為什麼在互聯基礎設施時代，道路仍然由舊的三色交通號誌燈管理？
1912 年，鹽湖城的一名年輕警官 Lester Wire 想出了一個主意。如果有一個工具來調節十字路口的汽車，而不是巡邏人員，他們需要花幾個小時在雨、熱和冰雹中紮根在平台上，那會怎麼樣？
電線在杆子上出現了一個木箱。它裡面有兩個燈泡，顏色是紅色和綠色。盒子與電連線，因此只需按一下按鈕，就可以將燈泡從一個燈泡切換到另一個燈泡。這是巡邏人員可以在路邊的攤位上做的事情。
從那時起，紅綠燈號誌燈發生了一些變化。我們現在有黃色，不需要巡邏人員按下按鈕。但最初的概念基本保持不變 —— 交通號誌燈會按照預先寫程式的時間表改變。
然而，我們 21 世紀的道路狀況與 100 年前大不相同。我們有更多的汽車，更大的道路網路，更高的人口密度，以及不斷的交通中斷。
也許是時候重新思考舊的了，引入更聰明的交通號誌燈系統了。
什麼是智慧交通號誌燈？
智慧交通號誌燈是一種連線網際網路的車輛交通控制系統，能夠根據從感測器、邊緣裝置和影像系統收集的資訊，調整交通號誌燈控制。
在十字路口，智慧交通號誌燈看起來與普通交通號誌燈相同，除了物聯網感測器和/或連線的閉路電視攝影機等額外的硬體元素。在後端，智慧交通號誌燈系統連線到基於雲的交通管理平台。它們通常由預測演算法驅動，用於動態調整交通訊號。
在我們更進一步之前，請先快速宣告一下：智慧交通號誌燈系統無法奇蹟般地解決所有道路問題，如堵塞、事故和違反規則。但它們比傳統交通號誌燈更是一種更好的預防措施。
作為 Smart Design 的作者兼創意總監 Dan Saffer，說:
交通號誌燈只是一個機械道具，是我們同意（並已寫入法律）的社會契約的標誌。
除了潛在的罰款（和良心），沒有什麼能阻止人們在空蕩蕩的十字路口闖紅燈（RLR，red-light running） —— 司機經常這樣做。在紐約市，2021 年記錄的紅燈違規事件，比自 2014 年以來的任何一年，事故率也上升了，這有問題。
為什麼人們違反交通訊號規則？
科學家同意違規行為具有高度背景。確切的原因各不相同，但它們通常屬於以下類別之一：
- 交叉佈局和規則。交叉類型、訊號倒計時器、訊號安裝配置和訊號定時，是促使司機違反規則（當沒有人觀看時）的一些因素。
- 道路使用者行為。當司機看到其他人違反規則時，他們傾向於效仿。看到前面的車輛或相鄰車道上的車輛，在黃色上穿過十字路口與 RLR 密切相關。
- 可變情況。一天中的時間、一週中的一天和天氣條件也會影響 RLR 費率。人們更有可能在早上 06:00 至 12:00 之間參與 RLR —— 換句話說，當他們可能匆忙或遲到時。
智慧交通燈系統不能完全阻止人們違反交通規則，但它們可以使其不那麼誘人。
藉助自適應交通訊號控制（ATSC，adaptive traffic signal control），你可以根據條件可程式訊號變化的動態規則，並在繁忙的十字路口更好地檢測 RLR。智慧交通號誌還可以根據天氣或道路條件，調整建議的速度限制，以提高交通吞吐量。智慧交通號誌燈反過來可以根據，不同十字路口的車輛量，和一天中的時間等可變因素，來調整訊號計時。這種設定可以確保交通暢通，並減少違反交通規則似乎有吸引力（或無法檢測到）的情況。
對於城市管理者來說，智慧新交通號誌燈是手動或基於規則的訊號控制的急需替代品。
許多城市運營的交通管理中心，這些中心的活動蜂巢類似於繁忙的城市空中交通管制業務。但外觀有點欺騙，因為交通工程師可用的工具有限，可以操縱他們的訊號網路來即時響應。
Autoweek
城市交通經理可以（也應該）將智慧訊號整合到智慧交通系統中。合併兩者讓使用者能夠透過一個介面，對城市的傳輸網格進行演算法、上下情境驅動的控制。最好的部分？數位交通訊號可以在整個網路上即時動態調整，以：
- 優先考慮公共交通並改善日程安排
- 為緊急服務車輛提供特殊控制
- 指示最後一英里商業車隊最佳化交付路線
- 解決開始時的堵塞跡象
那是一個幸福的城市，對嗎？
遺憾的是，今天只有一小部分新的交通號誌是明智的。交通號誌燈硬體可以持續長達 30 年如果維護得很好。但在新的交通訊號中，很少有（或可以）連線到攝影機、雷達系統或感測器。那些確實具有基本感應能力的人，通常無法檢測到騎腳踏車的人或行人。
幸運的是，這種情況正在發生變化。城市規劃師 —— 以及公眾 —— 意識到標準交通號誌燈系統，需要更多的智慧互聯汽車和電動商業車隊上了路。
作為 3000 萬英鎊投資的一部分，改善城市連線，曼徹斯特市測試人工智慧交通號誌燈系統。該市正在安裝一個邊緣裝置網路，用於在每個路口收集即時道路資料，並計劃使用 5G 技術將資料傳送到雲端進行分析。
倫敦，在與西門子的合作伙伴關係，正在測試一種名為 Sitraffic FUSION 的即時自適應交通訊號控制（ATSC）解決方案，該解決方案由連線車輛和連線道路基礎設施的資料提供動力。Sitraffic FUSION 可以檢測、建模和最佳化設定 KPI 周圍的所有運輸方式的路線。該系統還包括一個交通號誌燈演算法，用於最佳化對訊號化路口和人行橫道的控制。
更多的城市正在研究交通管制的現代化 —— 這意味著新市場進入者有很多機會。
智慧交通號誌燈是如何工作的？
智慧交通訊號配備了感應、影像捕捉和連線技術，以從環境中收集即時資料。獲得的資料要麼在裝置上進行預處理，要麼上傳到雲端的運輸管理系統，它由預測交通燈演算法處理，該演算法生成訊號調整指令。
標準智慧交通號誌燈系統有兩個要素：
- 路邊單元
- 雲控制中心
智慧交通號誌燈硬體
智慧路邊交通號誌燈單元仍然有熟悉的三盏燈介面 —— 以及一些額外的好東西。
- 連線模組 —— Wi-Fi，4G/5G，V2X，GPS
- 現代交通燈必須能夠與互聯汽車、車載電腦、遠端資訊系統、雲端的交通平台，以及行動旅行或駕駛應用收集和交換資料。
- 感測器 —— 可變規格
- 雷達/雷射雷達
- 速度檢測
- 天氣感測器
- 排放捕獲感測器
- 具有即時交通檢測功能的連線攝影機
- 紅燈執行監控
- 行人和交通流量檢測
- 交通計數的車輛檢測
- 事故檢測
- 車載電腦 —— 可變規格
- 動態智慧訊號，需要具有足夠處理能力的邊緣裝置，來預處理捕獲的流量資料，並執行自適應控制。
確切的配置因製造商而異。一些智慧交通號誌燈具有更先進的感應能力；其他號誌燈只是依靠攝影機鏡頭。無流量例如，使用物聯網感測器，這些感測器依靠雷達和電腦視覺進行智慧訊號，並以 C-V2X 和 DSRC 格式捕獲汽車資料。
雲端控制中心
在軟體方面，智慧交通號誌燈系統可以透過兩種方式處理資料：裝置上（邊緣）或雲端位置。
邊緣道路資料預處理減少了延遲。有了合適的硬體，你可以在智慧交通號誌燈裝置上執行基線交通狀況分析。例如，這種路邊單元可以：
- 分析十字路口的車輛移動，以檢測違規行為
- 計算車輛以調整訊號定時
- 估計排放水準，以告知城市規劃者
邊緣處理是實施自適應交通號誌控制（ATSC）的支柱 —— 基於當前道路狀況的即時交通訊號調整。ATSC 系統可以將平均旅行時間減少 25%，將號誌等待時間縮短 40%，並將排放量降低 20% 根據卡內基梅隆大學。
接下來，數位交通號誌可以將預處理和原始資料，傳送到連線的雲端控制中心，例如智慧運輸系統（ITS）。在這裡，你可以進行更高階的建模和預測分析，以避免交通堵塞並協調公共交通時間表。
同樣，你可以使用邊緣裝置收集的歷史資料來建構以下高階模型：
智慧交通號誌燈系統的必備功能
智慧交通號誌燈技術為即時控制增添了一個新的維度 —— 因此帶來了許多好事：
- 縮短旅行時間。美國人的平均支出每年 58 小時在紅綠燈處等著。更智慧的控制可以使人和貨物在城市動脈中更快地移動。
- 減少汙染。流散的汽車發出 3000 萬噸每年二氧化碳進入大氣層。減少等待時間，和減少交通堵塞轉化為更乾淨的空氣。
- 更少的交通事故。關於 90% 的路禍主要是由交通違規引起的。更聰明的交通號誌燈系統，可以最大限度地減少違反規則的誘惑。
- 更高的公共交通乘客。公共交通的優先訊號，可以使公共交通更具吸引力。例如，在紐約市，縮短 15 分鐘的通勤時間，轉化為高 25% 鐵路服務使用。
為了給城市規劃者提供上述好處，未來的交通號誌燈應該包括以下四個功能。
城市交通的自適應交通訊號控制（ATSC）
預測演算法在智慧交通號誌燈系統的後端執行，可以找到解決複雜交通管理問題的有效解決方案。此類系統可以將交通號誌規則與違規，或事故率相關聯 —— 並以比人類交通經理更精確的精確建模風險最小化場景（以及即時這樣做）。
隨著時間的推移，預測性智慧交通號誌燈系統可以僅依靠感測器和視覺資料，來做出現場決策和控制交通移動。
案例：一群德國研究人員最近與倫戈的城市規劃師，合作開展了交通號誌燈管理的人工智慧計劃。該團隊使用一套高解析度攝影機和雷達感測器，來捕捉交通資料。然後，他們訓練了深度學習演算法，來調節繁忙十字路口的訊號。
該演算法的任務，是估計交通號誌燈的最佳切換行為，和減少的最佳相位序列：
- 十字路口的等待時間
- 該地區的平均行程時間
- 噪音和二氧化碳排放
在模擬執行期間，該演算法設法在測試區域，實現了 10% 至 15% 的流量吞吐量。
綜合應急車輛訊號搶斷（EVSP，Emergency Vehicle Signal Preemption）
應急車輛需要優先進入道路。每延遲一分鐘緊急醫療援助，生存機會就會減少 7% 至 10%。同樣，警察、消防員和其他緊急服務延遲抵達的後果可能很嚴重。
然而，應急車輛經常被困在擁擠的交通中，司機必須移到一邊，讓緊急情況透過。帶有智慧應急車輛交通號誌燈更換器的訊號系統，可以透過四種方式解決這個問題：
- 更新訊號，幫助應急車輛更快地移動
- 更改網格訊號，將車輛從受影響地區轉移
- 在緊急車輛車庫、停車場或車站附近實施優先訊號
- 提前告知司機一輛經過的緊急車輛，讓他們有額外的機動時間
案例：A 最近的美國研究緊急車輛的智慧交通號誌燈搶佔，發現了一些有趣的見解。
- 在維吉尼亞州費爾法克斯縣，先發制人系統使緊急車輛能夠更快地透過繁忙地區，減少衝突，每個十字路口節省 30 至 45 秒。
- 在普萊諾市，類似的解決方案將緊急車輛交叉路口撞車的平均數量，從每年 2.3 次減少到每五年不到一次。
- 普萊諾市也設法保持了相同的響應時間，該地區的消防和 EMS 站更少。
生態駕駛模式
繁忙十字路口的 Vrooming 發動機會產生一層噪音和空氣汙染。此外，它們使十字路口繁忙的地區對城市居民來說不太受歡迎 —— 這也是影響社群經濟發展的因素。
智慧交通號誌燈可以幫助減少車輛空閒時間，並促進更永續的駕駛習慣。A臺灣科學家小組仔細記錄了一套生態駕駛交通號誌燈調節模型，這些模式可以在基於感測器的交通號誌燈系統中實現。
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生態駕駛模型 |
概念 |
行為 |
好處 |
應用 |
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最大 TM， MinADM |
最大、吞吐量和最小加速度和減速 |
OBU 建議生態駕駛速度 |
減少碳排放、燃料消耗、旅行時間 |
獨立十字路口 |
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基於 VANATE 的協調訊號控制模型 |
預測和決策 |
RSU 確定交通訊號計劃 |
減少碳排放和燃料消耗 |
多個十字路口 |
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EDAS 系統 |
計算可以傳遞和不同模式的交叉點數 |
OBU 建議生態駕駛速度 |
減少碳排放、燃料消耗、旅行時間 |
多個十字路口 |
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TTA&RS |
旅行時間預測和路徑建議 |
OBU 預測旅行時間並建議路徑 |
降低計算複雜性，減少旅行時間 |
多個十字路口 |
來源：MDPI —用於智慧城市應用的智慧交通號誌控制系統的設計和實施
他們的發現已經被付諸行動台北的 PTV 集團。PTV Balance 軟體平台可以檢測交通模式的變化，並為汽車、騎腳踏車的人和行人建議智慧停車號誌燈訊號。
台北當局在內湖和南港兩個地區測試了該平台。結果令人印象深刻：
- 平均旅行時間總體改善了 7.9%
- 工作日和法定假日的旅行延誤減少了 12.6%
- 每年節省 318,269 升燃料
- 二氧化碳排放量每年減少 101.1 公噸，二氧化碳排放量每年減少 720.2 米
微型移動優先服務
腳踏車、電動腳踏車和電動滑板車等微型移動車輛，是 MaaS 生態系統中越來越大的一部分。但它們也給行人和司機帶來了額外的道路危險。2021 年上半年，與 2018 年的全部相比，倫敦的電動滑板車墜毀增加了 2,800% 。
隨著個人和共享微移動解決方案的使用激增，它們的移動必須得到更好的監管。智慧交通號誌燈系統應該將這些道路參與者納入其中，並為他們創造更好的控制。
為了獲得最大的安全性，最好採用兩步機制：
- 透過智慧交通號誌燈影像系統，檢測和辨識車輛，以調整交通訊號
- 使用基於 V2X 的更新或訊號相位和定時（SPaT）資訊，提醒附近的微型移動騎手司機
窺視交通已經開發了一個有趣的用於調節騎腳踏車者和行人的智慧移動解決方案，他們目的在透過 ITS 應用，將所有道路使用者連線到智慧交通控制系統。反過來，該應用向智慧交通燈控制系統傳送訊號。因此，當易受攻擊的行人試圖過馬路時，該應用可以對連線的交通燈進行更新，以便自動調整訊號長度。同一應用還可以告知交通號誌燈系統接近騎腳踏車的人，以調整他們的時間。腳踏車道上的這種動態交通號誌燈，使腳踏車的使用更具吸引力，這帶來了許多好處。
更安全移動的智慧訊號
智慧交通號誌燈系統的影響，不僅僅是司機的便利性；它可以產生一系列積極影響：
- 優先順序訊號可以使多式聯運更具吸引力，增加公共交通的使用和盈利能力。
- 更少的交通堵塞和汙染，加上更大的道路安全，使某些社群對新居民更具吸引力。
- 優先的緊急車輛訊號搶佔，提高了城市服務提供商的速度和效率（並降低了他們的營運成本）。
- 微型交通法規的整合提高了道路安全，並鼓勵更多人將汽車拋在身後。
- 最後，較少的堵塞使商業交付更快，為該地區帶來經濟效益。
鑑於我們目前的交通控制系統已經有一個多世紀的歷史了，更新已經逾期。
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