“智能紅綠燈的投入能帶來40倍產(chǎn)出”讓會思考的紅綠燈統(tǒng)治我們

◎本刊主筆 劉國偉

當(dāng)你開車或者乘車，總有一種等待讓你焦灼難耐。對，你遇到堵車了，時光在流失，汽油在發(fā)動機里被白白燃燒，污染物被排入大氣……“紅燈停，綠燈行”，這是我們小時候就熟知的。道路信號燈系統(tǒng)——俗稱紅綠燈的投入使用雖然只有100多年，但科學(xué)家和管理者為它功能的完善和智能化一直在進行不懈探索。

堵車造成的經(jīng)濟損失有多大？2005年，美國得克薩斯農(nóng)工大學(xué)的一篇文獻統(tǒng)計稱，僅僅在美國每年的損失就高達631億美元，其中包括37億小時的時間損失和被浪費的87億升燃料。隨著全球汽車數(shù)量的激增，全球范圍內(nèi)堵車造成的損失更是不可計數(shù)。

為了避免堵車，人類探索賦予紅綠燈更多的“智慧”，讓它去“思考”讓交通更順暢的方法。

紅綠燈：從燒煤氣到用電

紅綠燈究竟誕生于何時何地呢？

業(yè)界公認(rèn)的第一盞紅綠燈，是英國人在1868年12月9日開始啟用的，地點是英國議會大廈附近的大橋街、國會街和大喬治街三條馬路交匯處，三位鐵路系統(tǒng)的工程師設(shè)計了這盞燈。燈光有紅綠兩色，使用煤氣燈做光源。遺憾的是，第一盞紅綠燈用了不到一個月就退出了歷史舞臺，因為煤氣爆炸事故造成了操作紅綠燈的警察受傷（一種說法是殉職）。

紅綠燈再次出現(xiàn)時已經(jīng)是20世紀(jì)，電力時代來臨了。

1912年，以電力做能源的紅綠燈出現(xiàn)在美國猶他州鹽湖城。兩年后美國俄亥俄州克利夫蘭市的紅綠燈更進一籌，在燈光變換時蜂鳴器會發(fā)出聲音提供警告。1920年是雙色紅綠燈變成三色燈的元年，美國底特律市的警官威廉·波茨設(shè)計了三色燈。俄亥俄州阿什維爾市一個路口的紅綠燈，從1932年服役到1982年，后來被拆下來直接搬進了博物館，可謂全美最老資格的紅綠燈。

當(dāng)全美各地紛紛裝上了紅綠燈的時候，英國等到1926年才在皮卡迪利廣場首次裝上電力紅綠燈。之后，紅綠燈的外觀就鮮有重大變化了。大家熟悉的人行橫道上的倒計時計數(shù)器（有時候是動態(tài)小人），是上世紀(jì)90年代才問世的，因為顯示直觀、使用貼心，使用得較為廣泛。

智能系統(tǒng)能“無為而治”？

隨著人工智能技術(shù)的出現(xiàn)，紅綠燈又被賦予了“智慧”。

2008年，德國德累斯頓理工大學(xué)的斯蒂芬·萊默和瑞士聯(lián)邦工學(xué)院的德克·赫爾冰通過研究，認(rèn)為人類對于規(guī)則和控制太過于偏好了，如果我們放手“無為而治”，讓智能系統(tǒng)自己找解決方法，情況會好很多。

兩人在實驗和研究中發(fā)現(xiàn)，以往必須給交通系統(tǒng)建立一個控制中心來支配紅綠燈的做法，使交通信號燈只能聽命于控制中心，不能自適應(yīng)路口的情況變化；若給紅綠燈制定簡單規(guī)則后使其自己行動起來，每盞燈都能采取策略去適應(yīng)下一刻的交通狀況不是更好嗎？兩人經(jīng)過優(yōu)化，讓系統(tǒng)中鄰近的紅綠燈彼此共享信息，使其他紅綠燈也能夠?qū)δ硞€燈附近的情況做出反應(yīng)，從而避免大規(guī)模堵車。

早期紅綠燈組圖來源：汽車技術(shù)網(wǎng)

1868年倫敦第一盞紅綠燈結(jié)構(gòu)圖，它比第一輛汽車還早了18年。來源：汽車技術(shù)網(wǎng)(thecartech.com)

兩人在模擬運行系統(tǒng)后，司機無法預(yù)測綠燈持續(xù)時間，可是整個道路系統(tǒng)的總行車時間大幅下降。而且以往傳統(tǒng)交通中出現(xiàn)的荒誕場景，例如半夜車輛在空曠路上被路口紅燈叫停的情況不會出現(xiàn)了。兩人研究成果中的亮點，即“建立能夠自己解決問題的系統(tǒng)”，正逐漸被越來越多的城市規(guī)劃人員所重視，其后在德累斯頓公路上開展的初步試驗令人振奮，當(dāng)?shù)氐囊患医煌ú块T已與兩人開始合作。

100年前的紅綠燈外形十分“樸實無華”。這是1915年美國俄亥俄州波特蘭市的紅綠燈。來源：波特蘭在線網(wǎng)(portlandonline.com)

讓紅綠燈“鄰里對話”

2013年，在加拿大多倫多大學(xué)攻讀工程學(xué)研究生的薩瑪·艾爾·坦塔維和導(dǎo)師巴赫爾·阿卜杜亥教授合作，運用博弈論和人工智能設(shè)計了匹配實時交通模型的更智能的紅綠燈系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特色是實時無延遲，避免了因為管理中心崩潰引發(fā)的全系統(tǒng)混亂。系統(tǒng)甚至允許紅綠燈彼此之間“對話”，即每個路口都和臨近路口“合作”，在特定地域內(nèi)優(yōu)化車流，進而形成全網(wǎng)范圍內(nèi)的相互協(xié)調(diào)。

經(jīng)過計算，坦塔維設(shè)計的紅綠燈系統(tǒng)在每一個路口的安裝，需要投入2萬至4萬美元。這套系統(tǒng)已經(jīng)引起了交通信號控制產(chǎn)業(yè)的興趣，還贏得了兩項國際大獎。

“可擴展城市交通控制（SURTRAC）”系統(tǒng)是美國卡耐基梅隆大學(xué)“交通2 1（Traffic21）”研究計劃的一部分。2012年6月起，項目首席研究員斯蒂芬·史密斯帶領(lǐng)團隊在美國匹茲堡市安裝SURTRAC試點。但由于使用閉路電視監(jiān)控交通，遭到了所謂“侵犯走動隱私權(quán)”的批評。

能“自主思考”的紅綠燈誕生

在世界很多地區(qū)，傳統(tǒng)信號燈的變色模式可能幾年才修訂一次，但是美國猶他州的紅綠燈只需30秒就能完成調(diào)整。這是拜2002年鹽湖城冬奧會所賜，猶他州對本州的基礎(chǔ)設(shè)施進行了大量的投資和提升，將猶他州的信號燈通過光纖網(wǎng)絡(luò)連接起來。猶他州交通運輸部門從1000多個相機和馬路下埋置的線圈中收集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對全州50%（也有文獻說80%）交通燈的智能控制，最終實現(xiàn)交通的優(yōu)化。該州交通運輸部工程師馬克·泰勒估計，在紅綠燈系統(tǒng)上的投入至少能帶來40倍的產(chǎn)出。

即使財力如美國般雄厚，也不是每個城市都有能力對信號燈系統(tǒng)進行大改造。匹茲堡市的智能紅綠燈技術(shù)從研究到應(yīng)用走在美國的前列，與當(dāng)?shù)刂目突仿〈髮W(xué)提供的技術(shù)支持密不可分。卡耐基梅隆大學(xué)的斯蒂芬·史密斯團隊，使用埋置在道路下的感應(yīng)線圈，與車輛位置、速度和方向等信息相協(xié)調(diào)，實時靈活變化紅綠燈，避免可能發(fā)生的擁堵。這套系統(tǒng)結(jié)合了現(xiàn)有技術(shù)和人工智能，號稱開創(chuàng)了能夠“自主思考”的紅綠燈。

也許過不了多久，公路上的紅綠燈就像一個個智慧的大腦，能互相溝通快速協(xié)調(diào)，讓道路和汽車達到最大限度的暢通與和諧。

卡耐基梅隆大學(xué)的這個研究項目名為“交通21（Traffic21） ” ，系統(tǒng)中的光纖視頻接收器允許控制器實時監(jiān)控和改變信號燈顏色，應(yīng)對交通情況的變化，所謂“自主思考”就是這個意思。

2012年6月起，斯蒂芬·史密斯及其他師生開始了系統(tǒng)試運行，他們將智能紅綠燈系統(tǒng)安裝在匹茲堡東自由區(qū)的9個交叉路口，取得了預(yù)期效果。結(jié)果顯示，路線上的行車時間減少26%，汽車空轉(zhuǎn)時間減少41%，沿途停車時間減少31%，尾氣排放量減少21%。

2012年6月起，斯蒂芬·史密斯及其他師生將智能紅綠燈系統(tǒng)安裝在匹茲堡東自由區(qū)的9個交叉路口，取得了預(yù)期效果。結(jié)果顯示，路線上的行車時間減少26%，汽車空轉(zhuǎn)時間減少41%，沿途停車時間減少31%，尾氣排放量減少21%。

捕捉司機手機信號調(diào)整交通

如果能將當(dāng)下廣為普及的智能手機的性能開發(fā)出來，作為汽車的一個信號源與控制紅綠燈的計算機系統(tǒng)相連接，可以為后者提供重要的車流數(shù)據(jù)，這對于優(yōu)化紅綠燈效果很有用處。美國得克薩斯州哈里斯縣控制紅綠燈的計算機系統(tǒng)就做到了這一點，該系統(tǒng)基于司機手機發(fā)出的信號對車輛信息進行收集，即使在少量司機手機開通的情況下，系統(tǒng)也可以通過紅綠燈的變換針對交通密度進行調(diào)整。

美國麻省理工學(xué)院研究人員研究的車對車平臺系統(tǒng)“卡特爾（CarTel）”，就是使用手機提供的數(shù)據(jù)，對行車軌跡進行預(yù)測，取得較準(zhǔn)確的結(jié)果。為了從公眾中采集信息源，技術(shù)人員在蘋果和谷歌的應(yīng)用商店里提供了應(yīng)用下載，該應(yīng)用在波士頓有一定的應(yīng)用基礎(chǔ)。

德國東柏林交通信號燈“停”和“行”的標(biāo)志比較特殊。當(dāng)東西德統(tǒng)一，東柏林也與西柏林合并，東柏林人堅持把交通信號燈上的小人兒保留下來，因為它是專屬于東柏林的一個標(biāo)志。直到今天，人們走在柏林的大街小巷，只要看信號燈就能分辨出自己是在東柏林，還是在西柏林。

此外，美國加州大學(xué)和歐洲部分學(xué)術(shù)團體也在這方面開展了研究。但是需要指出的是，利用手機數(shù)據(jù)采集車輛信息，需要處理好公眾隱私這一難題，所以這方面的進展因此受到了限制。

德國德累斯頓理工大學(xué)的斯蒂芬·萊默等研究者的自組織智能紅綠燈仿真試驗示意圖。圖中藍線為常規(guī)紅綠燈，橙線為有自組織能力的智能紅綠燈。右上角曲線圖是兩種燈使用后的汽車油耗對比（升/秒），左下角是在兩種燈下汽車等待紅燈時間的對比。來源：城市實驗室

智能紅綠燈專治超速慣犯

智能紅綠燈在英國的應(yīng)用頗有些喜感。2011年秋天，英格蘭西南的斯溫頓鎮(zhèn)地方議會，經(jīng)過討論決定關(guān)閉當(dāng)?shù)伛R路上的測速儀，原因是這些測速儀每年維護費高達32萬英鎊，而發(fā)生的交通事故數(shù)量表明，這些測速儀并沒有使交通更安全，所以一拆了之，同時安裝上新的智能紅綠燈。這種智能燈在燈前面不遠處埋置有傳感器，記錄經(jīng)行的車輛速度，如果車速太快，信息傳到燈光控制盒，燈光就會切換成紅色，迫使超速車輛停下來。

為了防止司機們耍花樣，傳感器的具體位置不予公開。而自動車牌識別系統(tǒng)會給救護車等特別車輛以方便，讓它們暢通無阻。盡管這種智能限速手段在西班牙、葡萄牙和法國也有應(yīng)用，可是在英國試用仍然引起了不同的看法。英國皇家汽車俱樂部基金會的董事斯蒂芬·格萊斯特對此潑了冷水：“這種奇怪的紅燈會改變那些超速慣犯嗎？紅燈亮了，他們熟視無睹地開過，倒是他們后面的守法司機會被紅燈逼停。”官方稱這種紅綠燈的使用如果證明是成功的，可以為后續(xù)更成熟的智能紅綠燈系統(tǒng)引入英國鋪平道路。

無人駕駛車將讓紅綠燈退休？

除了上面所說的智能紅綠燈，當(dāng)下世界各地廣泛采用的智能交通系統(tǒng)——無論是英國的“交通信號自動化控制系統(tǒng)（SCOOT）”，澳大利亞的“悉尼自適應(yīng)交通控制系統(tǒng)（SCATS）”，還是美國的“自適應(yīng)控制的最優(yōu)策略（OPAC）”和“實時、遞階、最優(yōu)化的、分布式、且可實施的系統(tǒng)（RHODES）”等，均把紅綠燈的管理納入系統(tǒng)范疇，作為一項核心功能給予重視，此處就不一一敘述了。

此外參與研發(fā)智能紅綠燈管理系統(tǒng)的公司還包括寶馬和西門子公司，兩家公司在2010年公布了其網(wǎng)絡(luò)化的信號燈系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠與許多汽車上安裝的反空轉(zhuǎn)技術(shù)協(xié)同工作，從汽車上收集的信息能夠幫助智能紅綠燈減少循環(huán)時間，也能夠告知司機紅綠燈即將發(fā)生的變化，使行車更有效率。奧迪公司正在測試的原型車也具備通知司機燈光何時變色的功能。據(jù)德國汽車廠商稱，該技術(shù)很快會被商業(yè)化。

未來紅綠燈是什么樣子呢，大家可以盡情想象。

也許，在不遠的將來，谷歌無人駕駛汽車引領(lǐng)的汽車全自動駕駛風(fēng)潮遍及全球之后，汽車自己會決定何時停、何時走，熟悉的紅綠燈可能會成為一件令后人倍感稀奇的歷史文物。但在目前，相信紅綠燈的智能化，是減少擁堵最令人樂觀的發(fā)展方向。