“去中心化的”虚拟红绿灯如何解决交通拥堵？

红灯停，绿灯行，是我们孩提时代最早知道的交通规则之一。然而随着私家车数量的与日俱增，以及各个国家城市化水平的不断提升，1912 年诞生的传统红绿灯系统似乎从维护交通秩序的“英雄”，逐渐变成了交通拥堵的“帮凶”。

例如在某一时刻，某个十字路口南北向是红灯禁行，东西向是绿灯通行，可是偏偏东西向一辆车都没有，南北向却车流不断。对于等待红灯的车主来说，这种无谓的等待时间不仅降低了通行效率，造成了不该出现的局部拥堵，而且增加了他们的出行成本。

虽然近年来人们引入了大数据、摄像头和智能检测传感器等手段，来升级交通信号灯系统，但是本质上还是依靠实体的红绿灯系统，做出决策的仍然是中心化的交通系统，再强大的优化算法也不能突破这个局限。

“去中心化的”虚拟红绿灯

今年七月，沙特阿卜杜拉阿齐兹国王科技城（KACST）举办了一次新颖的路测：在两个十字路口使用虚拟红绿灯系统，然后让几辆车用遵守交通规则的方式随意通过这些路口。路测的参与人员超过 100 人，包括政府官员，学术代表，Uber 等企业代表，以及虚拟红绿灯技术的研发人员。这项技术在测试中运行完美，没有出现一次错误。

这项虚拟红绿灯技术由 Virtual Traffic Lights（VTL）公司研发，其创始人是美国卡内基梅隆大学的电子与计算机工程教授 Ozan K.Tonguz。在进行公开路测之前，研究团队已经在基于现实世界的模拟交通坏境中进行了很多次试验，并且从 2017年 5 月，就开始在卡内基梅隆大学附近路段进行小规模路测。 

在匹兹堡的路测车（来源：卡内基梅隆大学）

模拟测试结果显示，在早晚高峰时段，波尔图市和匹兹堡市的平均通勤时间均缩短了约 40%，通勤时间的方差也明显减少了。这说明整套系统的理念的确有助于缓解交通拥堵。

虚拟红绿灯技术的本质就是“车对车通信技术（Vehicle-to-Vehicle，V2V）”的高级延伸，它将行驶权和路权的判断交给每一辆十字路口附近行驶的汽车，让它们“集体投票”决定某一方向的某一辆车应该通行还是停下，并通过车载显示器或抬头显示技术，以红绿灯的形式提醒司机。而这个“集体投票”过程，其实就是技术背后强大算法的计算过程。

虚拟红绿灯系统，让汽车自己控制行驶权

这项技术要求每辆车都支持“专用短程通信技术（DSRC）”，只有这样，车辆之间才能互相“沟通”，共享计算路权所需要的数据，包括汽车确切位置（经度、纬度和行驶方向）、各个方向的汽车数量、行驶速度、加速度、与十字路口的距离和行驶轨迹等等。如果除了距离，其它所有参数都一样，那么算法会选择让离十字路口最远的车辆显示红灯，因为它有更充裕的时间和距离进行刹车。

我们可以设想一个十字路口，东南西北四个方向各有一辆车要直行。这时四辆车集体选出了一位自西向东行驶的“领导者（Leader）”，它会决定哪个方向的汽车拥有路权，可以绿灯通过。

如果在南北向车道上没有汽车行驶，那么“领导者‘就会选择为自己亮起绿灯，保留路权。

下图这名具备牺牲精神的'领导者"决定给自己一个红灯，因为它是在当下情况最适合停车的车辆。与此同时，自西向东行驶的汽车也会收到红灯提醒，因为它们要同时让出路权，交给南北向行驶的车辆。

选出的“领导者”决定让出路权

而这一“领导者”的角色将由各个方向上的汽车轮流扮演。在动态计算或人为设定的红灯等待时间过后，“领导者”将把“为集体奉献的殊荣”交给南北向行驶的某一辆车，从而使南北向车辆停止，自己和对向车辆获得绿灯的通行路权。

图 |“领导者”角色转换

技术的应用前景

根据 Tonguz 教授的描述，整个虚拟红绿灯系统的决策过程十分简单，并且配有紧急情况预警措施，比如遇到闯红灯的突发事件，所有附近车辆都会收到闪烁的红灯警示。同时，该技术无需高强度的计算设备，因此相比摄像头和传感器为基础的智能红绿灯系统，其运营和维护成本十分低廉。然而抛开技术成熟程度不谈，单从客观条件考虑，期望该技术在短时间内彻底替换现有系统并不现实。

首先，虚拟红绿灯系统要求每辆汽车必须支持 DSRC 技术，并且装有相应的信息收发装置。如果有一辆车没有安装 DSRC 技术，那么整套系统就无法正常工作，因为车辆信息无法做到 100% 共享，系统就没办法给出正确的通行方案，甚至会酿成事故。

虽然 DSRC 技术早在 1999 年就已经问世，并且经过了多年的改进，但是并没有法律规定强制安装 DSRC 信息收发装置，因此车企为了节约成本，大多放弃了安装该设备。目前只有小部分车辆支持 DSRC 技术。 

每辆车都有红绿灯指示灯

其次，目前的虚拟红绿灯系统并没有仔细考虑非机动车辆和行人的路权处理。非机动车辆数量庞大，而且没有统一的规范，比汽车更难以做到 100% 支持 DSRC 技术。同时，行人有时也会做出非理性的突发性举动，比如闯红灯或横穿马路，增加了路况的不确定性。这就要求算法在给出通行方案时，不仅要考虑非机动车辆和行人的路权，而且还要以某种方式通知他们，让他们做出正确的决定。

Tonguz 教授在研究中也指出了上述不足之处，除了给出“现有交通系统和虚拟红绿灯并行”的暂时性解决方案外，他还寄希望于未来的 IoT 物联网技术和无人驾驶技术。

他指出，对于无人驾驶汽车来说，最头疼的情况之一就是通过十字路口，因为需要考虑的交通因素非常繁琐和复杂。这一问题究其根本，是信息的缺失和不对称性导致的。

在这一前提下引入虚拟红绿灯系统，可以简化路况和相应的判断机制，免去很多冗长的计算过程，极大地提高无人驾驶汽车和交通系统的运转效率。而且，无人驾驶技术的彻底落地，本来就需要对原有的交通基础设施进行改良和革新，既然要追求交通方式的自动化，为什么不改变的更彻底呢？

传统红绿灯诞生的 100 多年里，的确给人类带来了交通的规范和便利，不过也许快到跟它说再见的时候了。数十年后，我们可能会指着博物馆里的红绿灯对孩子说，“你没见过吧，这是红绿灯时代的历史遗物。”