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關(guān)于交通信號(hào)控制的背景,金盛解釋?zhuān)煌ㄐ盘?hào)控制一直是民生關(guān)注的熱點(diǎn),信號(hào)燈與我們的生活息息相關(guān),因此交通管理部門(mén)在信號(hào)控制領(lǐng)域做了很多創(chuàng)新,包括設(shè)計(jì)各式各樣交通信號(hào)燈和各種千變?nèi)f化的交通控制手段,如公交車(chē)上的紅綠燈、公路上的綠波燈、可變車(chē)道和綜合待行區(qū)等。
這些交通控制方式存在各種爭(zhēng)議,需要從交通信號(hào)控制的基本原理出發(fā)來(lái)分析各種交通控制措施的影響。
交通信號(hào)控制的基本原理:首先從目標(biāo)來(lái)說(shuō),信號(hào)控制的核心目標(biāo)是希望各種各樣和各個(gè)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(shí)間上分離車(chē)輛行駛過(guò)程中產(chǎn)生的交通沖突。因?yàn)榻徊婵谙嘟坏缆泛诵氖菦_突,所以它的核心作用其實(shí)是分離沖突,使其在不同時(shí)間通過(guò)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(hào)產(chǎn)生影響,連續(xù)流就變成了間斷流,間斷流下就會(huì)產(chǎn)生排隊(duì)從而發(fā)生延誤,影響通行效率。
最后是核心,交通信號(hào)控制最重要的核心是在通行權(quán)切換的過(guò)程,即一股交通流的通行權(quán)切換到另一股交通流當(dāng)中,帶來(lái)的安全隱患和時(shí)間損失。而本次報(bào)告討論的核心內(nèi)容就是在安全隱患和損失時(shí)間之間找到平衡。
下圖描述了綠燈期間車(chē)輛在停車(chē)線(xiàn)的釋放規(guī)律。整個(gè)信號(hào)控制中最核心的是當(dāng)綠燈亮起時(shí),車(chē)輛由最開(kāi)始的通過(guò)停車(chē)線(xiàn)的0釋放流率緩慢上升,至有效綠燈時(shí)飽和流率上升到最高值,而后在綠燈快結(jié)束時(shí),慢慢下降,最后通過(guò)停車(chē)線(xiàn)的流率變成了0。
這張圖描述了信號(hào)影響下的車(chē)流釋放的特性,該特性分為四個(gè)階段:首先是車(chē)輛啟動(dòng)的過(guò)程,駕駛?cè)丝吹郊t燈變成綠燈,會(huì)有一個(gè)反應(yīng)時(shí)間,在這個(gè)反應(yīng)時(shí)間之后,駕駛?cè)藭?huì)踩油門(mén),開(kāi)始通過(guò)停車(chē)線(xiàn)。
然后達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài),這個(gè)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(kāi)始釋放,這也是釋放的能力最大的一種狀態(tài)。
第三是信號(hào)阻滯作用,由于受到信號(hào)的影響,綠燈紅燈的切換就會(huì)對(duì)車(chē)輛產(chǎn)生停車(chē)和延誤,這個(gè)過(guò)程帶來(lái)的是效率的損失。
最后是沖突相位切換,當(dāng)本方向的綠燈結(jié)束,到?jīng)_突方向的綠燈亮起過(guò)程中,會(huì)有一個(gè)轉(zhuǎn)換的過(guò)程,此時(shí)核心是確保兩股交通流的安全。
1、車(chē)輛啟動(dòng)過(guò)程
車(chē)輛啟動(dòng)時(shí),第一輛車(chē)通過(guò)停車(chē)線(xiàn)時(shí),車(chē)頭時(shí)距較大,然后慢慢減少,直到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),一般認(rèn)為第五輛車(chē)或者第五輛車(chē)左右才達(dá)到較為穩(wěn)定或飽和的車(chē)頭時(shí)距,主要跟駕駛員行為有關(guān)。
車(chē)輛啟動(dòng)階段,駕駛員觀察到紅燈轉(zhuǎn)變?yōu)榫G燈后啟動(dòng)車(chē)輛通過(guò)停車(chē)線(xiàn),這個(gè)過(guò)程中駕駛員的反應(yīng)時(shí)間、車(chē)輛性能、控制措施等都會(huì)對(duì)駕駛員啟動(dòng)的損失時(shí)間產(chǎn)生影響。
和啟動(dòng)損失相關(guān)的關(guān)鍵因素有:倒計(jì)時(shí)(紅黃同亮)、待行區(qū)、車(chē)輛類(lèi)型(電動(dòng)車(chē)、卡車(chē)) 、大車(chē)遮擋和使用手機(jī)。
倒計(jì)時(shí)可能會(huì)減少反應(yīng)時(shí)間,但會(huì)帶來(lái)安全問(wèn)題等;對(duì)于待行區(qū),當(dāng)車(chē)輛提前進(jìn)入待行區(qū)內(nèi),會(huì)影響反應(yīng)時(shí)間;
對(duì)于車(chē)輛類(lèi)型,如電動(dòng)車(chē)的啟動(dòng)的過(guò)程跟傳統(tǒng)的燃油車(chē)不一致,啟動(dòng)效率更高些,但如果第一輛車(chē)是卡車(chē)或是公交車(chē),啟動(dòng)效率會(huì)大幅降低;此外由于大車(chē)遮擋,影響后面車(chē)輛視線(xiàn);
最后是智能手機(jī),車(chē)主在等待過(guò)程中使用智能手機(jī)也會(huì)造成啟動(dòng)損失。
針對(duì)使用手機(jī),對(duì)杭州市五個(gè)交叉口2500余駕駛員的大規(guī)模視頻調(diào)查,分析智能手機(jī)使用對(duì)停車(chē)線(xiàn)前車(chē)輛啟動(dòng)過(guò)程的影響。由結(jié)果可知,停車(chē)線(xiàn)前三輛車(chē)中有36.7%的駕駛員在等紅燈期間使用手機(jī)。
最后根據(jù)調(diào)查結(jié)果得出結(jié)論:
①有紅燈倒計(jì)時(shí)的情況,使用手機(jī)概率增加46%;
②紅燈時(shí)間越長(zhǎng),駕駛員使用手機(jī)的概率越高;
③車(chē)內(nèi)無(wú)同乘者的駕駛員使用手機(jī)概率增加2-3倍;
④私家車(chē)、出租車(chē)使用手機(jī)概率比公交車(chē)高10-50倍;
⑤性別、年齡、車(chē)隊(duì)中位置等因素對(duì)使用手機(jī)概率沒(méi)有顯著影響;
⑥紅燈期間使用手機(jī)使得頭車(chē)啟動(dòng)損失時(shí)間從2.8秒增加到4.8-5.7秒;
⑦平均車(chē)頭時(shí)距從2.84秒增加到3.30秒,相當(dāng)于通行能力損失14%。
2、穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)
綠燈期間車(chē)流穩(wěn)定運(yùn)行最大值即是該車(chē)道的飽和流率,是評(píng)價(jià)交叉口進(jìn)口導(dǎo)向車(chē)道供給能力的最重要參數(shù)。信號(hào)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(chē)道寬度、車(chē)道類(lèi)型、大車(chē)比例、非機(jī)動(dòng)車(chē)/行人影響、不完全進(jìn)口車(chē)道和可變車(chē)道等。
飽和流率描述了交叉口綠燈期間車(chē)隊(duì)釋放特性,是進(jìn)行信號(hào)配時(shí)參數(shù)優(yōu)化 與交叉口通行能力計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)。在HCM2000中,車(chē)道組的飽和流率計(jì)算公式如下:
S車(chē)道組實(shí)際飽和流率;每條車(chē)道基本飽和流率;N車(chē)道數(shù);飽和流率的調(diào)整系數(shù)。
對(duì)于公式的解釋?zhuān)鹗⒈砻鳎涸撚?jì)算公式較為復(fù)雜,為基本飽和流率乘以10個(gè)系數(shù),國(guó)外對(duì)飽和流率的研究持續(xù)了很多年,公式中的10個(gè)系數(shù)分別列了計(jì)算公式,以及詳細(xì)的相關(guān)計(jì)算方法(見(jiàn)下二表),參數(shù)十分精細(xì)化,故而能更好的指導(dǎo)信號(hào)分析,但這一塊在我們國(guó)家相對(duì)來(lái)說(shuō)較為薄弱。
(1)不完整進(jìn)口道的飽和流率
對(duì)于不完整進(jìn)口道的問(wèn)題,因有部分進(jìn)口道不完整,左轉(zhuǎn)有可能被直行車(chē)輛遮擋,直行有可能被左轉(zhuǎn)車(chē)輛遮擋,還有路段兩車(chē)道變成三車(chē)道,在綠燈的初期是三條車(chē)道釋放,但是到后期變成兩條車(chē)道,這就導(dǎo)致飽和流率有一個(gè)大幅的下降,即不完整進(jìn)口道導(dǎo)致的飽和流率下降。
這也就給我們一個(gè)啟示,當(dāng)綠燈時(shí)間過(guò)長(zhǎng),通行效率會(huì)顯著降低,如何考慮這個(gè)因素去更好的做信號(hào)優(yōu)化,是一個(gè)較為復(fù)雜的問(wèn)題。
通過(guò)分析左轉(zhuǎn)拓寬車(chē)道對(duì)飽和流率及信號(hào)的影響,對(duì)比左邊兩張圖發(fā)現(xiàn),這是典型的直行車(chē)輛擋左轉(zhuǎn)車(chē)輛和左轉(zhuǎn)車(chē)輛擋直行車(chē)輛,兩種情況下通行能力的計(jì)算可能都是不一樣。
(2)可變導(dǎo)向車(chē)道
可變車(chē)道會(huì)導(dǎo)致駕駛負(fù)荷的增加,車(chē)主從開(kāi)始進(jìn)入看到可變車(chē)道標(biāo)志到選擇車(chē)道,由于可能會(huì)選錯(cuò)車(chē)道,使得可變車(chē)道的通行能力反而降低。
分析杭州大量的數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)與相鄰固定車(chē)道相比,可變車(chē)道的流量會(huì)減少20-30%;與固定式的車(chē)道相比,存在可變車(chē)道的進(jìn)口道流量減少14%左右。
因此不是任何時(shí)候設(shè)置可變車(chē)道都是合適的,要進(jìn)行評(píng)估之后再確定,而且因?yàn)榭勺冘?chē)道對(duì)駕駛員的駕駛負(fù)荷產(chǎn)生很大影響,一方面是效率降低,另外一方面會(huì)存在很多安全隱患。
(3)非機(jī)動(dòng)車(chē)道通行能力
穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)還包括非機(jī)動(dòng)車(chē),我國(guó)電動(dòng)自行車(chē)保有量從2004年的1000萬(wàn)輛增加到2022年的4億輛,電動(dòng)自行車(chē)已經(jīng)成為許多城市重要的出行方式之一,接近甚至超過(guò)了小汽車(chē)出行比例。
根據(jù)杭州市11個(gè)從2米到4.6米的不同車(chē)道寬度的數(shù)據(jù)采集結(jié)果表明,混合自行車(chē)的通行能力達(dá)到了2500 bike/h/m,如按機(jī)動(dòng)車(chē)3.5米算,非機(jī)動(dòng)車(chē)道的通行能力差不多是機(jī)動(dòng)車(chē)的5倍。非機(jī)動(dòng)車(chē)道具有較好的通行能力,但其空間和時(shí)間資源十分有限。
3、信號(hào)阻滯作用
信號(hào)阻滯作用即孤立信號(hào)控制與協(xié)調(diào)控制的延誤。有了信號(hào)控制之后,會(huì)對(duì)車(chē)輛的延誤產(chǎn)生復(fù)雜的影響,一般認(rèn)為一個(gè)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(chē)輛是離散的。需要通過(guò)分析協(xié)調(diào)控制的延誤或者行程時(shí)間的變化,來(lái)更好的指導(dǎo)信號(hào)協(xié)調(diào)控制。
4、沖突相位切換——黃燈時(shí)間
黃燈時(shí)間(A) 理論上是信號(hào)由綠燈變?yōu)榧t燈的過(guò)渡時(shí)間,表示警示作用。這是基本的語(yǔ)言的描述,對(duì)于黃燈時(shí)間的存在有三個(gè)問(wèn)題:黃燈時(shí)間到底有什么作用?黃燈時(shí)間到底能不能闖(通行)?黃燈應(yīng)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(duì)黃燈時(shí)間還是存在誤解。在法律上對(duì)黃燈時(shí)間的解釋有:
《中華人民共和國(guó)道路交通安全法》(2004年實(shí)施),第三章道路通行條件第二十六條:交通信號(hào)燈由紅燈、綠燈、黃燈組成。紅燈表示禁止通行,綠燈表示準(zhǔn)許通行,黃燈表示警示。
《中華人民共和國(guó)道路交通安全法實(shí)施條例》第三十八條:機(jī)動(dòng)車(chē)信號(hào)燈和非機(jī)動(dòng)車(chē)信號(hào)燈表示:
(一)綠燈亮?xí)r,準(zhǔn)許車(chē)輛通行,但轉(zhuǎn)彎的車(chē)輛不得妨礙被放行的直行車(chē)輛、行人通行;
(二)黃燈亮?xí)r,已越過(guò)停止線(xiàn)的車(chē)輛可以繼續(xù)通行;
(三)紅燈亮?xí)r,禁止車(chē)輛通行。
在未設(shè)置非機(jī)動(dòng)車(chē)信號(hào)燈和人行橫道信號(hào)燈的路口,非機(jī)動(dòng)車(chē)和行人應(yīng)當(dāng)按照機(jī)動(dòng)車(chē)信號(hào)燈的表示通行。
綜上,根據(jù)法律規(guī)定,黃燈亮起時(shí)駕駛員可以通過(guò)。對(duì)駕駛員看到綠燈變黃燈時(shí)的行為進(jìn)行建模,存在兩種基本選擇:(1)減速制動(dòng)停車(chē);(2)保持正常速度通過(guò)。并假設(shè):駕駛員集中注意駕駛、信號(hào)燈沒(méi)有倒計(jì)時(shí)或綠閃、不存在其他干擾因素。
對(duì)于第一種情況,駕駛員作出減速制動(dòng)決策,在這樣情況下,駕駛員在路上行駛,看到變黃燈之后開(kāi)始猶豫,往前走一段,然后開(kāi)始減速停車(chē),在停車(chē)線(xiàn)前停下來(lái),正好變成紅燈。此時(shí)駕駛員停車(chē)距離為:
見(jiàn)下圖,如果在曲線(xiàn)的上方,表示實(shí)際距停車(chē)線(xiàn)的距離比制動(dòng)停車(chē)的距離要大,說(shuō)明車(chē)輛減速制動(dòng)是正確的,在曲線(xiàn)下方減速制動(dòng)的決策是錯(cuò)誤的。
對(duì)于第二種情況,駕駛員作出通過(guò)停車(chē)線(xiàn)決策,駕駛員看到黃燈后要通過(guò)停車(chē)線(xiàn),故保持正常的速度,在黃燈變紅之前通過(guò)了停車(chē)線(xiàn),因此它通過(guò)的距離就等于速度乘以黃燈時(shí)間。