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。