制技术北京市重点实验室副主任王力副教授讲解红绿灯的奥妙。

位于北方工业大学2号实验楼前、供教学和研究的红绿灯设备。

实验室宛如交通指挥中心

北方工业大学的修伟杰老师首先带记者参观了学校的城市道路交通智能控制技术北京市重点实验室，该实验室是京津冀地区唯一以城市交通控制为特色的省部级重点实验室。

走进房间，顿时有种置身交管局指挥中心的感觉：一块比黑板还大的组合监控屏格外高调，屏幕上分区模拟显示着北京城区监控探头的分布、某些路口的路况数据和红绿灯的运行状态。几个学生坐在屏幕前的电脑前，操作着记者看不懂的图表和数据，时不时小声交谈几句。在靠窗一侧，一组带有倒计时的信号灯正在有规律的运行。修老师介绍，这里是进行城市道路交通智能控制技术研究与实现的实验室。他打开一个金属机箱讲解道，这个信号机与前面的电脑和上方的红绿灯相连，电脑负责给红绿灯配时。“这台信号机具有完全自主知识产权，其具有高集成度、高智能化、高可靠性等特点。”

来到另一间实验室，记者见到了不同品牌的信号机以及能显示红绿灯路口的教具和各式沙盘，其中一个教具多达4个“路口”。修老师介绍，“这是用来练习几个路口联动控制的，在电脑上把红绿灯配时调好，就可以展示出‘绿波带’效果。”

北方工业大学城市道路交通智能控制技术实验室内不只有模型，也有货真价实的信号灯。

“绿波带”是指计算车辆通过某一路段的时间，再对各个路口的红绿灯信号进行协调，使得车辆通过时能“一路绿灯”的技术。

除了实验室，就连校园也是红绿灯控制的教学场地。几处红绿灯架设在步行道模拟的路口上，灯头配备方向信号和计时功能，还带有视频监控设备，学校周边的道路上也装了不少他们自己安装的道路监测设备，供相关专业的师生研究和学习。

北方工业大学的城市道路交通智能控制技术北京市重点实验室，曾完成了“北京中心城区交通信号控制系统研发”“奥运交通信号控制工程”“国庆60周年长安街信号控制系统改造工程” 等几十个大型智能交通项目，在我国城市道路交通控制领域处于领先地位。

什么情况下需设红绿灯

在电气与控制工程学院的办公楼里，《环境与生活》记者见到了术业专攻城市道路交通信号智能控制研究领域的王力副教授。王老师向记者介绍，道路上有人、自行车、机动车等多种交通参与者，而规范交通秩序、防止互相冲突的基本控制措施，一般有两大类——空间隔离和时间隔离。护栏、隔离墩这些交通设施就属于空间上的隔离，优点是长效，而时间隔离一般来说就是红绿灯，机智灵活是它的强项。

一个路口要不要设置红绿灯，需要考察的因素非常多，如路口类型（如十字路口、丁字路口、环岛）、道路等级（主干路、次干路、支路）、交通流量和事故率，具体细则由《道路交通信号灯设置与安装规范》《城市道路交通设施设计规范》等国标文件来把控。王老师强调，众多因素中，事故率的重要性更为突出，“如果说这个路口流量压力很小，但是常发交通事故，那就需要设置红绿灯，避免各个方向交通流的冲突。”

红绿灯需要与“时”俱进

讨论红绿灯控制，经常会用到“周期、绿信比、相位”等术语。

北方工业大学城市道路交通智能控制技术实验室很像缩小版的交通指挥中心

相位，指同时获得通行权的一股或多股车流，通俗讲就是在路口上同时放行的车流，现在实际路口中用的比较多的是4相位和8相位控制。交通流与相位的关系就好比电灯和开关。一个开关可以同时控制一盏或多盏灯，一个红绿灯相位也可以控制多条交通流，前提是它们的行进方向不互相冲突。如果一个“开关”控制路口南北向的交通流，另一个“开关”控制东西向的交通流，这就组成了一个简单两相位的红绿灯控制模式。

周期，就是路口所有方向的交通流分别通行一次的总时长，也就是所有相位轮流运行一次的时间之和。

绿信比，就是每个相位的有效绿灯绿灯时间在周期中的占比。

一个路口的红绿灯控制得是否合理，主要就体现在这3个参数上。

为了适应交通流量一天当中的波动，重要路口的周期和绿信比需要与“时”俱进。“我们会根据不同时间段的流量变化来调整。比如高峰那几个小时，周期120秒，某个相位绿灯时间50秒；平峰就要变了，可能周期是100秒，这个相位绿灯时间变为40秒。到了夜里车流更少，周期可能就缩短到60秒，绿灯每次给30秒。”

信号灯周期时长一般不超过180秒

这是不是说长周期适用于大车流，短周期适用于小车流呢？

“周期越长，每人等待的时间就越长，路口积压的车也越多，所以不见得通行效率就高。”王老师表示，长周期、大路口对红绿灯控制来说并不是一个有效的组织方式。长周期会增加交通参与者等候时间，车流更容易积压；大路口往往需要设置更多的相位来减少交通流冲突，这就缩短了每个相位的平均通行时间，而每个相位转换都需要几秒钟的路口清空时间（灯 “四面全红”），更多的相位转换就增加了无效时间，从而就降低了通行效率。因此，中心城区不适宜建设太宽的路口。《城市道路交通设施设计规范》建议：信号灯周期时长一般不超过180秒。

北京的长安街是双向8车道的城市主干路，而且它的特点是进城方向越来越宽，出城方向越来越窄，一旦市区车流积压，出城方向就会更堵。保证长安街通畅所采用的一个重要思路，就是精简相位数，缩短总周期，减少无效时间。最典型的措施就是“白天（长安街）所有路口禁止左转，必须从支路绕行——我们常叫‘右转右转再右转’”，通过这样一个“平面立交”的模式，来避免直接左转，从而简化交通流。

给多长时间的绿灯最合适

那么，一个方向给多长时间的绿灯最合适？

王老师介绍，绿灯时间应该刚好可以让之前红灯时间排成的车队完全通过，之后变成红灯，后续车辆等待下次放行。具体到每个路口的红绿灯周期应该多长、设置多少个相位最合适等问题，国际上有十几种不同的算法，以最大程度缩短车辆延误时间为目标的“韦伯斯特配时法”，是比较基础且常用的一种。

尽管这些理论体系的专业性很强，但王老师还是给出了通俗易懂的解释：绿灯时长的分配，取决于实际交通流量与饱和流量（道路理论通行能力）之比。美国交通部的《道路通行能力手册》取1800辆/小时（按小客车规格计算）为一条标准车道的饱和流量，即每分钟30辆车。比如某条车道有20辆车在等红灯，要想让它们全部通过，绿灯时间至少设置为40秒。

不过，在绿灯刚亮时和红灯亮之前，还各有一段“损失时间“，一般从路口的第五或第六辆车开始，才能进入有效绿灯时间。因此，实际能保证这些车全部通过的绿灯时间还应大于40秒。

北京台基厂路口南向北方向车流“溢出”，影响了路口其他方向车辆通行。

长安街信号控制系统改造获奖

王老师指出，刚才提到的按时段调整红绿灯配时方案，仅仅是半自动控制，红绿灯只能机械地执行设定好的逻辑。真正的智能化控制，是根据当前监测到的车流量，配合一系列严密的算法，自动、实时地调整红绿灯配时方案，来达到最优通行效率的自适应控制。

北京二环内的部分主干路早在上世纪80年代就安装了英国的“SCOOT”交通控制系统，该系统通过安装在路口的感应线圈和信号机，配合先进的智能算法，就能实现路口的自适应控制。

线圈感应具有准确、直接、低成本等优点，但也有不足：“一旦路面损坏它就不准了，要修好就得重新铺设。像长安街这种大流量主干道，不可能天天挖沟埋线啊！”

也有更先进的视频检测器。新中国成立60周年的2009年国庆节庆典期间，长安街要进行一系列养护和交通优化工作，王力副教授和其所在的北方工业大学智能交通研究团队，负责长安街南礼士路至永安里路段共13个路口的红绿灯控制系统改造，任务之一就是用视频检测器替代原来的线圈检测器。这种视频检测器的可靠性不受路面磨损状况牵制，同时还具备治安监控的功能。在五环内的北京城区，约有30%的路口配备了综合功能的视频检测器。

当然，这项工作可不是把线圈换成探头那么简单。王老师向记者说明，视频与线圈的检测原理不同，视角、距离、光线等很多因素都会影响视频检测的精准度，也因此需要在软件层面做不同的调试，才能保证它操控红绿灯不至于帮倒忙。另一方面，以往北京交管局的红绿灯都是按行政区来分别管控，而长安街这13个路口横跨西城、东城和朝阳3个区，改造之后则是统一管控，解决了红绿灯控制各自为政的问题，有利于提升通行效率。这项“长安街信号控制系统调整改造”的课题，也因此获得2010年北京市科技进步三等奖。王老师表示，这种统筹和融合的理念目前已经成为未来红绿灯智能化控制的趋势。

开车守规矩才有“绿波带”

说到这里，王老师介绍了红绿灯智能化的3个层次，第一层是本地智能，就是一个路口的“自适应控制”，也叫“点控智能”；第二层叫“线控智能”，它的职责是根据路段的指定车速和路口间距，算出车流到达每个路口所用的时间，确保车流每到路口刚好赶上绿灯，也就是“绿波带”的实现；第三层是“面控智能”，就是一个片区内几十个路口联动控制，并且每个路口都能达到最理想的通行状态，这个层次的控制牵一发而动全身，无论是智能化级别还是实现难度，都是最高的。

据王老师介绍，北京的一些重要的东西向主干道已经设定出了“绿波带”，如长安街、平安大街和前三门大街等。

然而，为什么大多司机感到没能享受一路绿灯的畅快呢？这是因为线控和面控“对交通行为规范性的要求很高”。王老师再次举例分析：“比方说A、B、C这3个路口，本来我预测机动车从A到B大概30秒，那B的绿灯就应该在A的绿灯30秒后亮起，但如果你在A路口被不规矩的交通行为干扰了，可能50秒还没到B呢。你从A到B没过去，连带着后面B到C的规律也没法智能了——一步乱，步步乱。”王老师对此表示，不遵守交通秩序对行车规律的影响是致命的，面控在国内难以实现的症结就在这儿。

出于对绿波带的兴趣，记者顺便向王老师反映了一个情况。在北京朝阳区香河园一带，有一段路的3个路口分别只有100米和200米的间隔。这3个路口车流量不大，并且都只有两个简单的直行相位，但车辆经常需要花两三分钟才能通过这段区区300米长的道路，平均车速连普通人慢跑的水平都不如。记者纳闷，它们的红绿灯各自为政是否合理？

王老师说：“距离这么近的几个路口，是一定得协调的，要不然上游堆积的车辆排队到下一个路口也过不去，车流量一上来就会‘溢出’，上游路口四面八方就都被堵死了。”他建议，像100米这样的间距，更应该用一个信号机同时控制多个路口的红绿灯，保证车辆一次通过。这么改简单有效，成本也比几个设备各干各的要低得多。更进一步说，红绿灯的间距本身就不宜设得这么密。