明天的智能交通

标签: 物理 原创 绿波 自适应巡航控制 | 发表时间:2011-07-27 14:00 | 作者:方弦 limo
出处:http://songshuhui.net

城市是一头巨兽,而在城市中穿行的交通工具就组成了它的血液。小汽车、公交、地铁、火车,它们将人和货物从城市的一个地方运到另一个地方,保障城市的正常运作。道路就是城市的命脉。血管堵塞对人来说足以致命,道路堵塞对城市来说则会造成重大损失。所以,保持血脉的畅通,是维持城市正常运作的重要一环。但在北京上海这样的巨型城市中,大型的雪崩式的堵塞却常常发生。有没有什么办法可以减少这种堵塞呢?

柏油路上的绿波

有一种叫“绿波”的交通模式,可以部分地解决这个问题。

这种现象,可能经常开车的有车一族不太留意,但是在所有十字路口都可以很容易观察到这种现象。路面上不断有车开来,但在路口处如果遇到红灯的话,那就只能停下来。在亮红灯的这段时间,信号灯下就停了一大堆车。红灯刚转为绿灯的时候,这一大波车就都开动起来,这时经过信号灯的车特别多。等到过了一段时间,原来在停着的车都开走之后,经过信号灯的车相对来说就变得很少。这就形成了路面车辆的一种模式:有一段车流相对密集,紧随着一段车流相对稀疏。这种忽高忽低的交通模式,跟水波非常相似。

那么,信号灯的策略也很明显了。在车流高峰到达的时候,应该给它们大开绿灯,让占车流大部分的车过去;而车流低谷的时候,正好利用这段时间让行人和另外方向的车穿过十字路口。这样创造出来的效果,就是所谓的“绿波”,因为每一个车流高峰都会遇到绿灯,一路畅通。拉斯维加斯的“人人VIP待遇”就是利用的这个原理。

这种“绿波”的设置,还有助于控制车速。开得太快的车,会先于车流高峰到达信号灯,这时遇到红灯的它就只能停下,等待高峰到了再一起走,无形中减慢了速度。开得太慢的车,会落后于车流高峰到达信号灯,这时它也会遇到红灯,只能等着跟下一波高峰一起走,相对地也提醒司机:你丫开得太慢了!这样就能将总体的车速调节到一个相对合适的范围。

绿波有多远?

不过,要实现这种技术,还是有几个问题需要解决的。

首先是怎么判断车流高峰到没到。尽管在高峰时车流相对比较集中,但每辆车的速度不同,这个高峰也会越变越稀疏,难以判断具体位置。解决这个问题的方法也不难。一个方面,我们可以假定车流高峰在绿灯的时候经过前一个路口,那么要让高峰经过这个路口时也遇上绿灯,只需要计算高峰经过两个路口的距离需要多长时间。打好时间差就可以了。我们可以估算一个合适的速度来计算这个时间差,从而调节信号灯,也可以通过实时的车流监控来进行动态调节,维持“绿波”。

其次,我们刚才只考虑了一个方向的车流,但是信号灯是两个方向同步的,问题似乎变得更麻烦了。不过,如果适当地设置信号灯的位置的话,我们也能在两个方向上同时维持车流的“绿波”。即使是在十字路口,需要考虑左转弯和另一方向的车流时,通过恰当地控制信号灯,我们还是可以尽量做到让有车一族们一路畅通,不仅避免了令人烦躁的开开停停,也减少了废气的集中排放。

交通堵塞的罪魁祸首

要解决道路堵塞的问题,还有不少方法。比如说在城市规划时,适当地使不同等级的住宅区和商业区交错分布,减少人们上下班的出行距离,对于缓解早晚高峰,也相当切实可行。但如果要从根本上解决这个问题,还是要对交通本身进行更深入的研究。

我们说交通工具是城市的血液,这不仅仅是一种类比。事实上,如果我们将车辆想象成液体中的分子,那么车辆在公路上的运动,与液体在管道中的运动有着相似之处。这使我们可以用类似物理上处理液体运动的微分方程来研究车辆在公路网上的行动。

不过,车流和水流也有不一样的地方。两股水流交叉时会互相穿行,好像另一道水流从未存在那样;但当两股车流交叉时,我们就必须设置红绿灯避免交通事故。另外,由于车是人驾驶的,所以速度的变化也受人的反应时间的限制,不能及时依据周围车辆的情况调整状态。相对于水流而言,车流的性质更像是粘性非常大的蜂蜜。这种特性使道路堵塞更容易发生。


(视频:交通堵塞的形成)

上面这个视频就很好地说明了这一点。车子本来在大圆环上是等距分布的,速度也相差不大,似乎不应该出现堵塞,但事实上,堵塞却出现了。从视频中我们可以看到,一开始车辆的运行是很顺畅的,但它们之间的速度有些微妙的差别,但是驾驶者通常不会留意。长时间运行后,有些车之间就会过于靠近。这种情况一旦出现,后面的车就会减速,等前面的车重新拉开距离,而这又会导致它之后的车减速。这种情况继续发展下去,因为人的反应需要时间,减速的情况就会越演越烈,最后就形成了局部的堵塞。

让计算机消灭堵塞

仅仅因为人的反应需要时间,就会导致原本不应该出现的堵塞。为了解决这个问题,最明显的方法就是用计算机去自动控制车速。计算机的反应时间比人快得多,如果它能够根据周围车辆的速度适当调节车速的话,就相当于减少了车流的“粘性”,从而使交通更顺畅。这种技术被称为自适应巡航控制(Adaptive Cruise Control,简称ACC)。

ACC系统配备有车载雷达,可以实时探测周围车辆的速度和距离,在正常行驶中尝试保持车辆之间的距离。当前方车辆减速时,系统会自动减速避让,否则则会加速保持距离。由于是计算机自动操作,反应自然比人类驾驶员要快得多。更先进的ACC系统甚至可以与路旁监控车流的传感器通讯,获取道路交通的更多信息,甚至可以与其它车辆的ACC系统通讯,共享更大范围的车辆情况,更有效地辅助驾驶。有了这种系统,我们可以有效地消除上面实验中的那种莫名出现的堵塞。

实际上,计算机模拟表明,装备有ACC系统的车辆,不仅可以使拥有它的人更快地到达目的地,无形中也会帮助整体的交通变得更加顺畅。在模拟中,如果车流中有装备了ACC的车辆达到四分之一,交通堵塞的数目就会明显下降。即使只有3%的车辆有ACC,也可能显著提高交通的流动速度。

不少汽车公司正在尝试开发实用性的ACC系统。ACC系统可以装载在一般的汽车上,但是能更精确快捷控制速度的电动车可能更适合装载ACC系统。现在还只有高档汽车才配备有这项功能,不过相信很快我们就能看见装载有ACC系统的普通汽车了。届时,相信我们能看见更顺畅的交通。

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