瞎聊設計之道路交叉路口

左轉之痛

作為一名女司機，開車是一件刺激又緊張的事情，刺激的是偶爾會犯油門當剎車的錯誤，緊張的是路口車輛交匯時的意外親密接觸。尤其是在路口左轉時，都要特別緊張的先觀察直行車輛，再左右張望過往行人，生怕因為自己操作不當而堵在路中間造成交通堵塞。然而，每當遇到左轉，身為一名交互設計師的我基於職業敏感，總在腦海里默默的想一個問題：為什麼會有準許左轉車輛和直行車輛同時行駛這種設計？為什麼不每個路口都設計左轉專用道？交叉路口還有什麼其他設計方案？

在弄清楚這個問題之前，我先扒了一下道路交通的歷史發展。

公元前500年，城市開始出現，於是自然而然就有了道路系統。直到19世紀，出現軌道馬車，道路開始被馬車佔領，漸漸地，科技的進步帶來了電力，於是19世紀末有了有軌電車。當20世紀初，汽車時代的來臨正式宣告了道路以機動車為主體的時代。【1】

道路經歷了以人，到馬車再到機動車為行動主體的發展過程。交通規則也經歷了左左右右的變更，沒錯，交通規則並不是從一開始就定義為靠右行駛。先秦時期，《古禮》中規定男子右行，婦女左行，車行中央。後來到了唐朝，則不再以性別來劃分通行制，而是以方向來劃分，即要求「進城的走左邊，出城的走右邊」。所以，其實從唐代開始，中國是靠左行駛的。到了清末年間1899年，由於英國在租界勢力範圍比較大，公租界發布交通《章程》直接規定駕車者須在馬路左邊前行，超車從右行。右轉應從寬而轉，左轉應靠近路邊，上海俗語中所說的「大轉彎」和「小轉彎」也由此而來。直到1945年，抗戰勝利後，美國汽車開始大量進入中國，「左駕車」一舉佔了數量優勢，由是之故，國民政府下令從1946年1月l日開始，汽車一律靠右行【2】（當一個國家強大了之後，僅從輸出物品就可以影響另一國家的政策）。

隨著汽車的發展，車流量越來越大，光靠交通規則已經無法維持交通的秩序，於是紅綠燈應運而生。據說紅綠燈的顏色靈感來源至19世紀初的英國約克，因為著紅裝的女人表示「已婚」，而著綠裝則表示「未婚」，於是被一位機械工程師引用道交通信號燈上，把紅燈用來表示禁止通行，綠燈表示可通行。後來，美國人民完善了信號燈的控制系統，同時在紅綠燈中增加了黃燈,用來表示「謹慎」。最後，1968年，聯合國《道路交通和道路標誌信號協定》作出了統一的定義：綠燈是通行信號，面對綠燈的車輛可以相應的直行、左轉彎或右轉彎，除非另一種標誌禁止某一種轉向。紅燈是禁行信號，面對紅燈的車輛必須在交叉路口的停車線後停車；黃燈是警告信號，面對黃燈的車輛不能越過停車線【3】。

衝突的來源

在這100多年的歷史中，交通信號燈的設計並沒有發生過太大的變化。最常見的就是在十字路口的各個方向放置紅綠燈，控制南北和東西的通行（如下圖）。

這種控制方案在交通領域有個專業名詞：兩相位信號方案。即交通路口有兩個相位：第一相位為東西車輛可通行，包括直行和左右轉；第二相位為南北方向車輛通行，東西車流禁止。這種在一定周期內控制一組交通流的通行權的信號燈狀態稱為相位。很顯然，只控制兩個方向，不可避免的會有左轉和直行的衝突【4】。

其他路口設計方案

多相位路口設計

有兩相位信號方案，自然會有三、四、五信號相位。當兩個方向控制不夠的時候，通過增加相位控制是即粗暴又有效的方案。很簡單，如果左轉一直與直行衝突，那開闢一條左轉的專用的通道就解決了這個問題【4】。

這種衝突的解決機制是通過時間的分步來避免衝突。帶來的優勢是，每個通行方向都有專門的通行權。然而相應地，相位越多就會導致一個路口所需要的控制時間越多。對於車輛來說，雖然有了專門的通行時間，但通行時間也會相應增加。當路口的通行效率降低時，遇到大車流的情況下，就很容易到達交通瓶頸從而造成擁堵。

於是一個路口到底是採用兩位相位還是三四相位或更多相位，還是要依據路口的左轉車流量的大小，和垂直車流量的均衡度來考慮，所以現在很多路口會留個後路，每一個方向先預留兩個紅綠燈，初期只控制單一方向通行，後期左轉車流變大時，將一個分出來控制左轉，非常靈活。

環島路口設計

除了多相位路口設計方案外，我想起在國外旅遊時常見的環島路口設計。環島有一個非常巧妙的設計，將路口所有的衝突點變成了「合流」（下圖中十字路口的紅點為衝突點，環島中的藍點為合流點）。知乎上有位專家Guanghui對環島的設計做了比較詳盡的分析【5】，總的來說，環島的優勢在於路口的整體效率，直行車不需要等待左轉車先走，左轉車也不用擔心和直行車量的衝突，每個方向的車流通過環島的合流在分散到各個方向。但是，當車流量過大時，環島也會遇到瓶頸，因為車輛進入環島需要過彎，此時的通行速度將比直行時速度大大降低，同時，環島內車道不易過多不然會導致車輛頻繁變道，進一步降低通行效率，所以，環島也有環島的弊端，它不適用於大車流量的路口。

其實，環島還有一個適用條件，即司機的駕駛素質。因為環島的優勢在於不設置紅綠燈的情況下保持並提高通行效率，這就意味著駕駛員必須自覺遵循交通規則，在進入環島之前應先讓環島內的車輛行駛。基於這個原則，我想這也是為什麼國內目前幾乎不怎麼採用環島的原因，因為大部分的司機們連變道打燈的習慣都沒有，何況其他守約。

沒有紅綠燈的設計

在我查閱資料的時候，我發現了另外一種很有意思的解決左轉與直行的衝突方案，即全部單行道的設計。全世界僅有一個國家是如此，一個名為聖馬利諾的國中國，袖珍國家之一，人口有三萬多人，但車輛有5萬輛。這個國家沒有任何紅綠燈，全部採用單行線和環島解決交通問題。

這個方案雖然比較特例，但也不失為一種解決衝突的思路。當我們發現一個衝突的問題時候，除了通過加法來解決，反過來的減法也不失為一種方案。

了解完這三種解決路口衝突的方案，我發現其實有幾點可以給做交互設計的我們一些參考：

每一種設計解決方案都需要根據實際的應用場景和用戶相關，環島的設計雖然好，但考慮到我國的用戶和我國的車流情況，放到國內就並不合適。這和我們在做交互設計時要考慮scenario和persona是一樣的。

沒有任何方案是完美的，在左轉交通流量小的情況下，兩相位是比較平衡的路口設計方案，小部分司機會遇到左轉與直行的衝突，但對於大部分司機而言，他們可以獲得更快的通行效率，所以設計方案應該優先讓80%的用戶獲得收益。

自動駕駛時代的交通路口

隨著汽車的智能化，無人駕駛汽車普及的那天也許在不久的將來就會到來。當車輛和道路都升級之後，交叉路口的紅綠燈也許就不存在了，就像MIT可感知城市實驗室提出的「A slot-based system」【6】，路口可以不再設置紅綠燈，汽車通過各自的感應裝置提前在路口進行彼此溝通，以達到有秩序的行駛。

例如，假設在一個路口有四輛車（如下圖），1，3，4號車從各自方向直行，2號車左轉，顯然這種狀態下會產生4個衝突點，1-3，3-4為垂直方向衝突，2-3和2-4為左轉衝突。那麼在傳統紅綠燈路口，只能先通行1，2，4車輛，再通行3車輛。

而在智能汽車的時代，車速和距離是可以動態計算的。當1，2，3，4車輛快到路口時，車輛發出要行駛的方向和車速值，伺服器統一計算這個區域內所有車輛的車速和衝突距離，然後得出行駛順序。例如，1，3車輛在進入紅色區域後，通過判斷3和1的衝突點，可以得出3距離衝突點的距離大於1到衝突點的距離，那麼此時只要控制1和3的速度一致，或者1和3之間的速度差值不超過一定數值時，即可以保證不衝突的行駛（如下圖1）。

基於這一原理，當加大對車輛的計算量時，即同時計算路口1，2，3，4的方向和速度以及各自衝突距離（下圖2），然後通過調節車輛的車速，讓車輛在路口按照控制速度行駛。這樣，在不需要紅綠燈的輔助下，也能實現車輛的有秩序行駛（如圖3所示）。

如果看不懂上圖，可以看看這張某國家人民在無紅綠燈十字路口的自我計算通行??。儘管沒有統一規則，大家依靠自主計算和判斷也能達到一定程度秩序通行，但總歸危險，從圖中也能看出不少急停的車輛。

交叉路口想要達到高安全高效率，還是要依賴科技的進步。我想以後交通通行效率PK的不是信號燈的控制演算法，而是車輛大數據下的動態行駛演算法。讓我們期待這一天吧～

引用

【1】近代西方城市交通簡史 https://zhuanlan.zhihu.com/jiaotong/20003549

【2】靠左走?靠右走?——中國交通規則之變 http://news.163.com/10/0420/14/64NHV6F1000146BC.html

【3】簡述交通信號燈發展史漫長的演化歷程 http://auto.qq.com/a/20130108/000150.htm

【4】城市道路交叉口的信號配時優化研究 http://www.doc88.com/p-1704773844423.html

【5】環島和設紅綠燈的十字路口，哪個更有效率？https://www.zhihu.com/question/20320073

【6】http://senseable.mit.edu/light-traffic/

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