紅綠燈是怎樣運行的

逝水流年?。希粒樱桑?/p>

“紅燈停，綠燈行，見到黃燈等一等”，有很多人認為紅綠燈只不過是個簡單的電子設備，它的外形設計也不怎么出色，甚至還有點丑。更叫人難以接受的是，它經常用紅燈將你攔下，讓你身處汽車長龍之中，眼睜睜地看著其他路口的車暢通無阻，因此很多人把紅綠燈視為“木腦袋”設計。可就是這個“木腦袋”的紅綠燈控制著全世界數以億計的汽車和行人，它的背后有著極為復雜的理論和控制系統。如果你不信，那就隨《Geek》來窺視—下紅綠燈背后的秘密。

紅綠燈的誕生

紅綠燈最早于1868年誕生在倫敦議會大廈前的廣場上。當時這個地方經常發生馬車軋人的事故，為了避免事故，人們在路邊豎起一根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，紅燈時馬車停下來讓行人，綠燈時馬車才可以通行，以此來控制馬車和行人有序地通行，保障交通安全。這個紅綠燈是由當時英國機械師德?哈特設計的，他為什么選擇了這兩種顏色呢?那是因為當時在英國中部的約克城，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，用這兩種顏色的燈光來管理交通。這個紅綠燈操作起來很費勁，需要一名警察牽動皮帶轉換顏色。不幸的是這個紅綠燈使用到第23天時突然爆炸了，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，在美國的克利夫蘭市才恢復了紅綠燈。第一個三色信號燈于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街的座高塔上，使城市交通大為改善。黃色信號燈的點子其實是一位名叫胡汝鼎的中國人想出來的，他當時在美國通用電器公司任職。某天，他在紅燈即將轉綠的時候過馬路，一輛汽車呼地一聲擦身而過，嚇得他身冷汗。后來他想到在紅、綠燈中間再加上個黃燈，以提醒人們注意安全。這個建議立即得到有關方面的肯定。于是紅、黃、綠三色信號燈成為了一組完整的交通信號，后來遍及全世界陸、海、空交通領域。

我們再回過頭看看最早的那個紅綠燈裝置。它解決了橫穿馬路的行人與順著路行駛的汽車相斥的問題，它讓行人和汽車分別在屬于自己的時間段內使用路面，這類似于早期CPU的分式操作的方式。在當時的技術條件下，CPU不能多線程運算，因此操作系統(相當于紅綠燈)會將CPU的運算時間劃分成個個時間片，在這些時間片里把CPU(公路)輪流用于各個程序(行人和車輛)運算。這種分時管理的結果是讓系統能流暢地運行多個程序，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置這種紅綠燈。

解決并線的問題

近幾十年來隨著經濟的不斷發展，公路上行駛的車輛越來越多，雖然有人行天橋、地下通道等設施讓行人和車輛分開通行，但堵車的現象并沒有緩解多少，原因之一就是在路口有不同方向來的車輛匯集到起，如果疏導不利就很容易堵車。在上個世紀90年代，公路上的紅綠燈還比較少，那時候都是由警察站在路口指揮交通，車輛根據警察的手勢按順序通過。后來紅綠燈逐漸替代了警察，它通過調整紅燈(相當于警察讓車輛停下的手勢)與綠燈(相當于警察放行車輛停手勢)的間隔時間依次放行處于沖突路線上的車輛，以此來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度算法，它把車輛離開的路口當做出口，把要去往的路口當做入口，它就是要實現在同一時間內入口的放行量最大化，也就是盡量保證疏導去同個路口的車輛?，F在絕大多數公路都是雙向行駛的，因此在常見的三岔路口，就會有三個出口和三個入口，每個入口都會對應兩個出口，這意味著紅綠燈放行的時候，就會有兩個路口的車輛前往同一個路口，這兩路的車就給紅綠燈提出了一個并線的問題。紅綠燈通常是這樣解決的，我們來舉例說明吧：某個路口將持續放行60秒鐘，它會先讓直行的車輛往出口方向開，在放行到第40秒的時候再給左轉的車輛25秒的時間，大家注意到這中間有5秒的時間差了嗎?它就是留給車輛并線的，這樣做可以讓直行的車輛快速通過，然后用5秒的時間讓左轉的車輛并入直行車道，緊跟著前面直行的車輛通過路口。這種對并線車輛的處理其實就為了讓兩個路口的車輛都能及時快速地通過路口，從而縮短其他路口車輛等待的時間。

解決道路沖突

根據現代城市的規劃方式，十字路口是非常常見的，而設置在十字路口的紅綠燈運行起來就更復雜了。為了便于區分，我們將各個路口以順時針編號為A、B、C、D。按照我國靠右行駛的交道準則，不會有其他方向駛來的車與另一輛車相遇，因此紅綠燈并不會對右轉行為進行限制，車輛可以直接在靠著最右側的車道右轉過去。早期的紅綠燈沒有方向指示，各個路口上只有組紅、黃、綠的信號燈，這種方法其實是依照駛出口優先的原則而定的。比如A路口的司機看到綠燈放行時，他們可以根據自己的目的地選擇直行或左轉，此時A路口的車輛放行量最大，但其他三個路口的司機只能干瞪眼。如果某哥們兒到達路口時剛剛放行過了，那他將在路口度過一個漫長的時光，這樣的情況有時侯會讓人抓狂，顯然這樣設置紅綠燈并不科學。

后來有人改進了十字路口的放行規則，依照人口優先的原則，比如A路口亮起綠燈時，除了B直行和左轉都受紅燈限制外，C和D去往A的車輛都可以駛入，每次放行都可以讓兩個路口的車輛通行，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，紅綠燈肯定會優先照顧位于主干道上的車輛，要給它更長的放行時問。一般在非主干道交叉路口的紅綠燈會一直閃爍黃燈，這代表車輛可以直接通行，但要小心確認路口是否凈空。

明白了紅綠燈的運行規律和原則以后，大家肯定會對設計紅綠燈的人多一分敬佩了吧。其實每個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輛更安全、快捷地通過路口。公路上的情況瞬息萬變，它不但要優先照顧主干道，還要兼顧并線的車輛，如果你正好處在非主干道上，又是要左轉的，可能你的等待時間會比較長。這個時候你千萬別抱怨，世界如此美妙，你也沒有必要如此暴躁，還是用聽音樂或者揉揉眼睛啥的來打發這點難得的放松時間吧。

不斷進化的紅綠燈

早期的這種紅綠燈是用定時器和繼電器做成的，間隔時間是預先根據交通流量進行推導和計算得出的，調整起來很麻煩。后來的可編程邏輯控制器(ProqrommableLogic Controller，PLC)取代了它，工作人員通過修改控制程序即可獲得各種組合輸出，方便了許多。但大太陽天的，讓人家抱著個筆記本電腦去修改PLC多殘忍啊，于是lTS就誕生了，它的聰明之處在于它能根據各路口的交通狀況自動調整紅綠燈的時長。為了讓紅綠燈的運行能根據各個路口的車流量大小實時調整，工作人員需要在各路口的車道上埋設一種稱為“地感”的傳感器或者更高級的紅外線分車器。當有車經過傳感器時，車子的前輪和后輪會分別壓上傳感器，ITS就利用相鄰的這兩個脈沖信號來計量車流量(紅外分車器類似，車身在進入和離開紅外區域也會產生兩個計量信號)。傳感器一般布置在稍遠離路口的位置，這樣不僅能統計流量，還能在該路口的紅燈時間統計大致有多少車在排隊等待通過。lTS內的計算機負責根據這些數據實時調整路口的紅綠燈周期。如果你開車進入這套系統的控制范圍，遇到上面說到的那種其他路口均空閑的情況，會發現綠燈很友善地為你馬上開啟。

但這只是針對單個路口的情況?，F代城市如蜘蛛網一樣的道路結構，大家都不會希望每經過一個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作了，指揮中心控制就是干這個事的。它是屬于更高級的智能交通體系，主要任務是建立控制模型，并針對性地設置相應的軟件算法，選取適當的信號配比控制方案策略。指揮中心控制已經用上了包括GPS、圖像識別等在內的攬子傳感技術，絕大多數路口都安裝了電視監控系統，利用圖像識別技術更準確地統計車流量和監控交通意外。指揮中心系統還利用大量裝有GPS的移動監控車(專業稱浮動車)在城市的各條路線移動監控交通狀況，并將資料傳送至指揮中心。中心將諸多數據輸入中央電腦進行分析預測后，對各路口的紅綠燈周期進行全局控制。

現在大家應該了解紅綠燈背后-復雜而有效的運行規律了吧，要從根本上解決紅綠燈繁忙的狀況，各位還是響應號召少開車，盡量選擇公共交通出行，這樣既減輕了控制電腦的壓力，也是為人類生存環境做了一件善事!另外，建議大家去玩一下這個游戲，親自控制紅綠燈以后，你們就會了解到它的重要性了。