汽車之間的自主無(wú)線通信可如何取代交通信號(hào)燈，縮短通勤時(shí)間

生命短暫，而當(dāng)你身陷交通堵塞，或者在完全無(wú)車的路口等紅燈時(shí)，人生似乎更顯苦短。在墨西哥城、圣保羅、羅馬、莫斯科、北京、開(kāi)羅或內(nèi)羅畢這樣的城市，住在城市遠(yuǎn)郊的居民早晨的通勤時(shí)間可能會(huì)超過(guò)兩小時(shí)。如果下班的通勤時(shí)間也算進(jìn)去的話，每天花3到4個(gè)小時(shí)在路上是很正常的。

現(xiàn)在假設(shè)有這樣一個(gè)系統(tǒng)，可以將每天上下班的通勤時(shí)間減少1/3，比方說(shuō)從3小時(shí)降低到2小時(shí)，那么每個(gè)月就可以節(jié)約22個(gè)小時(shí)，按照35年的職業(yè)生涯來(lái)算，共可節(jié)約3年時(shí)間。

飽受困擾的通勤者們，振作起來(lái)，因?yàn)槟壳耙呀?jīng)有人設(shè)計(jì)出這樣一個(gè)系統(tǒng)，使用了幾項(xiàng)新興技術(shù)。其中一項(xiàng)技術(shù)便是車輛無(wú)線連接技術(shù)，也經(jīng)常被稱為車對(duì)車（V2V）技術(shù)，不過(guò)無(wú)線連接還可以包括路標(biāo)和其他基礎(chǔ)設(shè)施。另一項(xiàng)新興技術(shù)是無(wú)人駕駛汽車技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)就其本質(zhì)而言應(yīng)該會(huì)減少通勤時(shí)間（同時(shí)讓通勤時(shí)間更有效率）。再就是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，它不僅將連接全球70億人口，還會(huì)連接另外300億個(gè)傳感器和裝置。

我與卡耐基?梅隆大學(xué)（位于匹茲堡）的同事們共同研究了一種算法，可以將這些技術(shù)結(jié)合起來(lái)。我們的算法使用車載通信功能，讓汽車彼此進(jìn)行協(xié)作，在不依靠任何交通信號(hào)燈的情況下保持交通安全暢通。我們把這個(gè)項(xiàng)目分拆出來(lái)，形成一家公司，即虛擬交通信號(hào)燈（VTL）公司，并進(jìn)行了大量模擬測(cè)試。接著自2017年5月起，我們開(kāi)始在卡耐基?梅隆大學(xué)校園附近的道路上進(jìn)行封閉測(cè)試。7月份，我們?cè)谏程匕⒗状喂_(kāi)展示了VTL技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)大約有100名觀眾，主要是科學(xué)家、政府官員以及私營(yíng)企業(yè)代表。

那次試驗(yàn)的結(jié)果證明我們長(zhǎng)期以來(lái)的懷疑是有道理的：是時(shí)候淘汰交通信號(hào)燈了。我們不必再困在車?yán)锖馁M(fèi)數(shù)不清的時(shí)間卻哪兒也去不了，也不會(huì)有任何損失。

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1912年，交通信號(hào)燈被發(fā)明并開(kāi)始在鹽湖城應(yīng)用，兩年后推廣到了克利夫蘭。而其原理從那時(shí)到現(xiàn)在幾乎從未改變過(guò)。交通信號(hào)燈采用基于計(jì)時(shí)器的方法工作，因此有時(shí)你周圍明明沒(méi)有車輛卻還是要在路口等紅燈。時(shí)間設(shè)置可以調(diào)整，以匹配不同通勤時(shí)段的交通模式，但這差不多是唯一能做出的微調(diào)，這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。很多人都為此浪費(fèi)了大量時(shí)間，并且天天如此。

而現(xiàn)在請(qǐng)想象有很多車輛正駛向某個(gè)路口，這些車正通過(guò)V2V技術(shù)進(jìn)行交流。它們就好像投票一樣，選出一輛頭車。在接下來(lái)的一段時(shí)間里，由這輛頭車決定哪個(gè)方向具有優(yōu)先通行權(quán)（相當(dāng)于綠燈），哪個(gè)方向需要等待。

到底哪個(gè)方向優(yōu)先通行呢？原理很簡(jiǎn)單，且大家都會(huì)遵守。頭車指示自己前行的方向?yàn)榧t燈，指示垂直方向的車流通行。大概30秒后，垂直方向車流中的某輛車成為頭車，再完成與前一輛頭車相同的工作。領(lǐng)導(dǎo)權(quán)以循環(huán)方式不斷移交，公平分配責(zé)任與義務(wù)，因?yàn)轭^車需要為了共同的利益而暫時(shí)犧牲自己的利益。

使用這種方法后就再也不需要交通信號(hào)燈了。交通監(jiān)管以無(wú)形的方式與無(wú)線通信設(shè)施相融合。人們?cè)僖膊恍枰跊](méi)有車輛的路口等紅燈。

我們公司開(kāi)發(fā)的VTL算法通過(guò)參考諸多參數(shù)選出頭車，比如各個(gè)方向來(lái)車中位置靠前的車輛與路口中心的距離、車輛的速度、各個(gè)方向來(lái)車的數(shù)量等等。當(dāng)其他條件相同時(shí)，算法選擇距離路口最遠(yuǎn)的車輛作為頭車，這樣該車輛將有充足的時(shí)間減速。這一策略確保了距離路口最近的車輛有優(yōu)先通行權(quán)，即作為虛擬綠燈信號(hào)。

值得引起注意的是，VTL技術(shù)并不需要攝像機(jī)、雷達(dá)或激光定位器，它的所有定位導(dǎo)航功能都是通過(guò)名為專用短程通信（DSRC）的無(wú)線系統(tǒng)獲得的。DSRC指的是1999至2008年期間美國(guó)、歐洲和日本研發(fā)的無(wú)線電管理方案，包括專用帶寬，用于讓臨近車輛進(jìn)行無(wú)線信息交流。DSRC開(kāi)發(fā)者們預(yù)想過(guò)這一方案的多種用途，包括電子收費(fèi)裝置、合作式自適應(yīng)巡航控制，以及我們目前正在使用的功能——預(yù)防路口碰撞。

目前，量產(chǎn)車很少配備DSRC收發(fā)器（并且DSRC很可能被新興的5G無(wú)線技術(shù)替代）。但是DSRC收發(fā)器現(xiàn)成可用，并且具備我們所需的所有功能。這些應(yīng)用IEEE標(biāo)準(zhǔn)802.11p的收發(fā)器必須每隔0.1秒就發(fā)送1條基本安全信息。該安全信息將信息發(fā)出車輛的經(jīng)緯度及方向告知信息接收者。VTL算法在車輛的處理器上運(yùn)行，可以獲取該車輛的數(shù)據(jù)，接收從臨近車輛獲取的信息，然后將結(jié)果與數(shù)字地圖（比如谷歌地圖、蘋果地圖或公開(kāi)街區(qū)地圖）服務(wù)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加。通過(guò)這種方式，每輛車都能計(jì)算自己與路口之間的距離，其他方向來(lái)車與路口之間的距離，以及及每輛車的速度、加速度和行駛軌跡。這就是確定哪些車輛可以通行（綠燈）、哪些車輛需要等待（紅燈）所需的所有算法。一旦做出決定，每輛車內(nèi)的平視顯示器將以正常視角向司機(jī)展示紅燈或綠燈信號(hào)。當(dāng)然，VTL算法僅解決了交叉路口、停車標(biāo)志以及讓行標(biāo)志處的交通管理問(wèn)題。VTL算法并不能控制車輛駕駛。但在用于合適的領(lǐng)域時(shí)，無(wú)人駕駛技術(shù)能做的，VTL都可以實(shí)現(xiàn)，且成本更低。無(wú)人駕駛汽車需要更多計(jì)算能力處理激光定位器、雷達(dá)、攝像機(jī)以及其他傳感器的饋送信息，還需要將這些數(shù)據(jù)融合形成周圍環(huán)境的單一視圖。

我們的方法可以看成是用一種經(jīng)驗(yàn)法則代替真實(shí)智能。VTL算法讓汽車自主控制交通，就像昆蟲(chóng)群和魚群一樣：魚群會(huì)一下子全部轉(zhuǎn)換方向，而不需要任何頭領(lǐng)來(lái)指引；在魚群中，每條魚會(huì)根據(jù)臨近魚的動(dòng)向來(lái)獲得提示。

這是一種與集中式網(wǎng)絡(luò)行為完全相反的分散式系統(tǒng)行為。據(jù)此，城市中的車流能夠自行控制交通，無(wú)須依賴集中式控制機(jī)制或人為干預(yù)，不需要警察、交通信號(hào)燈、停車標(biāo)志以及讓行標(biāo)志。

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智能路口這個(gè)概念并不是我們創(chuàng)造的，它在幾十年前就已經(jīng)存在了。早期的一個(gè)想法是在瀝青馬路下面安裝磁線圈，檢測(cè)一條路上駛向路口的車輛并相應(yīng)地調(diào)整綠燈和紅燈的時(shí)長(zhǎng)。與此類似的是，路口設(shè)置的攝像機(jī)可以計(jì)算出各個(gè)方向的車輛數(shù)量，然后計(jì)算出每個(gè)路口交通信號(hào)燈的最佳時(shí)長(zhǎng)。但這兩項(xiàng)技術(shù)的安裝與維修成本都很高，因此只有少數(shù)交叉路口安裝了它們。

最初，我們?cè)趦蓚€(gè)城市的虛擬模型上運(yùn)行VTL算法：兩個(gè)城市分別為美國(guó)匹茲堡和葡萄牙波爾圖。我們從美國(guó)人口調(diào)查局以及葡萄牙相關(guān)機(jī)構(gòu)獲取交通數(shù)據(jù)，然后添加谷歌地圖的數(shù)據(jù)；隨后，將數(shù)據(jù)輸入德國(guó)宇航中心開(kāi)發(fā)的開(kāi)源軟件包——城市交通仿真（SUMO）。

SUMO對(duì)兩種情境下的通勤高峰時(shí)段進(jìn)行了模擬。一種情境應(yīng)用現(xiàn)有交通信號(hào)燈，另一種情境應(yīng)用我們開(kāi)發(fā)的算法。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，VTL算法將波爾圖的平均通勤時(shí)間從35分鐘降至21.3分鐘，將匹茲堡的平均通勤時(shí)間從30.7分鐘降至18.3分鐘。從郊區(qū)以及更遠(yuǎn)的地區(qū)到達(dá)市內(nèi)的通勤時(shí)間減少了30%到60%。重要的是，通勤時(shí)間的方差（某個(gè)點(diǎn)偏離平均值的統(tǒng)計(jì)值）也減小了。

時(shí)間的節(jié)約主要得益于兩個(gè)原因。其一，VTL消除了沒(méi)有垂直方向來(lái)車情況下在路口等待紅燈的時(shí)間。其二，VTL引導(dǎo)的是每個(gè)路口的交通秩序，而不僅限于有信號(hào)燈的路口。因此，如果周圍沒(méi)有其他車輛，車輛不必在停車標(biāo)志前停車。

通過(guò)模擬試驗(yàn)，我們還發(fā)現(xiàn)了比節(jié)省時(shí)間更重要的其他優(yōu)點(diǎn)。交通事故發(fā)生率降低了70%。這不奇怪，事故發(fā)生率降低的主要區(qū)域集中于路口、停車標(biāo)志以及立交橋附近。此外，通過(guò)盡可能減少在路口的等待、加速和減速，VTL顯著減少了車的平均碳排放量。

那么，如何將VTL技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室推廣到全世界呢？首先，我們必須在量產(chǎn)車上安裝DSRC。2014年美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局建議采用DSRC技術(shù)。但是特朗普政府尚未實(shí)施這項(xiàng)規(guī)定，并且最后決定如何尚不可知。因此，美國(guó)的汽車生產(chǎn)商現(xiàn)在并不愿意安裝DSRC收發(fā)器，畢竟這會(huì)增加成本。而且這項(xiàng)技術(shù)需要在其他車輛也安裝的情況下才有用。又是熟悉的“雞生蛋還是蛋生雞”問(wèn)題。在足夠多的汽車安裝DSRC之前，DSRC的生產(chǎn)規(guī)模將一直很低，而且單位成本很高。在美國(guó)，只有通用汽車公司已經(jīng)開(kāi)始在車上安裝DSRC，而且都是高端車型凱迪拉克。DSRC在歐洲和日本的前景似乎更樂(lè)觀。相當(dāng)一部分歐洲汽車制造商已經(jīng)承諾要在量產(chǎn)車上安裝收發(fā)器。日本政府十分支持這項(xiàng)技術(shù)，今年年初，豐田汽車也反復(fù)承諾安裝收發(fā)器。

即使DSRC技術(shù)最終失敗，VTL算法依然可以通過(guò)其他無(wú)線技術(shù)運(yùn)行，比如5G或者Wi-Fi。

DSRC 收發(fā)器的不完全普及是VTL技術(shù)應(yīng)用的最大潛在障礙之一。如果只有一部分汽車安裝DSRC，VTL技術(shù)還能起作用嗎？答案是肯定的，前提是政府能為現(xiàn)有交通信號(hào)燈安裝DSRC。

只要不拆除現(xiàn)有價(jià)值數(shù)10億美元的交通信號(hào)基礎(chǔ)設(shè)施，政府是樂(lè)于安裝DSRC的。為了解決這一問(wèn)題，我們提出了一個(gè)短期VTL技術(shù)方案：對(duì)現(xiàn)有交通信號(hào)燈進(jìn)行升級(jí)，以便其能夠檢測(cè)到各方向駛來(lái)的安裝有DSRC的車輛，并確定相應(yīng)信號(hào)燈時(shí)長(zhǎng)。這個(gè)方案的妙處在于，無(wú)論是否安裝DSRC，所有車輛都能利用同樣的道路和路口。根據(jù)模擬試驗(yàn)及在匹茲堡的實(shí)地測(cè)試，雖然此方案相比于理想的VTL方案節(jié)省的通勤時(shí)間要少，但也比現(xiàn)行交通控制系統(tǒng)快23%。

另一挑戰(zhàn)是處理好行人及自行車的問(wèn)題。即使政府強(qiáng)制所有汽車、卡車安裝DSRC，我們也不能讓自行車或行人攜帶DSRC。這樣可能會(huì)不便于行人及自行車安全穿過(guò)路口。

根據(jù)短期解決方案，物理信號(hào)燈仍與VTL系統(tǒng)并存，以便為行人提供一種獲取路權(quán)的方法。從今年1月份起，我們?cè)谄テ澅さ脑囼?yàn)項(xiàng)目在交叉路口的4個(gè)方向設(shè)置了按鈕，按下按鈕即可開(kāi)啟紅色信號(hào)燈（對(duì)于行人是真實(shí)紅燈，對(duì)于汽車是虛擬紅燈）。這一設(shè)置每次都能有效運(yùn)行。

長(zhǎng)期來(lái)看，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也許會(huì)解決自行車出行者和行人的問(wèn)題。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，總有一天，人人出門都會(huì)隨身攜帶一個(gè)DSRC支持設(shè)備。

與此同時(shí)，在沒(méi)有物理信號(hào)燈的理想情況下，我們已演示過(guò)，投票分配路權(quán)的車輛可將信號(hào)周期的一部分時(shí)間分配給行人。在這個(gè)時(shí)段內(nèi)，向路口4個(gè)方向的車輛指示虛擬紅色燈信號(hào)，信號(hào)燈時(shí)長(zhǎng)足以讓所有行人安全穿過(guò)路口。這個(gè)初步的解決方案對(duì)于交通流量來(lái)說(shuō)并不是最理想的，因此我們?cè)谘芯恳环N方法，利用安裝在儀表盤上的廉價(jià)攝像頭來(lái)識(shí)別行人，并讓其優(yōu)先通行。

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最終，無(wú)人駕駛汽車的出現(xiàn)將為虛擬交通信號(hào)燈帶來(lái)新的前景。按照現(xiàn)在的設(shè)想，人類駕駛員可以做到的，無(wú)人駕駛汽車都可以做到，比如遇到信號(hào)燈停車、遇到讓行標(biāo)志禮讓，等等。但為何不對(duì)交通設(shè)施進(jìn)行全自動(dòng)化呢？讓無(wú)人駕駛汽車完全自動(dòng)化，不用傳統(tǒng)標(biāo)志或信號(hào)來(lái)管理交通，效果會(huì)好得多。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵在于V2V以及車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間的通信。

這點(diǎn)很重要，因?yàn)槟壳霸谶M(jìn)入或駛離繁忙的路口時(shí)，無(wú)人駕駛汽車經(jīng)常無(wú)法協(xié)商通行。這是最棘手的技術(shù)難題之一，行業(yè)領(lǐng)跑者Waymo公司仍對(duì)其束手無(wú)策（Waymo是谷歌母公司Alphabet的另一子公司）。

在模擬和實(shí)地測(cè)試中，我們發(fā)現(xiàn)應(yīng)用VTL技術(shù)的無(wú)人駕駛車輛可以應(yīng)對(duì)沒(méi)有交通信號(hào)燈或指示的路口。車輛無(wú)須辨認(rèn)實(shí)體標(biāo)志，這大大簡(jiǎn)化了當(dāng)下無(wú)人駕駛車輛所依賴的計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法以及運(yùn)行此類算法的計(jì)算機(jī)硬件。這些軟件和硬件以及傳感器（尤其是激光雷達(dá)）構(gòu)成了系統(tǒng)中最昂貴的部分。

VTL很大程度上是一個(gè)模塊化的軟件體系結(jié)構(gòu)，因此很容易與無(wú)人駕駛車輛的軟件集成。此外，VTL可以解決大部分與計(jì)算機(jī)視覺(jué)相關(guān)的難題。比如，陽(yáng)光直射攝像機(jī)鏡頭，雨天、雪天、沙塵暴天氣或者遇到彎路時(shí)阻擋視線的情況。要明確一點(diǎn)，VTL并不是無(wú)人駕駛技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)者，而是后者的補(bǔ)充與完善。單憑這一點(diǎn)就可以助推無(wú)人駕駛車輛的發(fā)展。

但在那之前，我們希望VTL現(xiàn)在能應(yīng)用于有人駕駛車輛。今年7月份，在沙特阿拉伯的利雅得，當(dāng)時(shí)室外溫度超過(guò)43攝氏度，我們將設(shè)備安裝在試驗(yàn)車輛中，進(jìn)行了此項(xiàng)技術(shù)的首次公開(kāi)展示。來(lái)自政府、科研機(jī)構(gòu)以及企業(yè)（包括優(yōu)步）的代表乘坐奔馳客車，進(jìn)入阿卜杜勒阿齊茲國(guó)王科技城的園區(qū)，穿過(guò)3個(gè)路口，其中2個(gè)沒(méi)有交通信號(hào)燈。奔馳的客車、通用的卡車、現(xiàn)代的SUV以及雪鐵龍的小汽車由各個(gè)方向駛向路口，這次試驗(yàn)證明VTL系統(tǒng)每次都能有效運(yùn)行。當(dāng)一位司機(jī)故意違反虛擬紅燈指示，企圖搶過(guò)路口時(shí)，我們的安全功能立刻啟動(dòng)，向路口的4個(gè)方向閃爍紅燈信號(hào)，避免了事故的發(fā)生。

我希望，同時(shí)也相信，這將成為交通運(yùn)輸?shù)霓D(zhuǎn)折點(diǎn)。交通信號(hào)燈已經(jīng)過(guò)時(shí)，它們已經(jīng)堅(jiān)守了100年。現(xiàn)在是時(shí)候向前發(fā)展了。