开车/骑自行车的时候，你有没有遇到过这样的场景：如果碰到一个绿灯顺利通过，就能一路绿灯；相反，只要有一个红灯拦你，接下来遇到的都是红灯……如此精准地拦你，让你不禁怀疑自己是不是进入了楚门的世界，还是最近水逆，不宜出门。
这背后有什么科学原理吗？
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被停用的煤气灯
交通信号灯俗称红绿灯，是以红、黄、绿三色（欧洲一些国家还可能会使用带有橙色的琥珀黄）灯或辅以声音讯号，指示车辆及行人停止、注意与前进。世界上第一盏交通信号灯诞生于 1868 年 12 月，而它被发明的主要原因是伦敦威斯敏斯特桥前有大量的马匹经过，数以千计的行人被迫行走在威斯敏斯特宫旁，经常发生人与马匹堵塞混乱。
当臂板水平伸出时代表驾驶员必须“停止”，当臂板水平向下 45 度角时代表驾驶员“前行”。夜晚时红色煤气灯亮起代表“停止”，绿色煤气灯则代表“前行”。图源：wiki
该交通信号灯高 6.7 米，由两个连接到旋转臂上的移动标志，以及夜晚使用的柱顶上的煤气灯组成。当时，并没有“自动化”这一概念，所以交通信号灯的变化全是人为操纵的。
虽然这是一项成功管控交通流量的发明，但它的煤气灯却在运行了 24 天后爆炸，炸伤了控制信号灯的警察，这种交通信号灯便被停用。直到电力的普及，第一个电力交通信号灯才在美国克利夫兰投入使用。
如何控制信号灯？
随着社会节奏的加快，效率逐渐成为人们的重点考虑的问题，有效地疏导和提高十字路口的通行效率显得越来越重要。在普通的交通灯设计系统中，显示时间是固定的，这样就无法有效地利用道路交通资源。
为了解决这个问题，人们引入了车流量监测，通过车流量的大小，来自动调节红绿灯的显示时间。
最常见的有感应回路系统和视频摄像系统。前者在地面铺设了环形线圈传感器，当有车辆通过线圈时，车的铁外壳使得磁感线圈电感发生变化，从而监测车辆。感应回路系统由于其简单性而被广泛使用。
后者是我们在交通信号灯中看到的最复杂的系统。杆上安装的视频监测摄像机依靠视频技术来监测汽车，并与多个交通站点联网。不仅能识别车辆，并实时计算停靠点的车辆数量，还可以区分汽车和行人。
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那么，我们开头说到的“遇到一个红灯，就会一路红灯”的现象难道是因为交通信号灯在监测汽车流量这块儿出了 bug？其实，这并非偶然现象，而是道路设计师们花了几十年特地研究出来，防止交通拥堵的手段。
交通控制系统的核心问题就是如何在最短的时间让最多的车辆通过路段，原则就是如果前面路空，让新来的车快走，如果前面堵，就让新来的车慢点走。于是，人们想出了一个办法叫做“绿波带”，即车辆匀速行驶，进入绿波带区域时第一个信号灯为绿灯，那么下一个路口也能遇到绿灯。最大限度地保证车流到达路口都是绿灯，尽可能减少停车时间。
绿波带道路上的路口信号灯通常会设有绿波速度提示牌，在 50～55km/h 的速度最容易赶上绿波带。但是，如果碰上极端路况、车祸、有人闯红灯等事件，无法保持绿波速度的情况下，你可能会遇到绿波带的“死对头”——红波带，让你走一路，停一路，减缓你的通行速度。
当然，不是所有路段都可以设置绿波带。一条适合设计绿波带的路段需要满足许多条件，比如：不是主干道（主干道车流量过于饱和，车辆排队过长无法在有效绿灯内通过路口）、干扰因素少（无乱穿马路的行人和非机动车辆）、道路条件相近（车流量情况相近）等。
2011 年，一项研究表明，绿波带可以减少汽车二氧化碳排放、减少燃油消耗、减少车辆部件磨损以及制造过程中的间接能源消耗。
所以，绿波控制一般使用在中心城区到外围城区的干路上，目的是为了让中心区的车辆尽快驶出核心区。而相对应的驶入中心城区的方向，往往不会设置绿波带。相反，有的地方会设置红波带，就是让进入核心区的车辆多等几次红灯，以减缓市中心的交通压力。
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参考文献
[1]https://auto.howstuffworks.com/car-driving-safety/safety-regulatory-devices/how-does-a-traffic-light-detect-that-a-car-has-pulled-up-and-is-waiting-for-the-light-to-change.htm
[2]https://en.wikipedia.org/wiki/Green_wave
[3]https://www.cdccic.com/cdjt/show_38942.htm
[4]https://www.mdpi.com/2071-1050/13/10/5411
来源丨把科学带回家、科普中国
