金盛：信号控制中的几个交通工程问题

关于交通信号控制的背景，金盛解释，交通信号控制一直是民生关注的热点，信号灯与我们的生活息息相关，因此交通管理部门在信号控制领域做了很多创新，包括设计各式各样交通信号灯和各种千变万化的交通控制手段，如公交车上的红绿灯、公路上的绿波灯、可变车道和综合待行区等。

这些交通控制方式存在各种争议，需要从交通信号控制的基本原理出发来分析各种交通控制措施的影响。

交通信号控制的基本原理：首先从目标来说，信号控制的核心目标是希望各种各样和各个方向的交通流能够有序高效的通行。

其次，它的核心作用是在时间上分离车辆行驶过程中产生的交通冲突。因为交叉口相交道路核心是冲突，所以它的核心作用其实是分离冲突，使其在不同时间通过冲突区域，以确保交通安全，提升通行效率。

第三是影响，传统早期交通通行是一种连续流，如高速公路快速路连续流，而由于信号产生影响，连续流就变成了间断流，间断流下就会产生排队从而发生延误，影响通行效率。

最后是核心，交通信号控制最重要的核心是在通行权切换的过程，即一股交通流的通行权切换到另一股交通流当中，带来的安全隐患和时间损失。而本次报告讨论的核心内容就是在安全隐患和损失时间之间找到平衡。

下图描述了绿灯期间车辆在停车线的释放规律。整个信号控制中最核心的是当绿灯亮起时，车辆由最开始的通过停车线的0释放流率缓慢上升，至有效绿灯时饱和流率上升到最高值，而后在绿灯快结束时，慢慢下降，最后通过停车线的流率变成了0。

这张图描述了信号影响下的车流释放的特性，该特性分为四个阶段：首先是车辆启动的过程，驾驶人看到红灯变成绿灯，会有一个反应时间，在这个反应时间之后，驾驶人会踩油门，开始通过停车线。

然后达到稳定运行状态，这个状态是交通控制所追求的一种状态，即在绿灯期间以饱和流率开始释放，这也是释放的能力最大的一种状态。

第三是信号阻滞作用，由于受到信号的影响，绿灯红灯的切换就会对车辆产生停车和延误，这个过程带来的是效率的损失。

最后是冲突相位切换，当本方向的绿灯结束，到冲突方向的绿灯亮起过程中，会有一个转换的过程，此时核心是确保两股交通流的安全。

1、车辆启动过程

车辆启动时，第一辆车通过停车线时，车头时距较大，然后慢慢减少，直到一个相对稳定的状态，一般认为第五辆车或者第五辆车左右才达到较为稳定或饱和的车头时距，主要跟驾驶员行为有关。

车辆启动阶段，驾驶员观察到红灯转变为绿灯后启动车辆通过停车线，这个过程中驾驶员的反应时间、车辆性能、控制措施等都会对驾驶员启动的损失时间产生影响。

和启动损失相关的关键因素有：倒计时（红黄同亮）、待行区、车辆类型（电动车、卡车） 、大车遮挡和使用手机。

倒计时可能会减少反应时间，但会带来安全问题等；对于待行区，当车辆提前进入待行区内，会影响反应时间；

对于车辆类型，如电动车的启动的过程跟传统的燃油车不一致，启动效率更高些，但如果第一辆车是卡车或是公交车，启动效率会大幅降低；此外由于大车遮挡，影响后面车辆视线；

最后是智能手机，车主在等待过程中使用智能手机也会造成启动损失。

针对使用手机，对杭州市五个交叉口2500余驾驶员的大规模视频调查，分析智能手机使用对停车线前车辆启动过程的影响。由结果可知，停车线前三辆车中有36.7%的驾驶员在等红灯期间使用手机。

最后根据调查结果得出结论：

    ①有红灯倒计时的情况，使用手机概率增加46%；

    ②红灯时间越长，驾驶员使用手机的概率越高；

    ③车内无同乘者的驾驶员使用手机概率增加2-3倍；

    ④私家车、出租车使用手机概率比公交车高10-50倍；

    ⑤性别、年龄、车队中位置等因素对使用手机概率没有显著影响；

    ⑥红灯期间使用手机使得头车启动损失时间从2.8秒增加到4.8-5.7秒；

    ⑦平均车头时距从2.84秒增加到3.30秒，相当于通行能力损失14%。

2、稳定运行状态

绿灯期间车流稳定运行最大值即是该车道的饱和流率，是评价交叉口进口导向车道供给能力的最重要参数。信号控制中希望提高饱和流率，但饱和流率受到多种因素的影响，如车道宽度、车道类型、大车比例、非机动车/行人影响、不完全进口车道和可变车道等。

饱和流率描述了交叉口绿灯期间车队释放特性，是进行信号配时参数优化 与交叉口通行能力计算的关键参数。在HCM2000中，车道组的饱和流率计算公式如下：

S车道组实际饱和流率；每条车道基本饱和流率；N车道数；饱和流率的调整系数。

对于公式的解释，金盛表明：该计算公式较为复杂，为基本饱和流率乘以10个系数，国外对饱和流率的研究持续了很多年，公式中的10个系数分别列了计算公式，以及详细的相关计算方法（见下二表），参数十分精细化，故而能更好的指导信号分析，但这一块在我们国家相对来说较为薄弱。

（1）不完整进口道的饱和流率

对于不完整进口道的问题，因有部分进口道不完整，左转有可能被直行车辆遮挡，直行有可能被左转车辆遮挡，还有路段两车道变成三车道，在绿灯的初期是三条车道释放，但是到后期变成两条车道，这就导致饱和流率有一个大幅的下降，即不完整进口道导致的饱和流率下降。

这也就给我们一个启示，当绿灯时间过长，通行效率会显著降低，如何考虑这个因素去更好的做信号优化，是一个较为复杂的问题。

通过分析左转拓宽车道对饱和流率及信号的影响，对比左边两张图发现，这是典型的直行车辆挡左转车辆和左转车辆挡直行车辆，两种情况下通行能力的计算可能都是不一样。

（2）可变导向车道

可变车道会导致驾驶负荷的增加，车主从开始进入看到可变车道标志到选择车道，由于可能会选错车道，使得可变车道的通行能力反而降低。

分析杭州大量的数据，统计发现与相邻固定车道相比，可变车道的流量会减少20-30%；与固定式的车道相比，存在可变车道的进口道流量减少14%左右。

因此不是任何时候设置可变车道都是合适的，要进行评估之后再确定，而且因为可变车道对驾驶员的驾驶负荷产生很大影响，一方面是效率降低，另外一方面会存在很多安全隐患。

（3）非机动车道通行能力

稳定运行状态还包括非机动车，我国电动自行车保有量从2004年的1000万辆增加到2022年的4亿辆，电动自行车已经成为许多城市重要的出行方式之一，接近甚至超过了小汽车出行比例。

根据杭州市11个从2米到4.6米的不同车道宽度的数据采集结果表明，混合自行车的通行能力达到了2500 bike/h/m，如按机动车3.5米算，非机动车道的通行能力差不多是机动车的5倍。非机动车道具有较好的通行能力，但其空间和时间资源十分有限。

3、信号阻滞作用

信号阻滞作用即孤立信号控制与协调控制的延误。有了信号控制之后，会对车辆的延误产生复杂的影响，一般认为一个孤立交叉口，即单交叉口的延误是均衡的，而协调控制车辆是离散的。需要通过分析协调控制的延误或者行程时间的变化，来更好的指导信号协调控制。

4、冲突相位切换——黄灯时间

黄灯时间(A) 理论上是信号由绿灯变为红灯的过渡时间，表示警示作用。这是基本的语言的描述，对于黄灯时间的存在有三个问题：黄灯时间到底有什么作用？黄灯时间到底能不能闯（通行）？黄灯应该几秒？

目前大部分的交通管理者，或者是很多从事交通工程或者同是智能交通的人，可能对黄灯时间还是存在误解。在法律上对黄灯时间的解释有：

• 《中华人民共和国道路交通安全法》(2004年实施)，第三章道路通行条件第二十六条：交通信号灯由红灯、绿灯、黄灯组成。红灯表示禁止通行，绿灯表示准许通行，黄灯表示警示。

• 《中华人民共和国道路交通安全法实施条例》第三十八条：机动车信号灯和非机动车信号灯表示：

    (一)绿灯亮时，准许车辆通行，但转弯的车辆不得妨碍被放行的直行车辆、行人通行;

    (二)黄灯亮时，已越过停止线的车辆可以继续通行；

    (三)红灯亮时，禁止车辆通行。

在未设置非机动车信号灯和人行横道信号灯的路口，非机动车和行人应当按照机动车信号灯的表示通行。

综上，根据法律规定，黄灯亮起时驾驶员可以通过。对驾驶员看到绿灯变黄灯时的行为进行建模，存在两种基本选择：(1)减速制动停车；(2)保持正常速度通过。并假设：驾驶员集中注意驾驶、信号灯没有倒计时或绿闪、不存在其他干扰因素。

对于第一种情况，驾驶员作出减速制动决策，在这样情况下，驾驶员在路上行驶，看到变黄灯之后开始犹豫，往前走一段，然后开始减速停车，在停车线前停下来，正好变成红灯。此时驾驶员停车距离为：

见下图，如果在曲线的上方，表示实际距停车线的距离比制动停车的距离要大，说明车辆减速制动是正确的，在曲线下方减速制动的决策是错误的。

对于第二种情况，驾驶员作出通过停车线决策，驾驶员看到黄灯后要通过停车线，故保持正常的速度，在黄灯变红之前通过了停车线，因此它通过的距离就等于速度乘以黄灯时间。