为什么绿灯总是那么快？为什么要有黄灯？最早的红绿灯叫“傻灯”？
△ 在德国西部小镇小镇弗里德堡，猫王埃尔维斯·普雷斯利（Elvis Presley）出现在红绿灯上，提醒行人过马路。图片来源 | Picture-Alliance/dpa
城市常常会考验我们的行走速度和耐心，走过十字路口就是这样一个场景——有时，绿灯根本来不及走，还有些绿灯要等上很久。一般情况下，行人等待绿灯的极限忍耐时间是 40 至 50 秒，高峰期的极限忍耐时间达到 70 至 90 秒。然而，大多数时候行人需要等待超过 50 秒的红灯，部分红灯甚至长达 120 秒。

设置行人红绿灯的本意是为了让人们安全地通过路口，但不合理的绿灯时长却让行人感到不便，导致在一些情况下，人们不得不闯红灯。
我们找到从事交通信息系统设计和咨询工作的沙云飞，向他询问了关于红绿灯规划方面的问题。沙云飞曾任中国交通信息中心总工程师，现在是北京镭场景科技有限公司的首席分析师。
沙云飞告诉我们，行人过马路的体验会受很多因素影响。一方面，红绿灯的配时设计主要服务于机动车，通常只给行人预留了“最短绿灯时间”。多数情况下，机动车右转不受信号灯控制，行人在过街时需要躲避这部分机动车，再加上不受控的三轮车、电动车、自行车，都会影响行人通过马路的有效时长。
另一方面，伴随着立交桥、高架桥的建设，加上为提高通过效率、在路口拓展新车道等因素，许多城市的马路也“越修越宽”。
△ 北京国贸，行人过马路时需要多走过一个甚至多个高架桥的宽度。图片来源 | CTV News
△ 公交车站设在主路上，行人需要走天桥才可以到达公交站。图片来源 | The New York Times
总体而言，交通控制与管理是一个需要平衡效率、公平、安全等多个因素的复杂系统。能否让行人拥有较好的过街体验，看似是件小事，但也许是一座城市的规划是否“以人为本”的体现之一。
未来预想图 × 沙云飞
北京镭场景科技有限公司首席分析师
Q：红绿灯时长是如何分配的？考虑了哪些因素？
A：专业上来说，控制红绿灯时长被称作“信号配时”。我们在考虑路口信号配时主要考虑效率和公平。用最简单的十字路口做例子，在效率上，我们考虑如何在单位时间里让路口通过更多车辆，而在公平上，则要考虑让两条路的车都能通行。具体来说，在单条车道上通过的车占路口通过车辆的总数量有一个比例，在各条道路上，这个比例要尽可能相同。
当我们设计配时的时候，首先要摸清需求，也就是每个路口里每个方向（包括直行、左转、右转和掉头）通过路口的车的数量、行人数量和非机动车数量等。在交通工程中，设计师不可能考虑所有的情况，所以我们的应对方法是集中研究高峰段。这是每个城市交通压力最大的时间段，如果这段时间都能扛过去，那么需求少的时间段就不太可能拥堵。
其次，我们要计算路口中每条车道的通行能力。这里有一个概念叫饱和流量，即在一条车道里，前进车辆不被打断的情况下，单位时间内路口最多能通过多少车辆。当然，实际生活中，车道不会达到饱和流量，因为右转、左转和掉头的车辆肯定会让“通车数量”降低。
黄灯的设置也是降低路口通行能力的一个原因。设计黄灯的目的是为了清空路口，让已经在路口里的车辆尽快走掉。所以，一个红绿灯周期里面的黄灯时间越多，越是降低通行效率，相当于有效通行的时间更少了。
△ 《中华人民共和国道路交通安全法实施条例》规定，黄灯亮时，已越过停止线的车辆可以继续前行，未经过停止线的则禁止继续通行。但在实际场景里，闯黄灯的情况并不少见。图片来源 | 纽约时报，摄影 | Gilles Saabrie
虽然实际生活中，路口的通行能力无法到达饱和流量，但我们还是希望能够尽可能让多一点车通过路口，为此，设计师会给路口设计渠化方案。这里的意思是，假设有一个路口原本是单向两车道的设计，直行和左转车辆共用一个车道，右转和直行共用另一个车道。为了提高车辆通行效率，路口被强行划分出更多车道，让直行、左转、右转各占一个车道，这样就变成了单向三车道。
“渠化”能够提高路口的通行效率，但是会让路口越修越宽，行人过街的长度也增加了。
△ 深圳华强路口交通改造效果图——交叉口渠化方案。图片来源 | 深圳晚报
确定渠化方案后，设计师根据车道数量和需求来确定配时。一般来说，我们根据经验公式确定信号周期的总长度，通常为 60 秒、90 秒和 120 秒这样规整的时间段。之后，再确定红、绿、黄灯的时长，称作“相位”。理论上，在一个周期里，相位设计得越少越好，因为有效通行时间更长，允许通过的车辆也越多。
Q：你刚才所说的配时都主要考虑的是车辆的需求，那是否会考虑行人的需求呢？
A：行人过街的信号配时有两种情况，第一种是主干道、次干道交叉，比较大的路口，第二种是单独为行人过街设置信号灯，可能会有过街按钮的情况。在交叉路口，我们设计相位时，会考虑如何通过最多的车，同时设计最短绿灯时间，计算行人过街时长，最短绿灯时间必须大于行人过街时长。
无法设置过街天桥和地下通道的地方，会设置行人过街信号灯。过街的红绿灯只有两个相位，第一个相位车走，第二个相位人走。设计的时候尽可能人走时间短一点，如果没有人那就不放绿灯。为此，过街按钮出现了，行人需要过街就摁一下，但这个设计实际上更多还是服务于机动车交通。
Q：如果行车的红绿灯时长已经预留了行人通行时间，那原则上来说行人应该能从容地走过路口。
A：不对，多数情况下，设计师计算时长只考虑了单人行走时间，不考虑行人的数量，像行人一拥而上、并排走和排队的情况很少考虑进去。配时算法还是以机动车数量和排队长度为主。
另外，在国内大部分城市，车辆右转是没有专用信号灯的，机动车让行人又确实做得不太好，所以行人过街的时候还得躲着右转车辆，会让人觉得过街特别费劲，行人过街的时间也变得更长。
一种特殊情况是，在交叉路口里两条路的车辆需求差不多的时候，时间分配是可以保障行人过街的。但是像那些车流量很大的街，行人过街时间可能只有最短绿灯时间。
Q：在行人比较多的地方会单独考虑关于行人的因素吗？
A：在非常繁华的步行街可能会考虑人流量的因素，让机动车完全让行、服务于行人交通。但是，这只是极个别的情况，通常信号灯的设置还是为机动车交通的效率服务的，不会把行人过街时长作为主要的优化目标。
这可以追溯到大概 1962 年芝加哥综合交通规划，在那之后，全球的交通规划都在学它。美国是典型的在车轮上的国家，整个交通规划的理念是围绕小汽车的，所以城市规划、乡村规划和路面的交通控制系统服务于小汽车交通。
实际上，在行人流量大的地方，更好的方法是完全隔离，比如说步行街、学校、医院、商场门口，通常不会用信号灯控制的方法。过街的时候用天桥或者地下通道就好了。
△ 行人多的路口，绿灯的时间可能会延长一些，但这只是特殊情况。图片来源 | Roman Voronin
当通过路口的需求已经增长到无论红绿灯再怎么调整，路口还是拥堵的时候，就只能修立交桥了。这是为什么在城市机动化进程中，越来越多的城市都在修立交桥。立交完全隔开了各个方向的需求，我有空间了，就不跟你抢时间了，这时候就可以做到效率和安全。
Q：美国似乎也在改变“车轮上的国家”这个印象了。比如纽约，也开始了城市交通考虑行人的改造方案。那我们还要继续学美国原来车轮上的架构吗？
A：城市规划理念在进步，近些年各国也都在反思机动化带来的利弊，不再盲目发展小汽车交通，倡导因地制宜。很多国家都在鼓励公共交通的发展，鼓励多种交通方式有机结合。
比如后来出现的，被称作“TOD”的以公共交通为导向的城市交通规划，这种规划方式倡导用公共交通，包括快速公交、轨道交通、地面公交，撑起城市交通的骨架，小汽车交通应该作为补充。（点击这里，收听我们的第一期播客节目）这样的话，设计师就要调整很多城市规划以及信号控制的方法。就拿公交优先来说，我们已经看到了许多公交专用道。公交专用道容易建，但公交优先的信号不好设置。
Q：我们在北京会观察到，在高架下面的十字路口通行是非常难的，因为你需要看着对面很远的一个红绿灯，中间可能还得在高架下面停留一段时间。
A：高架上面和下面的相位控制是无关的，所以高架下面马路变得更宽了。除了刚刚提到的渠化，一些路口中间还会增加一个高架的宽度，所以会觉得过街时间比较久。
Q：为什么路口中间会增加一个高架的宽度？
A：也不是所有城市都是这样的，针对不同城市的特点规划有所不同。南方的城市，例如广州和上海，很多高架路下面可以通行车辆，空间没有占用那么多。但在北京，由于基础设施修在不同的年代，二三四五环都只是局部的立交，不是完全的高架路，因此桥面下的空间没有设计通行车辆。高架下面不能通行车辆，就在两侧设置了辅路，因此增加了过街宽度。
△ 北京局部立交，一些桥面设计成了停车场。图片来源 | Pinterest @Snow Chan
Q：像北京的三环，中间的快速路部分叫主路，旁边还会有两条车道的辅路。这些地方过街好像也很困难。
A：三环上的过街天桥很少，大部分是地下通道。但以前设计得不好，地下通道通常是在主路和辅路中间的位置，导致行人要横穿辅路。还有很多公交车站在主路上，行人就要从人行道穿过辅路到主路去坐车。有些地方建了天桥，但是天桥绕得太远了，很多人不愿意走。所以主路上又修了很多栏杆，不让人直接过来。
出于安全的考虑，有些地方就会设置红绿灯。但在三环上肯定还是优先考虑机动车的通行效率，而不是考虑人在三环上走路的需求。
Q：红绿灯的配时、相位确定了之后，还会做动态调整吗？
A：我们以一个交叉路口为例，这叫做单点控制。接下来，我们希望一路上开车都很通畅，如果每个红绿灯都要停半分钟，体验就会很差。所以从效率的角度提出了“线控”方案，也叫绿波带，就是我从一个绿灯开过去之后，到下一个路口正好变绿灯，或处于绿灯时间。所以红绿灯的相位会根据路段长度往后调，把下一个路口的绿灯起始时间稍微往后推一下。但是为了保障主干道是绿波带，与它垂直相交的道路可能就很难调了，总会有冲突的地方。
Q：这也是为什么人们会发现会“一路绿灯”。
A：然后下一个层级就是面控，是在一个区域网络里面去控制。
最早的红绿灯叫“傻灯”，是固定配时的。到了第二个阶段，就会根据不同的交通情况设定相应的预案。这是靠交通调查和工程师的经验来设置的，比如早高峰、平峰、晚上。红绿灯是会变化的，但并不是道路自己控制的，只是设定好调整的时间和方案。
第三个阶段是感应式的，这个技术大概五六十年前就出现了。信号控制最初服务于机动车交通，所以会在道路下面或路边装一些传感器，来检测通过这条道路的车辆。在这之后，出现了自适应的配置方案，可以动态调整绿灯时间。比如说最短绿灯时间是 30 秒，但是检测器数据显示这条道路上排队通行的车辆还是很多，那绿灯就会延长 10 秒。
但这样会影响到下一个相位，如果总周期不变的话，它就会影响另一个方向的通行权。
△ 路面上的感应线圈。图片来源 | Medium
Q：这么做有实际效果吗？
A：自适应的效果其实特别不好。最早的检测器太弱了，它就是电磁感应线圈，车辆是个导体，经过线圈时会影响磁场强度，检测到磁场变化就能知道车辆经过、停留、排队等情况。我们知道需求之后，就可以计算出相应的方案。
国内花很多钱引进了一套自适应的信号控制系统，但是根本不适合国内的国情。因为国内新修的路，恨不得一个月就被轧得都是车辙，就把底下的线圈压坏了。线圈的维护成本极高，要重新挖槽、破路去更换，施工的话还会把路口堵上。现在坏就坏了，所以国内基本上就不用线圈了。
后来用的比较多的是摄像头，像阿里巴巴在杭州建的“城市大脑”，就是通过架设广角摄像头，识别这个路口来了多少辆车。“城市大脑”的效果需要看实际情况，但总的想法是对的，就是利用先进技术更准确地把握实时、动态的通行需求，然后再去优化信号。
真正掌握每一个路口的实时需求之后，接下来就是算法的问题。怎样给出一个更有效的配时方案，让每一个路口都能平衡安全、效率、公平这几个目标，这个优化函数其实是非常复杂的。
我觉得在红绿灯里运用人工智能也是一个循序渐进的过程，因为优化目标太不显性了，需要兼顾很多因素。这件事在单点很容易做，但很可能这个路口通畅了，所有车都堵在别的路口了。我觉得它是一个非常复杂的多目标、网络的问题，也许未来能够找到很好的办法去缓解，但彻底解决可能还需要一段时间。
Q：我们在街道上也会看到那种按钮式的红绿灯，你觉得它对于行人过马路是有帮助的吗？
A：国内我看到挺多这种按钮，但大部分都是坏的。因为国内交通控制还是服务于它的主要目标，没有做到以人为本。牺牲一个人等 60 秒，但是过了 200 辆车，哪个效率更高呢？所以还是公平和效率的一种均衡。
Q：有些地方会在马路中间修一个像安全岛一样的地方，这是不是一种帮助行人过马路的比较经济又比较好的方法？
A：我非常支持这种做法。我第一次去武汉是去年 6 月，我看到武汉在很多马路中间还设置了遮阳棚。我觉得特别人性化。因为武汉是特别晒的一个城市，在太阳下过马路恨不得要被晒晕。这可能是临时设施，但至少考虑到了过街行人的体验这件事。
这个我们叫做“二次等灯”，更多的是考虑到行人的安全。对于过马路的人来说，他还得在路中间等一次，这个体验其实是很差的。你站在路中间，来往车辆很容易出事故，所以更多的是从安全角度来考虑。
△ 深圳华强路口交通改造效果图——二次过街安全岛。图片来源 | 深圳晚报
在决策的时候，对于行人安全的考虑要高于对效率的考虑。
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文：甘若兰、吴子衿  | 编辑：赵慧
校对：李起光 | 微信编辑：吕姝琦
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