開(kāi)車(chē)或騎自行車(chē)的時(shí)候，你有沒(méi)有遇到過(guò)這樣的場(chǎng)景：如果碰到一個(gè)綠燈順利通過(guò)，基本就能一路綠燈；相反，只要有一個(gè)紅燈攔住你，接下來(lái)遇到的可能都是紅燈……交通信號(hào)燈如此精準(zhǔn)地讓你通過(guò)或者攔住你，讓你不禁懷疑自己是不是進(jìn)入了“楚門(mén)的世界”？

這背后有什么科學(xué)原理嗎？

被停用的煤氣燈

交通信號(hào)燈俗稱(chēng)紅綠燈，以紅、黃、綠三色燈為標(biāo)識(shí)，或輔以聲音提醒，指示車(chē)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(guò)，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)生人與馬匹堵塞的混亂情況。

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(méi)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。

當(dāng)臂板水平伸出時(shí)，駕駛員必須“停止”；當(dāng)臂板從水平位置向下移45度時(shí)，駕駛員可以“前行”。夜晚紅色煤氣燈亮起，代表“停止”；綠色煤氣燈亮起，則代表“前行”。

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。直到電燈普及，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

隨著現(xiàn)代社會(huì)生活節(jié)奏的加快，效率逐漸成為人們重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，有效地疏導(dǎo)和提高十字路口的通行效率顯得越來(lái)越重要。在普通的交通信號(hào)燈設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，顯示時(shí)間是固定的，這樣就無(wú)法有效地利用道路交通資源。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們引入了車(chē)流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)監(jiān)測(cè)車(chē)流量的大小，來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)紅綠燈的顯示時(shí)間。

最常見(jiàn)的有感應(yīng)回路系統(tǒng)和視頻攝像系統(tǒng)。前者是在地面鋪設(shè)環(huán)形線圈傳感器，當(dāng)有車(chē)輛通過(guò)線圈時(shí)，車(chē)的金屬外殼使得磁感線圈的電感發(fā)生變化，從而監(jiān)測(cè)車(chē)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(lái)監(jiān)測(cè)車(chē)輛通行情況，并與多個(gè)交通站點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)。這個(gè)系統(tǒng)不僅能識(shí)別車(chē)輛，并實(shí)時(shí)計(jì)算?？奎c(diǎn)的車(chē)輛數(shù)量，還可以區(qū)分車(chē)輛和行人。

那么，開(kāi)頭說(shuō)到的“遇到一個(gè)紅燈，就會(huì)一路遇紅燈”的現(xiàn)象難道是因?yàn)榻煌ㄐ盘?hào)燈在監(jiān)測(cè)汽車(chē)流量這塊兒出了問(wèn)題？其實(shí)，這并非偶然現(xiàn)象，而是工程師們花了幾十年的時(shí)間特地研究出來(lái)，防止交通擁堵的手段。

交通控制系統(tǒng)的核心問(wèn)題是如何在最短的時(shí)間里讓最多的車(chē)輛通過(guò)某一路段，原則是如果前面的路上車(chē)輛少，那就讓新來(lái)的車(chē)快走；如果前面堵，就讓新來(lái)的車(chē)慢點(diǎn)兒走。于是，人們想出了一個(gè)叫“綠波帶”的辦法，即車(chē)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。這樣就能最大限度地保證車(chē)流到達(dá)路口時(shí)都是綠燈，從而盡可能減少停車(chē)時(shí)間。

不是所有路段都可以設(shè)綠波帶

現(xiàn)在一些大城市的部分道路開(kāi)通了綠波帶。比如成都就在全程約2.6公里，涉及7個(gè)信號(hào)燈的人民南路（錦江賓館至倪家橋路路口）設(shè)置了綠波通行。

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，車(chē)輛在50km/h～55km/h的速度區(qū)間通行最容易趕上綠波帶。但是，如果碰上極端路況、車(chē)禍、有人闖紅燈等狀況，在無(wú)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，不是城內(nèi)環(huán)線干道（城內(nèi)環(huán)線干道車(chē)流量過(guò)于飽和，車(chē)輛排隊(duì)過(guò)長(zhǎng)，無(wú)法在有效綠燈時(shí)段內(nèi)通過(guò)路口）、干擾因素少（無(wú)亂穿馬路的行人和非機(jī)動(dòng)車(chē)輛）、道路條件相近（車(chē)流量情況相近）等。

2011年的一項(xiàng)研究表明，綠波帶可以減少汽車(chē)的二氧化碳排放量，減少燃油消耗，減少車(chē)輛部件磨損，以及制造過(guò)程中的間接能源消耗。

所以，綠波控制一般在中心城區(qū)到外圍城區(qū)的干路上使用，這是為了讓中心城區(qū)的車(chē)輛盡快駛出。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(chē)輛多等幾次紅燈，以減緩市中心的交通壓力。

（摘自微信公眾號(hào)“把科學(xué)帶回家”）