開車/騎自行車的時(shí)候，你有沒有遇到過這樣的場(chǎng)景：如果碰到一個(gè)綠燈順利通過，就能一路綠燈；相反，只要有一個(gè)紅燈攔你，接下來遇到的都是紅燈……

如此精準(zhǔn)地?cái)r你，讓你不禁懷疑自己是不是進(jìn)入了楚門的世界，還是最近水逆，不宜出門。

這背后有什么科學(xué)原理嗎？

圖源：網(wǎng)絡(luò)

被停用的煤氣燈

交通信號(hào)燈俗稱紅綠燈，是以紅、黃、綠三色（歐洲一些國(guó)家還可能會(huì)使用帶有橙色的琥珀黃）燈或輔以聲音訊號(hào)，指示車輛及行人停止、注意與前進(jìn)。

世界上第一盞交通信號(hào)燈誕生于 1868 年 12 月，而它被發(fā)明的主要原因是倫敦威斯敏斯特橋前有大量的馬匹經(jīng)過，數(shù)以千計(jì)的行人被迫行走在威斯敏斯特宮旁，經(jīng)常發(fā)生人與馬匹堵塞混亂。

當(dāng)臂板水平伸出時(shí)代表駕駛員必須“停止”，當(dāng)臂板水平向下 45 度角時(shí)代表駕駛員“前行”。夜晚時(shí)紅色煤氣燈亮起代表“停止”，綠色煤氣燈則代表“前行”。圖源：wiki

該交通信號(hào)燈高 6.7 米，由兩個(gè)連接到旋轉(zhuǎn)臂上的移動(dòng)標(biāo)志，以及夜晚使用的柱頂上的煤氣燈組成。當(dāng)時(shí)，并沒有“自動(dòng)化”這一概念，所以交通信號(hào)燈的變化全是人為操縱的。

雖然這是一項(xiàng)成功管控交通流量的發(fā)明，但它的煤氣燈卻在運(yùn)行了 24 天后爆炸，炸傷了控制信號(hào)燈的警察，這種交通信號(hào)燈便被停用。直到電力的普及，第一個(gè)電力交通信號(hào)燈才在美國(guó)克利夫蘭投入使用。

如何控制信號(hào)燈？

隨著社會(huì)節(jié)奏的加快，效率逐漸成為人們的重點(diǎn)考慮的問題，有效地疏導(dǎo)和提高十字路口的通行效率顯得越來越重要。在普通的交通燈設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，顯示時(shí)間是固定的，這樣就無法有效地利用道路交通資源。

為了解決這個(gè)問題，人們引入了車流量監(jiān)測(cè)，通過車流量的大小，來自動(dòng)調(diào)節(jié)紅綠燈的顯示時(shí)間。

最常見的有感應(yīng)回路系統(tǒng)和視頻攝像系統(tǒng)。前者在地面鋪設(shè)了環(huán)形線圈傳感器，當(dāng)有車輛通過線圈時(shí)，車的鐵外殼使得磁感線圈電感發(fā)生變化，從而監(jiān)測(cè)車輛。感應(yīng)回路系統(tǒng)由于其簡(jiǎn)單性而被廣泛使用。

后者是我們?cè)诮煌ㄐ盘?hào)燈中看到的最復(fù)雜的系統(tǒng)。桿上安裝的視頻監(jiān)測(cè)攝像機(jī)依靠視頻技術(shù)來監(jiān)測(cè)汽車，并與多個(gè)交通站點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)。不僅能識(shí)別車輛，并實(shí)時(shí)計(jì)算停靠點(diǎn)的車輛數(shù)量，還可以區(qū)分汽車和行人。

圖源：網(wǎng)絡(luò)

那么，我們開頭說到的“遇到一個(gè)紅燈，就會(huì)一路紅燈”的現(xiàn)象難道是因?yàn)榻煌ㄐ盘?hào)燈在監(jiān)測(cè)汽車流量這塊兒出了 bug？其實(shí)，這并非偶然現(xiàn)象，而是道路設(shè)計(jì)師們花了幾十年特地研究出來，防止交通擁堵的手段。

交通控制系統(tǒng)的核心問題就是如何在最短的時(shí)間讓最多的車輛通過路段，原則就是如果前面路空，讓新來的車快走，如果前面堵，就讓新來的車慢點(diǎn)走。

于是，人們想出了一個(gè)辦法叫做“綠波帶”，即車輛勻速行駛，進(jìn)入綠波帶區(qū)域時(shí)第一個(gè)信號(hào)燈為綠燈，那么下一個(gè)路口也能遇到綠燈。最大限度地保證車流到達(dá)路口都是綠燈，盡可能減少停車時(shí)間。

綠波帶道路上的路口信號(hào)燈通常會(huì)設(shè)有綠波速度提示牌，在 50～55km/h 的速度最容易趕上綠波帶。

但是，如果碰上極端路況、車禍、有人闖紅燈等事件，無法保持綠波速度的情況下，你可能會(huì)遇到綠波帶的“死對(duì)頭”——紅波帶，讓你走一路，停一路，減緩你的通行速度。

當(dāng)然，不是所有路段都可以設(shè)置綠波帶。

一條適合設(shè)計(jì)綠波帶的路段需要滿足許多條件，比如：不是主干道（主干道車流量過于飽和，車輛排隊(duì)過長(zhǎng)無法在有效綠燈內(nèi)通過路口）、干擾因素少（無亂穿馬路的行人和非機(jī)動(dòng)車輛）、道路條件相近（車流量情況相近）等。

2011 年，一項(xiàng)研究表明，綠波帶可以減少汽車二氧化碳排放、減少燃油消耗、減少車輛部件磨損以及制造過程中的間接能源消耗。

所以，綠波控制一般使用在中心城區(qū)到外圍城區(qū)的干路上，目的是為了讓中心區(qū)的車輛盡快駛出核心區(qū)。而相對(duì)應(yīng)的駛?cè)胫行某菂^(qū)的方向，往往不會(huì)設(shè)置綠波帶。

相反，有的地方會(huì)設(shè)置紅波帶，就是讓進(jìn)入核心區(qū)的車輛多等幾次紅燈，以減緩市中心的交通壓力。

圖源：unsplash.com

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參考文獻(xiàn)

[1]https://auto.howstuffworks.com/car-driving-safety/safety-regulatory-devices/how-does-a-traffic-light-detect-that-a-car-has-pulled-up-and-is-waiting-for-the-light-to-change.htm

[2]https://en.wikipedia.org/wiki/Green_wave

[3]https://www.cdccic.com/cdjt/show_38942.htm

[4]https://www.mdpi.com/2071-1050/13/10/5411

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來源丨把科學(xué)帶回家（id：steamforkids）

作者丨阿嫻《萬物》雜志編輯

責(zé)編丨一諾