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为什么会有我们来不及过完的马路?| 看不见的城市

2020-11-15 09:05:15  来源:中国商业观察报     编辑:李帆

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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