倒計時交通信號對交叉口車流特性的影響

許倫輝， 伍　帥， 胡三根

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 廣東 廣州　510640)

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倒計時交通信號對交叉口車流特性的影響

許倫輝， 伍帥， 胡三根

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 廣東 廣州510640)

[摘要]在總結(jié)現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，考慮交叉口信號控制影響駕駛員的駕駛行為，進(jìn)一步研究倒計時交通信號燈對交叉口車流行駛特性的影響。通過實地調(diào)查采集數(shù)據(jù)，分別從時間和空間的角度探究有無倒計時的兩類信號交叉口中地點車速的分布規(guī)律，并加以對比分析。結(jié)果表明在有倒計時信號燈交叉口，車輛通過停車線的平均車速高于無倒計時交叉口，而高速行駛的車輛所占比例卻相對減少，能有效提高交叉口通行效率和安全性。究其原因，是因為在有倒計時信號控制的交叉口，綠燈后期駕駛員會低速行駛至停車線；相反，在無倒計時信號控制交叉口，綠燈后期駕駛員會因存在僥幸通過交叉口的心理，而采取較快速度通過停車線；另外，倒計時信號控制能有效減少綠燈初期平均損失時間，從而可規(guī)范駕駛行為，保證車輛駛離交叉口更傾向平穩(wěn)。

[關(guān)鍵詞]交通安全； 駕駛員行為； 倒計時信號燈； 信號控制交叉口

1概述

倒計時交通信號燈是城市交叉口交通控制系統(tǒng)中常見的設(shè)備之一，是指在交叉口設(shè)置普通信號燈的同時，另外增設(shè)數(shù)碼顯示或光帶顯示的倒計時顯示屏，可隨著交通信號控制器的運行同步顯示當(dāng)前信號相位的剩余時間。其主要功能是為了提示交通參與者提前做好準(zhǔn)備，以便能快速、安全地通過路口。

目前，我國許多城市引進(jìn)了倒計時交通信號燈，但由于倒計時會對駕駛員的心理及駕駛行為產(chǎn)生很大的影響，國內(nèi)外的專家學(xué)者們對于倒計時交通信號燈在交叉口的應(yīng)用效果也是褒貶不一。王巖和楊曉光運用問卷調(diào)查和計算分析方式，研究表明倒計時會誘發(fā)一部分駕駛員在綠燈末尾時加速通過路口，可能引發(fā)重大交通事故，因此需要設(shè)置更長的綠燈間隔時間[1]；李振龍和張劍坤采用數(shù)字圖像處理技術(shù)和數(shù)理統(tǒng)計方法對有無倒計時啟動反應(yīng)時間進(jìn)行對比分析，結(jié)果顯示在有倒計時情況下駕駛員的啟動反應(yīng)時間更快、更集中，說明倒計時裝置可以減少綠燈初期的啟動損失時間[2]；吳文靜、雋志才等人在對交叉口數(shù)據(jù)采集和分析的基礎(chǔ)上，運用Logistic模型建立了倒計時信號交叉口行為決策模型，分析表明倒計時顯示時間對駕駛員的行為決策存在顯著影響[3]；錢紅波和韓皓通過問卷調(diào)現(xiàn)場觀測等方法解析機動車綠燈倒計時信號對駕駛員心理與駕駛行為的影響，得出應(yīng)謹(jǐn)慎使用機動車綠燈倒計時的結(jié)論[4]。而國外學(xué)者，Lum和Harun通過對比分析綠燈倒計時安裝前后駕駛員闖紅燈的行為，結(jié)果表明隨著綠燈倒計時安裝時間的增多，闖紅燈行為先是顯著下降再是有所回升[5]；Ibrahim、Karim等人研究發(fā)現(xiàn)綠燈倒計時有利于駕駛員在紅燈顯示之前安全停車，紅燈倒計時可以減少駕駛員的啟動延誤[6]；Chiou等人研究表明紅燈倒計時可以提高交叉口的安全性，而綠燈倒計時則會增加交叉口交通事件的發(fā)生[7]。

總得來說，上述研究成果都只是從定性的角度分析倒計時交通信號燈對駕駛行為的影響，缺乏定量分析，并且少有學(xué)者從空間和時間兩個角度去探索這個問題。本文從駕駛員的角度出發(fā)，通過現(xiàn)場觀測對有、無倒計時兩類信號控制交叉口表征車流行駛特性的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和定量分析，以研究倒計時信號燈對車行駛特性的影響，從而對此類交通設(shè)施在交叉口的應(yīng)用效果做出客觀評價。

2車流行駛特性數(shù)據(jù)采集

為探究駕駛員在不同信號控制條件下的駕駛行為特性，本文需要對有、無倒計時兩類信控交叉口表征車流行駛特性的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，所需采集的交通參數(shù)主要有地點車速和車頭時距[8]。為了保證調(diào)查數(shù)據(jù)的可用性，需選取道路條件相似，一個安裝倒計時，另一個沒有安裝倒計時的兩個交叉口作為實地觀測地點，并選擇最靠近內(nèi)側(cè)的直行專用進(jìn)口道作為數(shù)據(jù)采集點。這兩個交叉口均具有以下特性：

① 交叉口上游有充足的交通需求量，在紅燈期間車輛排隊等待車輛能達(dá)到一定的數(shù)目；

② 在綠燈放行期間，交叉口下游不存在擁擠或溢流現(xiàn)象，車流能順暢通過交叉口區(qū)域；

③ 紅燈期間排隊車流主要以小型車為主，車道受行人、非機動車側(cè)向干擾很?。?/p>

④ 交叉口地勢平坦，無明顯陡坡，無視距阻礙[9]。

通過調(diào)查和篩選，無倒計時信號交叉口選擇重慶市南岸區(qū)白鶴路和南湖路相交的路口作為研究對象，有倒計時信號交叉口選擇重慶市南岸區(qū)青龍路和回龍路相交的路口作為研究對象。

本文采用雷達(dá)測速法獲取車流行駛車速，為了從時間和空間兩個角度具體而全面的表征車流啟動及行駛特性，應(yīng)增加樣本數(shù)據(jù)，獲取多個地點的點車速，特選擇停車線處、距停車線3、 5、 7、 10、 15、 20、 30 m這8處斷面作為觀測點，高峰時段進(jìn)行觀測，每個觀測點各采集10個周期。由于后期的數(shù)據(jù)處理分析需要，記錄過程中將每個周期的綠燈時長分成綠燈初期(前10 s綠燈時長)、綠燈中期和綠燈后期(末5 s綠燈時長)[10]三段。同時，采用人工測定的方法獲取紅燈期間排隊等待車隊中頭7輛車的車頭時距，選擇停車線處為觀測斷面，在高峰時段利用秒表現(xiàn)場觀測記錄。為了保證數(shù)據(jù)的可比性，以上兩項參數(shù)均按信號周期觀測，綠燈期間受到闖紅燈過街行人或非機動干擾的周期予以作廢。

通過實地調(diào)查，分別在兩個信號控制交叉口大量獲取了車輛經(jīng)過各個觀測點時的有效地點車速，樣本容量見表1，為后期的數(shù)據(jù)分析提供了原始依據(jù)。

表1 樣本容量統(tǒng)計表Table1 Statisticaltableofsamplesize觀測點樣本容量有倒計時信控交叉口/輛無倒計時信控交叉口/輛距停車線30m117119距停車線20m114125距停車線15m121152距停車線10m119145距停車線7m127131距停車線5m122131距停車線3m126136停車線處115119

3車流行駛特性數(shù)據(jù)分析

3.1倒計時對交叉口地點車速的影響分析

通過對停車線的點車速調(diào)查，在有無倒計時信號交叉口分別獲取了115個和119個有效數(shù)據(jù)樣本(由于篇幅有限，樣本數(shù)據(jù)將不列出)，平均地點車速分為為7.84，7.60 m/s，具體分布如表2所示。

表2 車輛通過停車線點速度對比Table2 Contrastofspotspeedwhencrossingthestopline信號交叉口類型速度<5m/s速度5～10m/s速度>10m/s有倒計時7.02%81.58%11.40%無倒計時9.24%65.55%25.21%

由表2可見：有倒計時與無倒計時信號交叉口，車輛到達(dá)停車線的速度均較低，多在5～10 m/s之間；但車速大于10 m/s的車輛，無倒計時信號交叉口的車輛明顯多于有倒計時的。其主要是因為駕駛員在無倒計時提醒下以僥幸心理通過交叉口。接下來分別從時間和空間兩個角度分析交叉口地點車速的分布情況。

3.1.1交叉口進(jìn)口道地點車速的空間分布規(guī)律

駕駛員在進(jìn)入交叉口的過程中，速度會不斷發(fā)生改變，通過比較車輛在不同斷面的速度分布，從空間角度探究車流的行駛特性以分析倒計時信號燈對駕駛員行為的影響。統(tǒng)計兩個交叉口中，車輛在距停車線30、 20、 15、 10、 7、 5、 3、 0 m處時不同綠燈時期的地點車速，尋得其變化規(guī)律。

① 綠燈初期有、無倒計時信號交叉口地點車速變化規(guī)律。

圖1反映的是綠燈初期在有倒計時的信號交叉口，地點車速隨空間位置的變化規(guī)律，進(jìn)口道任意位置均無行駛車速高于10 m/s的車輛，行駛車速在5～10 m/s之間的車輛所占比例均高達(dá)75%以上；而低速行駛車輛所占比例隨著離停車線距離的不斷縮小先逐漸增加，然后保持穩(wěn)定；并且在距停車線10 m以內(nèi)的區(qū)域，車輛地點車速所表示出的規(guī)律幾乎一致，與空間位置沒有較大的關(guān)系。

圖1　綠燈初期有倒計時信號交叉口地點車速隨　空間位置的變化規(guī)律Figure 1　Law of spot speed changing with space position in 　the intersection with countdown display at the early 　of green signal

圖2反映的是綠燈初期在無倒計時的信號交叉口，地點車速隨空間位置的變化規(guī)律，隨著離停車線距離的不斷縮小行駛車速高于10 m/s的車輛所占比例先減后增，但均不高；行駛車速在5～10 m/s之間的車輛所占比例先增后減，且均高達(dá)78%以上；低速行駛車輛所占比例先減后增，兩者都在是距停車線10 m處這一斷面發(fā)生轉(zhuǎn)折。

圖2　綠燈初期無倒計時信號交叉口地點車速隨空間　位置的變化規(guī)律Figure 2　Law of spot speed changing with space position in 　the intersection without countdown display at the 　early of green signal

② 綠燈中期有無倒計時信號交叉口地點車速變化規(guī)律。

圖3反映的是綠燈中期在有倒計時的信號交叉口，地點車速隨空間位置的變化規(guī)律，行駛車速在5～10 m/s之間的車輛所占比例均高達(dá)90%以上；隨著離停車線距離的不斷縮小，行駛車速高于10 m/s的車輛所占比例先減后增；低速行駛車輛所占比例與空間位置仍有較大的關(guān)聯(lián)性，具體表現(xiàn)為在距停車線10 m以外的區(qū)域為0，在距停車線10 m以內(nèi)的區(qū)域有逐漸增加的趨勢。

圖3　綠燈中期有倒計時信號交叉口地點車速隨空間　位置的變化規(guī)律Figure 3　Law of spot speed changing with space position in the 　intersection with countdown display at the middle of 　green signal

圖4反映的是綠燈中期在無倒計時的信號交叉口，地點車速隨空間位置的變化規(guī)律，進(jìn)口道的任意位置低速行駛車輛所占比例均極少；行駛車速高于10 m/s和在5～10 m/s之間的車輛所占比例均比較高，沒有因空間位置的不同產(chǎn)生明顯波動。

圖4　綠燈中期無倒計時信號交叉口地點車速隨空間　位置的變化規(guī)律Figure 4　Law of spot speed changing with space position in the 　intersection without countdown display at the middle 　of green signal

③ 綠燈末期有無倒計時信號交叉口地點車速變化規(guī)律。

圖5反映的是綠燈末期在有倒計時的信號交叉口，地點車速隨空間位置的變化規(guī)律，地點車速會因空間位置的不同而產(chǎn)生明顯的波動，具體表現(xiàn)為隨車距停車線距離的不斷縮小，行駛車速在5～10 m/s之間的車輛所占比例先增后減；高速行駛車輛所占比例先減后增；低速行駛車輛所占比例以距停車線10 m處為分界點，在其以外的區(qū)域保持在5%左右，以內(nèi)的區(qū)域保持12%左右。

圖5　綠燈末期有倒計時信號交叉口地點車速隨空間　位置的變化規(guī)律Figure 5　Law of spot speed changing with space position in 　the intersection with countdown display at the end 　of green signal

圖6反映的是綠燈末期在無倒計時的信號交叉口，地點車速隨空間位置的變化規(guī)律，隨著距停車線距離的不斷縮小，行駛車速在5～10 m/s之間的車輛所占比例先增后減；高速行駛車輛所占比例先減后增；低速行駛車輛只是在距停車線10 m以內(nèi)的區(qū)域才占有極少的比例。

圖6　綠燈末期無倒計時信號交叉口地點車速隨空間　位置的變化規(guī)律Figure 6　Law of spot speed changing with space position in 　the intersection without countdown display at the 　end of green signal

綜上所述，無論信號交叉口有無倒計時，地點車速均會隨空間位置的不同表現(xiàn)出不一樣的變化規(guī)律，但行駛車速在5～10 m/s之間的車輛始終占有相當(dāng)大的比例，此外，相對于無倒計時信號交叉口，車輛在有倒計時交叉口進(jìn)口道的行駛車速表現(xiàn)出更強的規(guī)律性和穩(wěn)定性。因此，為保證車流更加平穩(wěn)有序的通過交叉口，尤其是在車流密集的交叉口，建議采用有倒計時信號燈，避免因交叉口車速大且波動大而帶來的交通安全，以期能提高交叉口內(nèi)部安全性。

3.1.2交叉口進(jìn)口道地點車速的時間分布規(guī)律

駕駛員在信號顯示不同的時期內(nèi)進(jìn)入交叉口，速度會有不一樣的變化規(guī)律，通過比較車輛在同一斷面不同時期的速度分布，從時間角度探究車流的行駛特性以分析倒計時顯示屏對駕駛員行為的影響。統(tǒng)計對比兩個交叉口在距停車線30、 15、 7、 0 m處時地點車速隨時間的變化規(guī)律，將綠燈時長分成綠燈初期(前10 s綠燈時長)、綠燈中期和綠燈后期(末5 s綠燈時長)三段。

① 距停車線30 m處地點車速的時間分布規(guī)律。

由圖7可以看出：隨著綠燈時間的不斷縮短，車輛通過距停車線30 m處這一斷面的地點車速，大于10 m/s車輛數(shù)目所占比例在有倒計時交叉口中逐漸增加，在無倒計時交叉口中逐漸增加且綠燈末期驟增；車速在5～10 m/s之間的車輛所占比例在兩類交叉口中均是逐漸減少，在無倒計時交叉口中減幅較大；低速行駛車輛所占比例在有倒計時交叉口中是先減后增，在無倒計時交叉口中是逐漸減少。

圖7　通過距停車線30 m處的地點車速隨信號時間的　變化規(guī)律Figure 7　Law of spot speed changing with signal time when 　crossing the position of 30 meters away from the 　stop line

② 距停車線15 m處地點車速的時間分布規(guī)律。

由圖8可以看出：隨著綠燈時間的不斷縮短，車輛通過距停車線15 m處這一斷面的地點車速，大于10 m/s車輛所占比例在有倒計時交叉口中綠燈初期和末期均為零，綠燈中期較小，在無倒計時交叉口中逐漸增加；行駛車速在5～10 m/s之間的車輛所占比例在兩類交叉口中均較大，但有倒計時交叉口中有小幅度的逐漸增加，在無倒計時交叉口中逐漸減少且減幅較大；低速行駛車輛所占比例在有倒計時交叉口中先減后增，在無倒計時交叉口中綠燈初期才占有一定比例，在綠燈中期及末期均為0。

圖8　通過距停車線15 m處的地點車速隨信號時間的　變化規(guī)律Figure 8　Law of spot speed changing with signal time when 　crossing the position of 15 meters away from the 　stop line

③ 距停車線7 m處地點車速的時間分布規(guī)律。

由圖9可以看出：隨著綠燈時間的不斷縮短，車輛通過距停車線7 m處這一斷面的地點車速，大于10 m/s車輛所占比例在有倒計時交叉口中綠燈末期有較小的增加，而在無倒計時交叉口逐漸增加，且增幅較大；車速在5～10 m/s之間的車輛所占比例在有倒計時交叉口中先增后減，在無倒計時交叉口中逐漸減少；低速行駛車輛所占比例在有倒計時交叉口中先減后增，在無倒計時信號交叉口中在綠燈初期才占有一定比例。

圖9　通過距停車線7 m處的地點車速隨信號時間的　變化規(guī)律Figure 9　Law of spot speed changing with signal time when 　crossing the position of 7 meters away from the 　stop line

④ 停車線地點車速的時間分布規(guī)律。

由圖10可以看出：隨著綠燈時間的不斷縮短，車輛通過距停車線這一斷面的地點車速，大于10 m/s車輛數(shù)目所占比例在兩類交叉口中均逐漸增加，但無倒計時交叉口增幅更大；車速在5～10 m/s之間的車輛所占比例在兩類交叉口中綠燈前期和中期均較大，綠燈末期也均驟減；低速行駛的車輛所占比例在有倒計時交叉口中先減后增。而在無倒計時交叉口中先減少，然后再保持穩(wěn)定。

圖10　通過停車線的地點車速隨信號時間的變化規(guī)律Figure 10　Law of spot speed changing with signal time 　when crossing the stop line

綜上所述，地點車速均會隨不同的綠燈時期表現(xiàn)出不一樣的變化規(guī)律，綠燈前期駕駛員均傾向于以跟馳狀態(tài)行駛，這一點并不因有無倒計時而改變。但綠燈中期及后期，倒計時顯示屏對車流的影響很大，主要表現(xiàn)為高速行駛車輛的比例明顯低于無倒計時信號交叉口。其原因可能是在無倒計時信號交叉口，由于沒有倒計時的提示，駕駛員或多或少存在僥幸或盲從的心理，因此會采取快速通過停車線這種錯誤的駕駛行為；相反，在有倒計時信號的交叉口，因有倒計時信號的提示，駕駛員能準(zhǔn)確地做出減速或停車的駕駛決策。因此，從保證行車安全的角度出發(fā)，應(yīng)設(shè)置倒計時信號燈，讓駕駛員能預(yù)先知曉綠燈的結(jié)束時間，從而根據(jù)自己的實際情況選擇適當(dāng)?shù)能囁傩旭偂?/p>

3.2倒計時對交叉口車頭時距的影響分析

信號交叉口排隊車輛車頭時距是城市微觀交通分析中一個關(guān)鍵參數(shù)，車頭時距即同一地點相鄰兩車輛經(jīng)過的時間間距，直接反映了駕駛員駕駛行為特性、交叉口通行能力和服務(wù)水平[11]。在純機動車交通流環(huán)境下，由于機動車輛之間以及機動車輛與其他交通參與者之間互相影響較小，交叉口車頭時距相對容易確定。

在實地調(diào)查中，在兩個信號控制交叉口分別采集了20個周期，獲取了大量的樣本數(shù)據(jù)。對于車頭時距的分析，本文只選取了在紅燈期間排隊等待車輛超過7輛，并且都是小汽車的周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，對比數(shù)據(jù)見表3。

表3 車輛通過停車線平均車頭時距對比表Table3 Contrastofmeantimeheadwaywhencrossingthestopline信號交叉口類型項目車輛序號1234567有倒計時平均車頭時距/s2.032.212.252.342.522.012.48方差0.230.160.230.420.460.300.25無倒計時平均車頭時距/s2.922.452.222.412.572.452.57方差0.340.250.360.280.390.370.62

根據(jù)調(diào)查結(jié)果分析得出，在有倒計時顯示屏提醒的條件下，駕駛員可以預(yù)先知曉綠燈啟亮的時間，從而能及時做出決策，進(jìn)入動作操作階段，如此減少了綠燈初期的啟動損失時間，在一定程度上可以提高交叉口的通行能力。與不安裝倒計時進(jìn)行比較，在有倒計時條件下，車輛通過交叉口的平均綠燈初期損失時間約能節(jié)省近2.0 s，并且頭7輛車的平均車頭時距方差也大多小于無倒計時的交叉口，說明倒計時不僅能提醒駕駛員提前做好準(zhǔn)備，還能較好地規(guī)范駕駛員的駕駛行為，驅(qū)使車輛穩(wěn)定地通過交叉口。

4結(jié)論

本文在總結(jié)國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，考慮倒計時信號燈對駕駛員行為的影響，通過實地交叉口車流數(shù)據(jù)的采集與分析，并從時間和空間兩個方面探究交叉口地點車速的分布規(guī)律，從而得到交叉口的倒計時信號燈對車流行駛特許的影響程度及原因。研究結(jié)果表明無論信號交叉口信號燈有無倒計時，地點車速均會因空間位置不同表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，但車輛在有倒計時交叉口進(jìn)口道的行駛車速表現(xiàn)出更強的規(guī)律性和穩(wěn)定性；地點車速也會隨不同的綠燈時期表現(xiàn)出不一樣的變化規(guī)律，綠燈中期及后期在有倒計時交叉口，駕駛員的行為更為保守，在無倒計時信號交叉口駕駛員更傾向保持較高的速度行駛，存在僥幸通過的心理；車頭時距方面，較無倒計時交叉口，在有倒計時條件下，排隊等待的頭7輛車通過交叉口的平均綠燈初期損失時間約能節(jié)省近2.0 s，并且駕駛員會以更加規(guī)范、平穩(wěn)的狀態(tài)駛離交叉口。因此，為提高交叉口車輛通行的安全性和高效性，建設(shè)采用倒計時交通信號燈，這一研究為交通管理部門選用此類交通設(shè)施提供理論依據(jù)，預(yù)防和減少道路交通事故，以及提高道路交通系統(tǒng)的安全性有著重要意義。

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Effects of Signal Countdown on Traffic Flow at Intersection

XU Lunhui， WU Shuai， HU Sangen

(School of Civil Engineering and Transportation， South China University of Technology， Guangzhou， Guangdong 510641， China)

[Abstract]Based on the results of related study at home and abroad，the effects of traffic signal countdown on moving characteristics of traffic flow at intersection were further researched after considering signalized intersection could influence the driver’s behavior.From the angle of time and space，the distribution regularities of spot speed affected by using countdown display and not using countdown display at signalized intersection was compared and analyzed by acquiring data through field investigation in the paper.The research results show that comparing with the intersection without countdown display，the average speed of crossing the stop line is higher in the intersection with countdown display，but the proportion of high speed is relatively reduced，which indicate that the signal countdown is not only good to the traffic efficiency but also to the traffic safety.The reason is that at the end of green signal，the drive behavior is more conservative in the intersection with signal countdown，while drivers tend to keep high speed with fluke mind in the absence of the countdown intersection.What’s more，signal countdown can reduce start-up lost time and unify the drive behavior to ensure the vehicle leave the intersection at a steady speed.

[Key words]traffic safety； drive behavior； countdown display； signalized intersection

[中圖分類號]U 491.5+1

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1674-0610(2016)01-0064-06

[作者簡介]許倫輝(1965-)，男，教授，博導(dǎo)，主要從事智能交通系統(tǒng)理論及應(yīng)用、交通流系統(tǒng)建模與仿真等研究。

[基金項目]國家自然科學(xué)基金資助項目(61263024)

[收稿日期]2014-11-07