“去中心化的”虛擬紅綠燈能否徹底解決交通擁堵？

紅燈停，綠燈行，是我們孩提時(shí)代最早知道的交通規(guī)則之一。然而隨著私家車(chē)數(shù)量的與日俱增，以及各個(gè)國(guó)家城市化水平的不斷提升，1912 年誕生的傳統(tǒng)紅綠燈系統(tǒng)似乎從維護(hù)交通秩序的“英雄”，逐漸變成了交通擁堵的“幫兇”。

例如在某一時(shí)刻，某個(gè)十字路口南北向是紅燈禁行，東西向是綠燈通行，可是偏偏東西向一輛車(chē)都沒(méi)有，南北向卻車(chē)流不斷。對(duì)于等待紅燈的車(chē)主來(lái)說(shuō)，這種無(wú)謂的等待時(shí)間不僅降低了通行效率，造成了不該出現(xiàn)的局部擁堵，而且增加了他們的出行成本。

雖然近年來(lái)人們引入了大數(shù)據(jù)、攝像頭和智能檢測(cè)傳感器等手段，來(lái)升級(jí)交通信號(hào)燈系統(tǒng)，但是本質(zhì)上還是依靠實(shí)體的紅綠燈系統(tǒng)，做出決策的仍然是中心化的交通系統(tǒng)，再?gòu)?qiáng)大的優(yōu)化算法也不能突破這個(gè)局限。

“去中心化的”虛擬紅綠燈

今年七月，沙特阿卜杜拉阿齊茲國(guó)王科技城（KACST）舉辦了一次新穎的路測(cè)：在兩個(gè)十字路口使用虛擬紅綠燈系統(tǒng)，然后讓幾輛車(chē)用遵守交通規(guī)則的方式隨意通過(guò)這些路口。路測(cè)的參與人員超過(guò) 100 人，包括政府官員，學(xué)術(shù)代表，Uber 等企業(yè)代表，以及虛擬紅綠燈技術(shù)的研發(fā)人員。這項(xiàng)技術(shù)在測(cè)試中運(yùn)行完美，沒(méi)有出現(xiàn)一次錯(cuò)誤。

這項(xiàng)虛擬紅綠燈技術(shù)由 Virtual Traffic Lights（VTL）公司研發(fā)，其創(chuàng)始人是美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的電子與計(jì)算機(jī)工程教授 Ozan K.Tonguz。在進(jìn)行公開(kāi)路測(cè)之前，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在基于現(xiàn)實(shí)世界的模擬交通壞境中進(jìn)行了很多次試驗(yàn)，并且從 2017年 5 月，就開(kāi)始在卡內(nèi)基梅隆大學(xué)附近路段進(jìn)行小規(guī)模路測(cè)。

圖 | 在匹茲堡的路測(cè)車(chē)（ 來(lái)源：卡內(nèi)基梅隆大學(xué)）

模擬測(cè)試結(jié)果顯示，在早晚高峰時(shí)段，波爾圖市和匹茲堡市的平均通勤時(shí)間均縮短了約 40%，通勤時(shí)間的方差也明顯減少了。這說(shuō)明整套系統(tǒng)的理念的確有助于緩解交通擁堵。

虛擬紅綠燈技術(shù)的本質(zhì)就是“車(chē)對(duì)車(chē)通信技術(shù)（Vehicle-to-Vehicle，V2V）”的高級(jí)延伸，它將行駛權(quán)和路權(quán)的判斷交給每一輛十字路口附近行駛的汽車(chē)，讓它們“集體投票”決定某一方向的某一輛車(chē)應(yīng)該通行還是停下，并通過(guò)車(chē)載顯示器或抬頭顯示技術(shù)，以紅綠燈的形式提醒司機(jī)。而這個(gè)“集體投票”過(guò)程，其實(shí)就是技術(shù)背后強(qiáng)大算法的計(jì)算過(guò)程。

圖 | 虛擬紅綠燈系統(tǒng)，讓汽車(chē)自己控制行駛權(quán)（ 來(lái)源：Anders Wenngren）

這項(xiàng)技術(shù)要求每輛車(chē)都支持“專用短程通信技術(shù)（DSRC）”，只有這樣，車(chē)輛之間才能互相“溝通”，共享計(jì)算路權(quán)所需要的數(shù)據(jù)，包括汽車(chē)確切位置（經(jīng)度、緯度和行駛方向）、各個(gè)方向的汽車(chē)數(shù)量、行駛速度、加速度、與十字路口的距離和行駛軌跡等等。如果除了距離，其它所有參數(shù)都一樣，那么算法會(huì)選擇讓離十字路口最遠(yuǎn)的車(chē)輛顯示紅燈，因?yàn)樗懈湓５臅r(shí)間和距離進(jìn)行剎車(chē)。

我們可以設(shè)想一個(gè)十字路口，東南西北四個(gè)方向各有一輛車(chē)要直行。這時(shí)四輛車(chē)集體選出了一位自西向東行駛的“領(lǐng)導(dǎo)者（Leader）”，它會(huì)決定哪個(gè)方向的汽車(chē)擁有路權(quán)，可以綠燈通過(guò)。

如果在南北向車(chē)道上沒(méi)有汽車(chē)行駛，那么“領(lǐng)導(dǎo)者‘就會(huì)選擇為自己亮起綠燈，保留路權(quán)。

下圖這名具備犧牲精神的'領(lǐng)導(dǎo)者"決定給自己一個(gè)紅燈，因?yàn)樗窃诋?dāng)下情況最適合停車(chē)的車(chē)輛。與此同時(shí)，自西向東行駛的汽車(chē)也會(huì)收到紅燈提醒，因?yàn)樗鼈円瑫r(shí)讓出路權(quán)，交給南北向行駛的車(chē)輛。

圖 | 選出的“領(lǐng)導(dǎo)者”決定讓出路權(quán)（ 來(lái)源：Anders Wenngren）

而這一“領(lǐng)導(dǎo)者”的角色將由各個(gè)方向上的汽車(chē)輪流扮演。在動(dòng)態(tài)計(jì)算或人為設(shè)定的紅燈等待時(shí)間過(guò)后，“領(lǐng)導(dǎo)者”將把“為集體奉獻(xiàn)的殊榮”交給南北向行駛的某一輛車(chē)，從而使南北向車(chē)輛停止，自己和對(duì)向車(chē)輛獲得綠燈的通行路權(quán)。

圖 |“領(lǐng)導(dǎo)者”角色轉(zhuǎn)換（ 來(lái)源：AndersWenngren）

技術(shù)的應(yīng)用前景

根據(jù) Tonguz 教授的描述，整個(gè)虛擬紅綠燈系統(tǒng)的決策過(guò)程十分簡(jiǎn)單，并且配有緊急情況預(yù)警措施，比如遇到闖紅燈的突發(fā)事件，所有附近車(chē)輛都會(huì)收到閃爍的紅燈警示。同時(shí)，該技術(shù)無(wú)需高強(qiáng)度的計(jì)算設(shè)備，因此相比攝像頭和傳感器為基礎(chǔ)的智能紅綠燈系統(tǒng)，其運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本十分低廉。然而拋開(kāi)技術(shù)成熟程度不談，單從客觀條件考慮，期望該技術(shù)在短時(shí)間內(nèi)徹底替換現(xiàn)有系統(tǒng)并不現(xiàn)實(shí)。

首先，虛擬紅綠燈系統(tǒng)要求每輛汽車(chē)必須支持 DSRC 技術(shù)，并且裝有相應(yīng)的信息收發(fā)裝置。如果有一輛車(chē)沒(méi)有安裝 DSRC 技術(shù)，那么整套系統(tǒng)就無(wú)法正常工作，因?yàn)檐?chē)輛信息無(wú)法做到 100% 共享，系統(tǒng)就沒(méi)辦法給出正確的通行方案，甚至?xí)劤墒鹿省?/p>

雖然 DSRC 技術(shù)早在 1999 年就已經(jīng)問(wèn)世，并且經(jīng)過(guò)了多年的改進(jìn)，但是并沒(méi)有法律規(guī)定強(qiáng)制安裝 DSRC 信息收發(fā)裝置，因此車(chē)企為了節(jié)約成本，大多放棄了安裝該設(shè)備。目前只有小部分車(chē)輛支持 DSRC 技術(shù)。

圖 | 每輛車(chē)都有紅綠燈指示燈（ 來(lái)源：卡內(nèi)基梅隆大學(xué)）

其次，目前的虛擬紅綠燈系統(tǒng)并沒(méi)有仔細(xì)考慮非機(jī)動(dòng)車(chē)輛和行人的路權(quán)處理。非機(jī)動(dòng)車(chē)輛數(shù)量龐大，而且沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)范，比汽車(chē)更難以做到 100% 支持 DSRC 技術(shù)。同時(shí)，行人有時(shí)也會(huì)做出非理性的突發(fā)性舉動(dòng)，比如闖紅燈或橫穿馬路，增加了路況的不確定性。這就要求算法在給出通行方案時(shí)，不僅要考慮非機(jī)動(dòng)車(chē)輛和行人的路權(quán)，而且還要以某種方式通知他們，讓他們做出正確的決定。

Tonguz 教授在研究中也指出了上述不足之處，除了給出“現(xiàn)有交通系統(tǒng)和虛擬紅綠燈并行”的暫時(shí)性解決方案外，他還寄希望于未來(lái)的 IoT 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無(wú)人駕駛技術(shù)。

他指出，對(duì)于無(wú)人駕駛汽車(chē)來(lái)說(shuō)，最頭疼的情況之一就是通過(guò)十字路口，因?yàn)樾枰紤]的交通因素非常繁瑣和復(fù)雜。這一問(wèn)題究其根本，是信息的缺失和不對(duì)稱性導(dǎo)致的。

在這一前提下引入虛擬紅綠燈系統(tǒng)，可以簡(jiǎn)化路況和相應(yīng)的判斷機(jī)制，免去很多冗長(zhǎng)的計(jì)算過(guò)程，極大地提高無(wú)人駕駛汽車(chē)和交通系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。而且，無(wú)人駕駛技術(shù)的徹底落地，本來(lái)就需要對(duì)原有的交通基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行改良和革新，既然要追求交通方式的自動(dòng)化，為什么不改變的更徹底呢？

傳統(tǒng)紅綠燈誕生的 100 多年里，的確給人類帶來(lái)了交通的規(guī)范和便利，不過(guò)也許快到跟它說(shuō)再見(jiàn)的時(shí)候了。數(shù)十年后，我們可能會(huì)指著博物館里的紅綠燈對(duì)孩子說(shuō)，“你沒(méi)見(jiàn)過(guò)吧，這是紅綠燈時(shí)代的歷史遺物。”