Hoe werken verkeerslichten?

Verkeersbeheer in dichtbevolkte stedelijke gebieden is echter een extreem complex probleem met een reeks tegenstrijdige doelen en uitdagingen. Een van de meest fundamentele uitdagingen vindt plaats op een kruispunt, waar meerdere verkeersstromen — inclusief voertuigen, fietsers en voetgangers — elkaar veilig en, met wat geluk, efficiënt moeten kruisen. Door de jaren heen hebben we verschillende manieren ontwikkeld om te beheren wie mag rijden en wie moet wachten, van eenvoudige borden tot rotondes, maar een van de meest gebruikte methoden om het voorrangsrecht op kruispunten te regelen is het verkeerslicht.

De anatomie van het wegennet

Er zijn veel goede analogieën tussen steden en de menselijke anatomie, en wegen maken daar geen uitzondering op. Snelwegen zijn als de aorta: ze hebben een hoge capaciteit en één hoofdbestemming. Kleine verzamelwegen zijn als de haarvaten: ze hebben niet veel capaciteit, maar vormen de verbinding met elk individueel huis en bedrijf. En daartussen liggen de aptly-named 'arterial roadways' (hoofdwegen), de verbindingen met een gemiddelde capaciteit tussen stedelijke centra.

In plaats van op- en afritten, viaducten en toegangswegen om de verkeersstroom te beheersen, maken hoofdwegen gebruik van kruispunten op gelijke hoogte, waar slechts enkele verkeersstromen tegelijkertijd kunnen passeren. Om voor de hand liggende redenen noemen we dit een "onderbroken verkeersstroom". In de meeste gevallen vormen deze kruispunten de limiet voor de maximale doorvoer van de weg. Met andere woorden: het verhogen van het aantal rijstroken of de maximumsnelheid heeft geen effect op de totale capaciteit van de weg. De enige manier om het aantal voertuigen dat veilig van punt A naar B reist te verhogen, is door de efficiëntie van het kruispunt te verbeteren. Daarnaast zijn deze kruispunten de plekken waar het overgrote deel van de ongevallen plaatsvindt. Om deze redenen besteden verkeerskundigen veel tijd en analyse aan het ontwerp van kruispunten om ze zo veilig en efficiënt mogelijk te maken.

De uitdaging van het kruispunt

Het beheren van de verkeersstroom door een kruispunt, ook wel het toewijzen van het voorrangsrecht genoemd, is een enorme uitdaging. Het vereist bijna altijd een compromis tussen talrijke tegenstrijdige overwegingen, waaronder:

• Ruimte en kosten;
• Benaderingssnelheid en cyclusduur;
• Zichtafstand;
• Typen en volumes van het verkeer;
• Menselijke factoren zoals gewoonten, verwachtingen en reactietijden.

Kruispunten moeten bovendien strikt gestandaardiseerd zijn, zodat je bij een onbekend kruispunt direct weet wat je rol is in de zorgvuldige en chaotische dans van voertuigen en voetgangers. Vanuit het oogpunt van doorvoer zou het ideale kruispunt geen enkele onderbreking in de stroom veroorzaken, maar je kunt niet op elk stadsblok een complex knooppunt plaatsen. Aan de andere kant zijn eenvoudige verkeersborden kosteneffectief en nemen ze geen extra ruimte in beslag, maar ze kunnen geen grote volumes aan omdat ze voor elk individueel voertuig dat het kruispunt passeert een onderbreking creëren.

Hier komt de populariteit van verkeerslichten vandaan. Ze zijn geen panacee voor alle verkeersproblemen, maar ze bieden een goede balans: relatief lage kosten, minimale ruimtevereisten en het vermogen om grote hoeveelheden verkeer te verwerken met slechts enige onderbreking. In hun eenvoudigste vorm zijn verkeerslichten een set van drie lampen gericht op elke rijstrook van een kruispunt:

• Groen: Deze rijstrook heeft het voorrangsrecht om over te steken.
• Rood: De rijstrook heeft geen voorrang.
• Oranje: Waarschuwt dat het signaal bijna verandert van groen naar rood.

Naast deze basisfunctie kunnen verkeerslichten zeer complex worden om diverse situaties op te vangen.

Fasen en bewegingen

Bij elke toegang tot het kruispunt zijn er drie richtingen waarin voertuigen kunnen bewegen, zogenaamde 'bewegingen': rechts, rechtdoor of links. Rechts en rechtdoor worden meestal gegroepeerd als één beweging. Een typisch kruispunt met vier richtingen heeft dus 8 voertuigbewegingen en 4 voetgangersbewegingen.

Deze bewegingen kunnen worden gegroepeerd in fasen van het verkeerslicht. Bijvoorbeeld: de linksafslaande bewegingen op tegenovergestelde zijden kunnen in één fase worden gegroepeerd, omdat ze beide tegelijkertijd kunnen rijden zonder conflicten. Verkeerskundigen gebruiken een "ring-and-barrier"-diagram om te schetsen hoe verschillende fasen van het signaal mogen werken.

Voor een voorbeeldkruispunt ziet zo'n diagram er als volgt uit:

1. De eerste fase is voor het linksafslaan op de hoofdweg.
2. Daarna volgen de rechtdoorgaande bewegingen van voertuigen en voetgangers op de hoofdweg.
3. Een "barrier" (barrière) om het kruispunt leeg te laten lopen.
4. De linksafslaande bewegingen op de secundaire weg.
5. De rechtdoorgaande bewegingen van voertuigen en voetgangers op de secundaire weg.
6. Een laatste "barrier" voordat de cyclus opnieuw begint.

Er is een eindeloze variëteit aan faseringsregelingen die worden gebruikt om verschillende kruisconfiguraties en verkeersvolumes op te vangen. Zelfs de eenvoudige beslissing of er gebruik wordt gemaakt van beschermde of onbeschermde linksafslagen vereist een aanzienlijke hoeveelheid analyse.

Timing en intervallen

Een andere belangrijke beslissing is hoe lang elke fase moet duren. Idealiter duurt een groen licht lang genoeg om de wachtrij die zich tijdens het rode licht heeft opgebouwd, volledig te laten passeren. Dit is niet altijd mogelijk, vooral tijdens de spits op drukke kruispunten. In gevallen waarin het kruispunt verzadigd is, kan het groen licht per fase worden verlengd om de opstart- en wegrijtijden te minimaliseren — periodes waarin het kruispunt niet op maximale capaciteit wordt benut.

Het oranje licht moet lang genoeg duren zodat een bestuurder de waarschuwing waarneemt en het voertuig op een comfortabel tempo tot stilstand kan brengen. Een algemene vuistregel is één seconde per 10 mijl per uur (of 16 kilometer per uur) van de maximumsnelheid. Verkeerskundigen houden bij het bepalen van de timing voor gele lichten ook rekening met de helling van de weg en andere lokale factoren.

In veel delen van Noord-Amerika mag je een kruispunt binnenrijden gedurende de volledige duur van het gele licht. Dit betekent dat er een moment moet zijn waarop alle fasen rood staan om het kruispunt leeg te laten lopen. Dit 'clearance interval' (leegloopinterval) is meestal ongeveer een seconde, maar kan worden aangepast op basis van de maximumsnelheid en de grootte van het kruispunt.

Besturing op basis van detectie (Actuated Control)

Veel moderne verkeerslichten maken gebruik van actuated signal control. Dit zijn signalen die input van buitenaf kunnen ontvangen en deze informatie gebruiken om beslissingen te nemen over de timing en volgorde van de lichten. Deze systemen vertrouwen op data van verkeersdetectiesystemen. Detectoren kunnen videocamera's of radars zijn, maar het meest gebruikelijk zijn inductielussen die in het wegdek zijn ingebed. Dit zijn in feite grote metaaldetectoren die meten of er een auto of vrachtwagen aanwezig is. Dit kan soms leiden tot irritatie bij fietsers, scooters en motorfietsen die te klein zijn om de lus te triggeren.

Alle sensoren sturen data naar een apparatuurkast in de buurt. In deze kast bevindt zich een verkeerslichtcontroller: een eenvoudige computer die is geprogrammeerd met specifieke logica om te bepalen wanneer en hoe lang elk licht brandt op basis van de informatie van de detectoren.

Actuated control geeft een verkeerslicht veel meer flexibiliteit om variaties in de verkeerslast op te vangen. Als een nabijgelegen weg is afgesloten en het verkeer wordt omgeleid via een signaal dat normaal gesproken niet zo'n hoge vraag kent, zal een systeem met actieve besturing het extra verkeer simpelweg detecteren en de fasering dienovereenkomstig aanpassen. Dit geldt ook voor speciale evenementen (zoals concerten en sportwedstrijden) of seizoensgebonden veranderingen in toeristische bestemmingen. Daarnaast voorkomt dit systeem dat je onnodig lang bij een rood licht staat als er in de andere richting niemand oversteekt. Tot slot kan actieve besturing prioriteit geven aan hulpdiensten en openbaar vervoer door gebruik te maken van gespecialiseerde detectoren, zoals infrarood- of akoestische sensoren.

Coördinatie van verkeerslichten

Hoewel actieve besturing geavanceerd is, behandelt het elk kruispunt nog steeds als een geïsoleerde entiteit. In werkelijkheid is elk signaal onderdeel van een groter verkeersnetwerk. De interactie tussen componenten kan een grote impact hebben. Een klassiek voorbeeld zijn twee signalen die vlak achter elkaar op een hoofdweg staan. Als het eerste signaal groen geeft maar het volgende niet, kunnen auto's terugstaan. Als de file lang genoeg is, kunnen voertuigen meerdere cycli missen bij het eerste kruispunt omdat ze niet door kunnen rijden tot het volgende licht open gaat.

Een oplossing hiervoor is signal coordination (signaalcoördinatie). Hierbij houden lichten niet alleen rekening met het verkeer bij hun eigen kruispunt, maar ook met de status van nabijgelegen signalen. Dit is een zeer gebruikelijke configuratie op lange corridors met relatief kleine, maar frequente zijstraten. De lichten op de hoofdweg worden zo getimed dat een grote groep voertuigen — door verkeerskundigen een "platoon" genoemd — de hele corridor zonder onderbreking kan passeren. Deze coördinatie kan de doorvoer aanzienlijk verhogen, maar werkt alleen op weggedeeltes zonder andere verstoringen, zoals opritten en bedrijven. Als het platoon uit elkaar valt, gaan de voordelen van coördinatie grotendeels verloren.

Adaptieve systemen (ASCT)

De volgende stap in efficiëntie is de coördinatie van de meeste of alle signalen binnen een verkeersnetwerk. Dit is de taak van Adaptive Signal Control Technologies (ASCT). In adaptieve systemen wordt alle informatie van de detectoren naar een centraal systeem gestuurd. Dit systeem maakt gebruik van geavanceerde algoritmen, zoals machine learning, om de verkeersstroom in de hele stad te optimaliseren.

Deze systemen kunnen congestie drastisch verminderen, maar worden pas recentelijk geïmplementeerd in grote stedelijke gebieden. Naarmate sensoren alomtegenwoordig worden en de rekenkracht toeneemt, zou verkeersbeheer kunnen verschuiven van civiele ingenieurs naar softwareontwikkelaars en datawetenschappers. Dit betekent echter ook dat ASCT-systemen kwetsbaarder kunnen zijn voor beveiligingsdreigingen, een angstaanjagende gedachte als ze de signalen van een hele stad beheren.

De toekomst van verkeersbeheer

Aan de tegenovergestelde kant van centralisatie geloven velen dat zelfrijdende auto's de volgende revolutie zijn. Als elk voertuig zou kunnen communiceren en coördineren met elk ander voertuig op de weg, zou onderbroken verkeersbeheer uiteindelijk tot het verleden kunnen behoren.

Maar het is raadzaam om de verwachtingen niet te hoog op te schroeven. In dichtbevolkte stedelijke gebieden is verkeerscongestie vaak zelflimiterend. Vooral tijdens de spits is er voor elke persoon die op de weg zit, een veel groter aantal mensen dat op het werk of thuis is en wacht tot de file is opgelost voordat ze vertrekken. Deze "latente vraag" betekent dat elke toename in capaciteit snel wordt opgevuld met meer verkeer, waardoor de congestie terugkeert naar hetzelfde niveau als voorheen. Hoe we het nu of in de toekomst ook aanpakken, verkeer zal een van de grootste uitdagingen in onze stedelijke gebieden blijven en verkeerslichten zullen een van de oplossingen blijven.