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高速公路可以不堵车吗?

不可以。

高速公路畅通无阻没有红绿灯,为什么还会堵车?这可能有多种回答,比如高速公路行车道太窄,比如有交通事故,比如司机不遵守交通规则,比如规划建设不合理等等很多种回答。

但有时候你也常常会遇到,当你通过最拥堵的路段后发现,以上事件都没有发生,这又是为什么呢。

说实在的,同样备受堵车困扰的数学家和物理学家们还真研究过这个问题,并把这种莫名奇妙的堵塞现象称为「幽灵堵车」(Phantom Traffic Jams)。

用一个事实简单解释一下,就是假如一条车道上,假设很多车都以固定的距离进行匀速直线运动,驾驶员总倾向于与前方的车辆保持一定的距离,若前方的车辆加速时他会加速跟上,但如果前面的一台车因为各种原因在速度上突然有了波动,那么后面的车处于安全原因也会一同减速以免发生碰撞。就是驾驶员的这一自然反应可能就是「幽灵堵车」的根源。

在果壳上有篇文章解释了为什么会发生「幽灵堵车」。1950 年,罗伯特•赫尔曼博士基于动力学方法提出了跟车理论,随后到 1953 年学者 Reuschel 和 Pipes 提出完整的数学模型。

为了说明这一理论的正确性,物理学家们利用通用汽车公司的优势在试车场搭建了一条环形实验公路进行车流的模拟实验。他们把前车的后保险杠和后车的保险杠用细线连起来,通过后车上携带的轮轴计算两车之间距离,并找来不同的司机进行测试,最终实验结果证明后车的加速度确实与前后车之间的相对速度有很强的相关性。

后来来自 MIT 的一个研究小组发现,与惯常所认为的堵塞往往是由某个司机的错误操作引起的不同,即使所有的司机都没有犯错堵塞仍然会产生,这也正是幽灵堵车的原因。由于不同车辆的速度之间往往存在着细小的差别,而这些差别会积累并在某处形成一个车流密度的极大点,如果超过这个域值,那么堵车就发生了。这一点非常像我们生活中常见的「波」。

那么问题又来了,不管是我们能看得到原因的堵车,还是这些莫名其妙百思不得其解的堵车也都了解了原因,那么我们是不是能够找出缓解高速公路堵车的好办法?

被忽略的道路智慧

要想高速公路不堵车,我们首先可以看看科学家是如何解决「幽灵堵车」问题的。

前面提到,「幽灵堵车」的发生非常类似于「水波」的产生,那么我们在实际中能不能刚好可以控制「波」的传播方式呢。只要对每一个波包,当其到达路口时给他们采取一定的措施方便高峰通过,并计算和预测每一个波峰和波峰之间的距离,并及时给予处于各个波峰车辆警告。这样总体的等待时间就得到了优化。同时这样也对车辆的速度进行了控制,高于平均速度的车辆将被迫等待,而低于平均速度的车辆则会努力赶上波峰。

仅仅因为人的反应需要时间,就会导致原本不应该出现的堵塞。为了解决这个问题,最明显的方法就是用计算机去自动控制车速。计算机的反应时间比人快得多,如果它能够根据周围车辆的速度适当调节车速的话,就相当于减少了车流的「粘性」,从而使交通更顺畅。这种技术被称为自适应巡航控制(Adaptive Cruise Control,简称 ACC)。比如现在很多汽车都配备了汽车自动跟车系统,尤其是在塞车的时候,可以开启这一项功能,除了可以减少驾驶者塞车出错导致的机会,也可以进一步减少车和车之前的速度差距,减少车龙发生的机会。

除了这一项技术,还有就是智能街道、汽车资讯互动等技术都是可以缓和塞车的技术。

看完之后我们会发现,要解决这些问题需要极高的技术水平和能力,需要有大量的人/车/路在各个维度的信息,以及精确的数据处理能力,在司机的素质和智慧水平无法得到迅速提高的情况下,就只能指望汽车以及高速公路本身的智能水平得到提高才能解决。同济大学智能交通运输系统研究中心主任杨晓光教授也在 2019 年的世界交通运输大会的一场演讲中提到,现在大家都在谈智慧交通,车「智慧」了是远远不够的,道路也要跟着「智慧」。那么在到处谈论人工智能的时代,各大科技公司都把重点放在了把车变智能上,那么道路智慧又该解决呢?

路网数据挖掘不够

高德地图副总裁董振宁在 2019 年世界交通运输大会的演讲中提到,「城市和高速是不同的出行场景,但建设智慧交通的本质都是让路网更聪明,路径也是实现交通系统中个体最优和全局最优之间的动态平衡。」「所以,高德地图联合阿里云推出智慧高速解决方案也是希望联合高速管理方一道,通过『智能+』科技手段实现高速出行的人车路全面协同,让路网更聪明,以解决高速道路拥堵的问题。」

高德地图的研究分析认为,目前我国高速出行主要面临的痛点是安全和拥堵,而主要原因是路网利用不均衡、数据价值挖掘不够、协同管理平台缺乏、事故预防和处置效率不足等原因造成。因此,建立高速路网、车流数据的充分连接,使所有信息在一个云端,并实现全局视野的调度、协同,将是有效解决现有高速交通出行问题的方式。

也就是说,当一条高速公路建成之后我们就失去了对这条高速公路更多的了解,这条路的真实情况是怎样的,这条路上有多少车,这些车分布在哪些路段,这些车与车中间的距离有多远,未来会有多少车将进入高速路,同时又有多少汽车将出高速,司机最容易在哪些地点进行急刹车、急加速、急转弯、超速……司机在高速公路上也不知道前方是否有交通事故,在哪个时段内容易遇到大范围堵车等等,由于众多信息的缺乏都会影响司机对道路情况的判断,从而影响交通出行的决策问题。

高德地图向媒体透露,高德地图与阿里云一起联手打造了「智慧高速」这一创新型解决方案,希望通过云端平台连接现有高速路网数据信息,并有效协同交通参与者。

概括来说,智慧高速解决方案的核心架构是「1+1+N」。智慧高速解决方案分为两层:底层是数据处理层,统称为数据底盘(“1”),是智慧高速的技术基础;上层是应用层,统称为应用组件(“N”),是基于智慧高速的数据和技术能力创造的应对不同场景的系列智慧应用。而贯穿数据处理层和应用层的核心能力是状态感知(“1”),即通过视频设备、物联网产品、互联网产品等渠道获取海量交通出行大数据,通过基于人工智能的数据融合技术,快速识别到高速公路的路况、事件信息,一方面提醒管理方及时处置,一方面及时通知用户,实现高速安全、畅通出行。

简单来说就是,智慧高速解决方案的应用能力覆盖高速运行监测、异常事件发现处置、未来路况预测、公众出行引导、出行安全治理等方面,每一方面都有相应的一个或多个智慧应用服务。

节假日高速拥堵下降20%

高德是想这样解决问题的:

第一,让管理更高效。智慧高速解决方案中,最核心的是交通事件自动检测功能,该功能基于阿里云人工智能的图像识别能力,可以快速识别到高速摄像头所扫描到的异常拥堵、事故等事件信息,并第一时间分析、分类、传输到高速管理方系统和高德地图APP,及时提醒管理者和出行用户做出相应决策。这种基于人工智能的交通事件自动检测功能,逐渐替代了人工排查模式,将大大提高路网异常事件的发现能力、发布能力、处置能力。

第二,让出行更畅通。基于大数据融合和计算能力,智慧高速还实现了真实路况实景还原功能。一是通过互联网地图本身的实时路况和高速摄像头所扫描到的真实路况进行融合,实现精准的交通路况显示;二是智慧高速系统在识别分析高速摄像头所传输过来的路况时,如果发现异常拥堵事件,会自动截取实景图片。据介绍,今后在合作高速公路区域内,高德地图除了为用户提供更真实的实时路况,在动态事件功能中,还可为用户提供路况实景图片,让道路拥堵情况“一目了然”。

另外,除了让真实路况实景还原,智慧高速解决方案还实现了未来路况预测功能。凭借高德地图交通大数据的分析能力,智慧高速可以提前预测节假日期间的道路拥堵情况,以及道路未来半小时的路况,方便管理者提前做出保障措施。同时,当管理者预测到某条路段易发拥堵时,还可利用智慧高速的权威路线推荐功能,通过高德地图提前告知途经用户,从而缓解交通拥堵。

第三,让路网更安全。针对高速出行安全,智慧高速解决方案中有交通安全CT功能,该功能基于高德地图的三急一速(急刹车、急加速、急转弯、超速)大数据能力,可分析挖掘高速事故高发风险点,为高速管理者采取预防措施提供数据支持。同时,智慧高速有道路安全物联网产品智慧锥桶,其无需人工录入和干预,系统就可以实现精准、及时的动态事件采集、发布、分析、管理等全流程操作。同时,在高德地图导航系统上发出交通预警,提醒后方司机及时减速,也让正在作业的人员避免受到二次伤害。

幸运快3技巧从高德方面得知,这套智慧高速解决方案将让合作高速在节假日道路拥堵下降 20%,二次事故下降 20%。

人还是究极根源

在本届世界交通运输大会上,幸运快3技巧记者与多位专家交流后仍得出一个结论,要想真正地解决高速公路拥堵的问题,最根本的还是需要人变得更智慧,不管是车还是道路的智慧解决方案都只是在最大限度上缓解人所制造出来的问题。

有一个现象很能说明问题,当在一条车流量并不低的高速公路上,这时你的车与前面的一辆车有很长的一段距离,你是选择加速跟上,还是保持一定的距离,甚至空开可以让三四辆车自由变道的距离还是加速跟上?

我想很多人都会选择加速跟上,这是对于司机来说最理想的选择。而且如果有车超过自己并在自己的前面自由变道反而很可能让很多司机心情变糟。

这毕竟没有什么错,但根据实验得出的结论是,对于解决交通拥堵来说,前一种选择才是最有效的,反而使整体的行车速度变快。更极端的是,在高峰时间并不需要所有的车有这样的行为,只要有一两辆车就可以。

尽管这种办法不能完全解决拥堵问题,但是采取这些特殊的驾驶方式,就可以大堵化小、小堵化了。由于许多交通拥堵都是在合并车道时出现的,单个司机的行为就能改善大家的拥堵状况。

但很少人愿意去做这个「单个司机」,我们也很难苛责让所有的司机在开车时都变得「佛系」。

然而事实上更糟糕的是司机总是在想办法做出加剧交通拥堵的行为。比如大家都争先往前开,见缝插针地变道抢到空出来的位置,每一辆车之间都处在最小的安全距离之间。在堵车的过程中,只要前面的车一有松动就拼命前行,然后紧急刹车。按照前面提及的「幽灵堵车」理论,一个司机的突然减速行为往往会造成更严重的拥堵情况。

这些行动我们再熟悉不过了。

在很多分析节假日高速公路造成拥堵的原因时,基本无一例外都指向了「人」,指向了司机的不良驾驶习惯,一个司机的不良驾驶习惯就会给后面无数的车造成驾驶障碍,然后再发生连锁反应。

当然在国内,还有一个造成高速公路拥堵的原因,那就是高速公路收费站的问题。随着中国高速公路建设里程的迅猛增加和汽车保有量的快速增长,高速公路交通需求和交通流量激增,加大了高速公路收费站的通行压力,尤其是在交通高峰时段,主线收费站服务效率大大下降,当服务水平不能满足交通量需求时,主线收费站广场内将会形成交通拥堵和排长队现象。等待交费过站的驾驶人难以判断能以最短时间通过的车道,驾驶人心理趋势会促成其采取变更或抢占收费车道等不安 全交通行为,以便能快速进入较短的排队车道,减少排队等待时间。这种情况下,收费站广场内车辆的相互交织,进一步加剧了主线收费站的拥堵,严重影响了高速公路的服务质量,同时也带来了安全隐患。

*本文参考文献:

  • 《为什么车不多时也会堵?》作者:Maxwellsdemon 来自果壳网 https://www.guokr.com/article/162969/
  • 《堵车?你自找的!》作者:ccyou 来自果壳网 https://www.guokr.com/article/437514/
  • 《明天的智能交通》作者:方弦 来自科学松鼠会 https://songshuhui.net/archives/57461
  • 《完善我国高速公路收费管理的对策研究——由京藏高速公路拥堵引发的思考》 作者:刘奕、高咏玲 来自《价格理论与实践》 2010年第10期
  • 《高速公路主线收费站拥堵消散控制策略》作者:张晨琛 、王艳辉、贾利民 来自《中国公路学报》2013年7月第4期
  • 《基于阶梯函数的节假日高速公路拥堵收费和过渡收费模型》作者:刘伟铭、陈纲梅  来自《广西大学学报(自然科学版)》2018年第05期
  • 《成都绕城高速公路拥堵原因分析及对策》作者:吴华峰、倪先其、苟芳、黄艳 来自《西南公路》2018年01期

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