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

如此精準地攔你，讓你不禁懷疑自己是不是進入了楚門的世界，還是最近水逆，不宜出門。

這背后有什么科學原理嗎？

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被停用的煤氣燈

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

世界上第一盞交通信號燈誕生于 1868 年 12 月，而它被發明的主要原因是倫敦威斯敏斯特橋前有大量的馬匹經過，數以千計的行人被迫行走在威斯敏斯特宮旁，經常發生人與馬匹堵塞混亂。

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

該交通信號燈高 6.7 米，由兩個連接到旋轉臂上的移動標志，以及夜晚使用的柱頂上的煤氣燈組成。當時，并沒有“自動化”這一概念，所以交通信號燈的變化全是人為操縱的。

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

如何控制信號燈？

隨著社會節奏的加快，效率逐漸成為人們的重點考慮的問題，有效地疏導和提高十字路口的通行效率顯得越來越重要。在普通的交通燈設計系統中，顯示時間是固定的，這樣就無法有效地利用道路交通資源。

為了解決這個問題，人們引入了車流量監測，通過車流量的大小，來自動調節紅綠燈的顯示時間。

最常見的有感應回路系統和視頻攝像系統。前者在地面鋪設了環形線圈傳感器，當有車輛通過線圈時，車的鐵外殼使得磁感線圈電感發生變化，從而監測車輛。感應回路系統由于其簡單性而被廣泛使用。

后者是我們在交通信號燈中看到的最復雜的系統。桿上安裝的視頻監測攝像機依靠視頻技術來監測汽車，并與多個交通站點聯網。不僅能識別車輛，并實時計算停靠點的車輛數量，還可以區分汽車和行人。

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那么，我們開頭說到的“遇到一個紅燈，就會一路紅燈”的現象難道是因為交通信號燈在監測汽車流量這塊兒出了 bug？其實，這并非偶然現象，而是道路設計師們花了幾十年特地研究出來，防止交通擁堵的手段。

交通控制系統的核心問題就是如何在最短的時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，就讓新來的車慢點走。

于是，人們想出了一個辦法叫做“綠波帶”，即車輛勻速行駛，進入綠波帶區域時第一個信號燈為綠燈，那么下一個路口也能遇到綠燈。最大限度地保證車流到達路口都是綠燈，盡可能減少停車時間。

綠波帶道路上的路口信號燈通常會設有綠波速度提示牌，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，你可能會遇到綠波帶的“死對頭”——紅波帶，讓你走一路，停一路，減緩你的通行速度。

當然，不是所有路段都可以設置綠波帶。

一條適合設計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，車輛排隊過長無法在有效綠燈內通過路口）、干擾因素少（無亂穿馬路的行人和非機動車輛）、道路條件相近（車流量情況相近）等。

2011 年，一項研究表明，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到外圍城區的干路上，目的是為了讓中心區的車輛盡快駛出核心區。而相對應的駛入中心城區的方向，往往不會設置綠波帶。

相反，有的地方會設置紅波帶，就是讓進入核心區的車輛多等幾次紅燈，以減緩市中心的交通壓力。

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參考文獻

[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

策劃制作

來源丨把科學帶回家（id：steamforkids）

作者丨阿嫻《萬物》雜志編輯

責編丨一諾