作者
李理
这是作者关于智能交通协议(IntelligentTransportProtocol)的构想，欢迎留言讨论。
目录
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缘起
每天下班我都会开车由西往东从四环进入G6，从四环进G6有两条路径，分别如下图红色和蓝色的路线所示。不管哪条路径，最终都会汇入G6的主路A点。这条路总是很堵，因为四环东西两个方向的车流最终都会汇入，而且汇入点A前方不远有一个出口，所以A点不但有大量车流进入，也有不少车要出去。而且晚上17:00-19:00最内侧是公交车道，A点前方不远有公交车道的违章拍照，很多违规走公交车道的“鸡贼”司机都要在A点并线进入第二车道。
图：从北四环进G6(原八达岭高速)的路线，来自百度地图
早上上班会从北往南经过盘古大观旁边的北辰西路通过匝道往西进入四环主路，如下图所示。早上进四环的车辆很多，也会碰到很多“鸡贼”司机从第二条车道插队进入。
图：从北辰西路进入北四环的匝道，来自百度地图
这样的场景对于大城市开车上下班的职场人士来说是司空见惯的事情，估计不少人也走过公交车道或者插过队。遇到这种情况的时候我就经常想，有没有办法能够解决拥堵的问题呢？交通拥堵几乎是大城市的通病，它让人们浪费大量时间、消耗更多能源并且造成严重的环境污染。有关部门也尝试了很多解决方法，包括提倡公交出行、机动车购买限号和限行，甚至要效仿国外收取拥堵费，但似乎都不能解决问题。最近自动驾驶和车联网比较火热，有人认为这些技术能缓解交通拥堵，提高出行效率。真的是这样吗？
我一直在思考的一个问题就是：道路的极限吞吐量有多大？如果我们每天的交通流量(Demand)是固定的，期内我们也无法修建更多的道路，那么唯一的办法就是提高通行的效率。那么一条道路的极限通行量是多大呢？或者反过来思考，哪些因素会影响一条道路的吞吐量呢？显然车越多，道路就越拥堵。这肯定受限于物理的约束，比如车流量、道路的车道数、路面的宽度等。也包括汽车和司机的物理学约束，比如受刹车的物理参数约束，跟车不能跟的太近；而司机的反应速度也不同，在天气好的白天可能跟车可以近一些，而下雨的晚上就只能开慢一些以避免追尾等事故。如果所有的车都由一个“上帝”来控制，是不是能够逼近这个极限吞吐量呢？
每个司机都在追求个人的局部最优解，但这通常不是全局的最优解。比如图1所示的情况，匝道的车要并入G6的最右侧车道，这就会导致匝道的车和最右侧车道的车竞争，最终的结果就是拉链式的交叉通行，这从某种程度上保障了通行的“公平”，但是每辆车的速度都很慢。而且最右侧车道慢了之后就会往中间车道并线，再往最内侧车道并线，最终导致整个道路拥堵。如果我们能有一个仲裁者(比如交警或者信号灯)来指挥，那么仲裁者可以先命令右侧车道暂停，让匝道的N(比如10)辆车并入，然后让右侧的车通行M(比如20)量，……。这样一个简单的改进可能提高最右侧车道的通行效率。当然实际的情况远比这复制，比如可能有中间车道的车要出去，它可能要并线到最右侧。但是至少从原则上来看全局的最优会比局部的最优要好很多的。
车辆的行驶看起来很复杂，但是从微观(每辆车)的角度来看其实并不复杂。在没有路口的地方，一辆车正常行驶要么一直往前走，要么往左变道，要么往右变道。变道需要车辆之间的一种“语言”来协商，车辆的语言主要通过车灯和喇叭来实现。比如A车要左转，则拨动左转信号灯，它相当于跟左后方的车说：“请注意，我要左转了”。左侧车B看到之后有两种选择：让或者不让。让的话就把车速降下来，这是A观察到了B车降速下来，于是顺利并线。如果不让，则B保持车速不降(或者不降太多)，甚至通过喇叭或者闪灯(晚上)警告A车不要并线。
注意：A车的语言是显式的，它通过左转灯来表达它的意图，如果左转灯没坏并且B车司机眼睛没毛病的话是可以没有歧义的理解A的意图的。但是我们的汽车并没有设计一个“让或不让前方并线的信号灯”，因此B想表达同意或者不同意就可能有歧义。因为B车即使不想让，它为了避免撞车也会减速，但是它的车速可能还是不慢。A车只能通过车速的变化来判断B是否想让，如果A车判断出错就可能出现交通事故。
有时候我们也会碰到这种情况：B车想让，所以速度减下来一些，但是A车判断B并不想让，所以赶紧停止并线，但是车头已经探出去小部分。B一看A的头出来了，为了避免碰撞就继续减速。但是A车“怂了”不敢并线，就停在那里。B车一看：“你这肉车，让你都不走”，于是加速准备走。而A看B也一直没动，以为对方要让，就继续并线，结果对方又加速上来了，于是又停住……。这就像有时候上下楼梯时碰上了，为了避免碰撞，两人都同时往一个方向侧身，但是碰巧是同一个方向，于是停顿一会往另一个方向侧身，结果两人的频率还比较一致，又碰上了，……前面说的是比较“文明”的并线，有的并线就很强横，不打灯就强行并线，让别人急踩刹车。当然这里还有很多心理学可以研究的有趣现象，比如说明明空间足够并线，但是B车一看A车打灯就立马加速上去避免被“加塞”，这也是很多并线司机不愿意打灯的原因。
总的来说，由于车辆只能通过车灯和喇叭等有限的方式来进行沟通，而且受司机心理的影响(比如那些走右转/左转/公交车道抄近路然后并线，会让被并线者产生不满情绪)，并线只能靠两车之间的“协商”来进行，这就会导致并线效率低而且容易引发交通事故。目前的交通规则并没有明确的规定怎么处理并线，它只是定义了在发生交通事故时候的责任认定。
如果汽车之间有更加高效的沟通(通信)手段，那么能不能提高通行效率和减少交通事故呢？比如说任意两辆车都可以完美的通信，是否就能解决问题呢？显然还是不能，比如前面匝道的车要并入最右侧车道，很可能一开始右侧没有车原因让，则汇入的车辆一直等在那里，等来等去没人让。他就会感觉不耐烦，就会强行探出头去并线。他一旦侧着通过后，匝道上他后面的车都会顺着一溜过去，然后类似的最右侧车道也会“抢占”一段时间。这种模式似乎和前面的仲裁者的效果类似，但是这种模式很难稳定。
因为从公平的角度来看，主路的车让匝道通过少数几辆车先走可能还行，但是如果匝道过了十辆车还不让自己走就会感觉严重“不公平”，就会忍不住要抢回路权。也就是说靠“道德”的方式很难维持这种较优的方案，因为这种方案对于个人来说是不公平的。其实这和十字路口的红绿灯是类似的，最早道路上没有红绿灯，这很容易发生交通事故，而且也容易发生拥堵。我们可能也碰到过没有红绿灯的路口，如果车多的话就很容易拥堵。
如果目前的车流都是东西方向的话，那么南北方向的车无法通行。但是东西方向的司机道德还很难高尚到主动停下来(而且后面来的车可能也不知道南北方向让了多久)，这个时候南北方向的司机就很不爽了，让你们走了两分钟还不停下来，于是就慢慢的从开始往前蹭，最终就导致路口完全堵死。这个现象即使有红绿灯也可能发生，比如东西方向很堵，绿灯的时候车开不动。然后变成了红灯，这个时候是南北方向的绿灯。
如果从理性的角度来说，南北方向的车最好不动，等东西方向的车都过去再说。也许一开始大家道德还比较高尚，呆在停止线不动。但是每次东西方向都能通过几辆车却不能完全通过，剩下的车把路口堵死。这个时候南北方向的司机就不爽了：让了你们三四个红绿灯还这样。于是也蹭上去，最终就是把路口完全堵死。
所以为了提高通行效率，一方面需要解决通信(语言)的问题，同时还需要有一个仲裁者从全局的角度综合考虑整体效率和个体公平来做出更加优化的行车方案。我觉得从理论上来说，是可以通过这种方式来改善通行效率和减少交通事故(很多堵车又是交通事故导致的)。那要实现这个目标就需要两个条件：及时和准确的通信；路段级别的仲裁者(优化算法)。
为了验证这个想法能否可能实现，我就开始了对于智能交通系统和智能网联汽车等相关领域的学习和调研。
调研
“交通”释义
在进入“正式”的内容之前先让我们来了解一下“交通”一词的含义，这可能会给我们一些启发。我们现在用的“交通”基本对应英文”traffic”，而运输对应”transportation”。交通和通信有什么关系吗？为什么交通银行的英文名称是”BankofCommunications”[1]，外国人会不会理解成“通信银行”？根据[2]，交通一词来源于中华民国交通部(MinistryofTransportationandCommunications)。为什么交通被翻译成了Communications呢？根据[3]，交通银行是为了借款赎回京汉铁路经营权而创办。创办交通银行的邮传部主管航运、邮政、铁路、电信，其英文名为MinistryofPostsandCommunications。虽然中文名字为交通银行，但是它的实际业务范围也包括轮、路、邮、电的存款，所以叫做”BankofCommunications”。
根据Merriam-Webster字典[4]，
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