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金盛：信號控制中的幾個交通工程問題
2022年12月，在賽文交通網(wǎng)主辦、智慧交通浙江省工程研究中心、浙江大學智能交通研究所協(xié)辦的“數(shù)智交通管理跨年分享會”中，浙江大學智能交通所副所長、智能交通浙江省工程研究中心專家金盛作了關于《信號控制中的幾個交通工程問題》的報告。
該報告在當前交通信號燈和交通控制手段不斷創(chuàng)新的背景下，詳細闡述了交通信號控制的原理，將交通信號對車流的影響分為車輛啟動過程、穩(wěn)定運行狀態(tài)、信號阻滯作用和沖突相位切換四個方面，并結合實際調(diào)查和理論分析，分別介紹了四個方面中的交通信號的影響，最后總結交通信號控制的相關建議。
該報告在當前交通信號燈和交通控制手段不斷創(chuàng)新的背景下，詳細闡述了交通信號控制的原理，將交通信號對車流的影響分為車輛啟動過程、穩(wěn)定運行狀態(tài)、信號阻滯作用和沖突相位切換四個方面，并結合實際調(diào)查和理論分析，分別介紹了四個方面中的交通信號的影響，最后總結交通信號控制的相關建議。
2023-03-01 15:24:35賽文交通
關于交通信號控制的背景，金盛解釋，交通信號控制一直是民生關注的熱點，信號燈與我們的生活息息相關，因此交通管理部門在信號控制領域做了很多創(chuàng)新，包括設計各式各樣交通信號燈和各種千變?nèi)f化的交通控制手段，如公交車上的紅綠燈、公路上的綠波燈、可變車道和綜合待行區(qū)等。
這些交通控制方式存在各種爭議，需要從交通信號控制的基本原理出發(fā)來分析各種交通控制措施的影響。
交通信號控制的基本原理：首先從目標來說，信號控制的核心目標是希望各種各樣和各個方向的交通流能夠有序高效的通行。
其次，它的核心作用是在時間上分離車輛行駛過程中產(chǎn)生的交通沖突。因為交叉口相交道路核心是沖突，所以它的核心作用其實是分離沖突，使其在不同時間通過沖突區(qū)域，以確保交通安全，提升通行效率。
第三是影響，傳統(tǒng)早期交通通行是一種連續(xù)流，如高速公路快速路連續(xù)流，而由于信號產(chǎn)生影響，連續(xù)流就變成了間斷流，間斷流下就會產(chǎn)生排隊從而發(fā)生延誤，影響通行效率。
最后是核心，交通信號控制最重要的核心是在通行權切換的過程，即一股交通流的通行權切換到另一股交通流當中，帶來的安全隱患和時間損失。而本次報告討論的核心內(nèi)容就是在安全隱患和損失時間之間找到平衡。
下圖描述了綠燈期間車輛在停車線的釋放規(guī)律。整個信號控制中最核心的是當綠燈亮起時，車輛由最開始的通過停車線的0釋放流率緩慢上升，至有效綠燈時飽和流率上升到最高值，而后在綠燈快結束時，慢慢下降，最后通過停車線的流率變成了0。
這張圖描述了信號影響下的車流釋放的特性，該特性分為四個階段：首先是車輛啟動的過程，駕駛人看到紅燈變成綠燈，會有一個反應時間，在這個反應時間之后，駕駛人會踩油門，開始通過停車線。
然后達到穩(wěn)定運行狀態(tài)，這個狀態(tài)是交通控制所追求的一種狀態(tài)，即在綠燈期間以飽和流率開始釋放，這也是釋放的能力最大的一種狀態(tài)。
第三是信號阻滯作用，由于受到信號的影響，綠燈紅燈的切換就會對車輛產(chǎn)生停車和延誤，這個過程帶來的是效率的損失。
最后是沖突相位切換，當本方向的綠燈結束，到?jīng)_突方向的綠燈亮起過程中，會有一個轉換的過程，此時核心是確保兩股交通流的安全。
1、車輛啟動過程
車輛啟動時，第一輛車通過停車線時，車頭時距較大，然后慢慢減少，直到一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，一般認為第五輛車或者第五輛車左右才達到較為穩(wěn)定或飽和的車頭時距，主要跟駕駛員行為有關。
車輛啟動階段，駕駛員觀察到紅燈轉變?yōu)榫G燈后啟動車輛通過停車線，這個過程中駕駛員的反應時間、車輛性能、控制措施等都會對駕駛員啟動的損失時間產(chǎn)生影響。
和啟動損失相關的關鍵因素有：倒計時（紅黃同亮）、待行區(qū)、車輛類型（電動車、卡車） 、大車遮擋和使用手機。
倒計時可能會減少反應時間，但會帶來安全問題等；對于待行區(qū)，當車輛提前進入待行區(qū)內(nèi)，會影響反應時間；
對于車輛類型，如電動車的啟動的過程跟傳統(tǒng)的燃油車不一致，啟動效率更高些，但如果第一輛車是卡車或是公交車，啟動效率會大幅降低；此外由于大車遮擋，影響后面車輛視線；
最后是智能手機，車主在等待過程中使用智能手機也會造成啟動損失。
針對使用手機，對杭州市五個交叉口2500余駕駛員的大規(guī)模視頻調(diào)查，分析智能手機使用對停車線前車輛啟動過程的影響。由結果可知，停車線前三輛車中有36.7%的駕駛員在等紅燈期間使用手機。
最后根據(jù)調(diào)查結果得出結論：
①有紅燈倒計時的情況，使用手機概率增加46%；
②紅燈時間越長，駕駛員使用手機的概率越高；
③車內(nèi)無同乘者的駕駛員使用手機概率增加2-3倍；
④私家車、出租車使用手機概率比公交車高10-50倍；
⑤性別、年齡、車隊中位置等因素對使用手機概率沒有顯著影響；
⑥紅燈期間使用手機使得頭車啟動損失時間從2.8秒增加到4.8-5.7秒；
⑦平均車頭時距從2.84秒增加到3.30秒，相當于通行能力損失14%。
2、穩(wěn)定運行狀態(tài)
綠燈期間車流穩(wěn)定運行最大值即是該車道的飽和流率，是評價交叉口進口導向車道供給能力的最重要參數(shù)。信號控制中希望提高飽和流率，但飽和流率受到多種因素的影響，如車道寬度、車道類型、大車比例、非機動車/行人影響、不完全進口車道和可變車道等。
飽和流率描述了交叉口綠燈期間車隊釋放特性，是進行信號配時參數(shù)優(yōu)化 與交叉口通行能力計算的關鍵參數(shù)。在HCM2000中，車道組的飽和流率計算公式如下：
S車道組實際飽和流率；每條車道基本飽和流率；N車道數(shù)；飽和流率的調(diào)整系數(shù)。
對于公式的解釋，金盛表明：該計算公式較為復雜，為基本飽和流率乘以10個系數(shù)，國外對飽和流率的研究持續(xù)了很多年，公式中的10個系數(shù)分別列了計算公式，以及詳細的相關計算方法（見下二表），參數(shù)十分精細化，故而能更好的指導信號分析，但這一塊在我們國家相對來說較為薄弱。
（1）不完整進口道的飽和流率
對于不完整進口道的問題，因有部分進口道不完整，左轉有可能被直行車輛遮擋，直行有可能被左轉車輛遮擋，還有路段兩車道變成三車道，在綠燈的初期是三條車道釋放，但是到后期變成兩條車道，這就導致飽和流率有一個大幅的下降，即不完整進口道導致的飽和流率下降。
這也就給我們一個啟示，當綠燈時間過長，通行效率會顯著降低，如何考慮這個因素去更好的做信號優(yōu)化，是一個較為復雜的問題。
通過分析左轉拓寬車道對飽和流率及信號的影響，對比左邊兩張圖發(fā)現(xiàn)，這是典型的直行車輛擋左轉車輛和左轉車輛擋直行車輛，兩種情況下通行能力的計算可能都是不一樣。
（2）可變導向車道
可變車道會導致駕駛負荷的增加，車主從開始進入看到可變車道標志到選擇車道，由于可能會選錯車道，使得可變車道的通行能力反而降低。
分析杭州大量的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)與相鄰固定車道相比，可變車道的流量會減少20-30%；與固定式的車道相比，存在可變車道的進口道流量減少14%左右。
因此不是任何時候設置可變車道都是合適的，要進行評估之后再確定，而且因為可變車道對駕駛員的駕駛負荷產(chǎn)生很大影響，一方面是效率降低，另外一方面會存在很多安全隱患。
（3）非機動車道通行能力
穩(wěn)定運行狀態(tài)還包括非機動車，我國電動自行車保有量從2004年的1000萬輛增加到2022年的4億輛，電動自行車已經(jīng)成為許多城市重要的出行方式之一，接近甚至超過了小汽車出行比例。
根據(jù)杭州市11個從2米到4.6米的不同車道寬度的數(shù)據(jù)采集結果表明，混合自行車的通行能力達到了2500 bike/h/m，如按機動車3.5米算，非機動車道的通行能力差不多是機動車的5倍。非機動車道具有較好的通行能力，但其空間和時間資源十分有限。
3、信號阻滯作用
信號阻滯作用即孤立信號控制與協(xié)調(diào)控制的延誤。有了信號控制之后，會對車輛的延誤產(chǎn)生復雜的影響，一般認為一個孤立交叉口，即單交叉口的延誤是均衡的，而協(xié)調(diào)控制車輛是離散的。需要通過分析協(xié)調(diào)控制的延誤或者行程時間的變化，來更好的指導信號協(xié)調(diào)控制。
4、沖突相位切換——黃燈時間
黃燈時間(A) 理論上是信號由綠燈變?yōu)榧t燈的過渡時間，表示警示作用。這是基本的語言的描述，對于黃燈時間的存在有三個問題：黃燈時間到底有什么作用？黃燈時間到底能不能闖（通行）？黃燈應該幾秒？
目前大部分的交通管理者，或者是很多從事交通工程或者同是智能交通的人，可能對黃燈時間還是存在誤解。在法律上對黃燈時間的解釋有：
-
《中華人民共和國道路交通安全法》(2004年實施)，第三章道路通行條件第二十六條：交通信號燈由紅燈、綠燈、黃燈組成。紅燈表示禁止通行，綠燈表示準許通行，黃燈表示警示。
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《中華人民共和國道路交通安全法實施條例》第三十八條：機動車信號燈和非機動車信號燈表示：
(一)綠燈亮時，準許車輛通行，但轉彎的車輛不得妨礙被放行的直行車輛、行人通行;
(二)黃燈亮時，已越過停止線的車輛可以繼續(xù)通行；
(三)紅燈亮時，禁止車輛通行。
在未設置非機動車信號燈和人行橫道信號燈的路口，非機動車和行人應當按照機動車信號燈的表示通行。
綜上，根據(jù)法律規(guī)定，黃燈亮起時駕駛員可以通過。對駕駛員看到綠燈變黃燈時的行為進行建模，存在兩種基本選擇：(1)減速制動停車；(2)保持正常速度通過。并假設：駕駛員集中注意駕駛、信號燈沒有倒計時或綠閃、不存在其他干擾因素。
對于第一種情況，駕駛員作出減速制動決策，在這樣情況下，駕駛員在路上行駛，看到變黃燈之后開始猶豫，往前走一段，然后開始減速停車，在停車線前停下來，正好變成紅燈。此時駕駛員停車距離為：
見下圖，如果在曲線的上方，表示實際距停車線的距離比制動停車的距離要大，說明車輛減速制動是正確的，在曲線下方減速制動的決策是錯誤的。
對于第二種情況，駕駛員作出通過停車線決策，駕駛員看到黃燈后要通過停車線，故保持正常的速度，在黃燈變紅之前通過了停車線，因此它通過的距離就等于速度乘以黃燈時間。
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