行人與自行車交通信號控制與優(yōu)化方法研究

文圖｜張福生

近些年來，隨著綠色、寧靜、慢行交通理念的回歸，行人與自行車對交通信號控制的需求日益顯現(xiàn)，非機動化出行方式與機動車之間安全沖突、信號配時資源競爭等很多問題越來越突出。如何進一步優(yōu)化路口信號設計與配時，在兼顧多場景下的機動化與非機動化出行需求的同時，提供更加安全高效的信號控制服務，顯得尤其重要。本文對我國城市路口行人和自行車交通信號控制現(xiàn)狀進行分析，并提出優(yōu)化設計思路。

一、路口行人交通信號配時分析

明確統(tǒng)一的行人信號語義是開展交通信號設計、工程優(yōu)化、宣傳教育的基礎。與機動車交通信號不同，行人交通信號通常由紅綠兩色組成，需要表達“禁止通行”“允許進入人行橫道”和“人行橫道清空”三種控制狀態(tài)，實踐中通常分別用“行人紅燈”“行人綠燈”“行人綠閃”燈色來表達，作為信號控制輔助信息，部分城市還在行人信號燈具上增設了計時裝置。

行人信號相位可以按需求感應方式啟動，也可以按預配時方案自動啟動。感應模式下，通過行人按鈕或自動檢測裝置感知行人過街需求，信號控制設備在適當時機啟動對應的行人信號；通過設置默認請求的方式實現(xiàn)行人相位自動啟動，被稱為“自動召回”。

行人按鈕上可設置定位音、觸感盲文、震動信號提示等裝置為殘障人士提供更多增值服務以及起到人機信息交互的作用，因此固定配時或“自動召回”、自動行人檢測裝置等都無法完全取代行人按鈕。實踐中，需根據(jù)路口機動車、行人的交通需求特征，平衡各種出行方式的交通量與延誤，對行人需求比較大的路口采用召回模式，交通量較低的路口采用感應模式。

二、路口自行車信號配時分析

傳統(tǒng)的自行車信號通常跟隨機動車信號或行人信號放行，隨著自行車交通需求的增加，越來越多的城市開始增設自行車專用信號。因此，有必要針對自行車交通的特點，對路口自行車的安全清空、延誤、專用檢測裝置等方面給予特殊關注；為騎行者提供更完善的信息服務，提升騎行者信號服從率。

考慮到自行車交通流需要較長的清空時間，當依據(jù)機動車信號通過路口時，相關機動車相位之間的綠間隔時間（尤其是全紅清空時間）需要適當加長；當設置專用自行車相位時，需要單獨給予自行車更長的清空時間，相位綠燈要早于機動車相位結束；對于自行車轉(zhuǎn)向交通流，需要關注路口的通行空間、等候空間、以及視距視區(qū)等因素。

1.自行車左轉(zhuǎn)優(yōu)化

自行車有兩種路口左轉(zhuǎn)方式，一種是通過兩次過街實現(xiàn)左轉(zhuǎn)，另一種是直接左轉(zhuǎn)。當左轉(zhuǎn)交通需求較大時，兩次過街的方式會造成等候區(qū)嚴重擁擠。對此情況，可以通過優(yōu)化信號相位序列提升銜接效率，減少兩次過街中暴露于路口內(nèi)的等待時間。圖3中自行車由A點到C點或由C點到A點可以通過1續(xù)的相位銜接提升服務效率，信號相序的優(yōu)化方法見圖2。

圖1 路口自行車左轉(zhuǎn)

圖2 路口自行車左轉(zhuǎn)相序優(yōu)化

2.自行車信號“綠波”

與機動車信號“綠波”類似，自行車通行也可采用“綠波”信號控制，不同點是需要考慮到自行車運行速度、排隊模式與機動車的差異。對于同時存在機動車與自行車交通需求的道路，設計“綠波”時可以選擇多種交通模式兼容的“綠波”速度，或?qū)ψ孕熊嚥捎瞄g隔周期放行等，實現(xiàn)不同交通模式“綠波”共存。

三、轉(zhuǎn)向機動車與行人自行車的沖突處理

轉(zhuǎn)向機動車是影響行人與自行車通行的主要障礙，統(tǒng)計表明，超過60%以上的路口行人事故與轉(zhuǎn)向機動車相關。對于轉(zhuǎn)向交通量較小，轉(zhuǎn)向機動車與行人自行車沖突不嚴重的路口，可采用許可轉(zhuǎn)向與讓行的控制方式，如常見的兩相位控制路口。當路口幾何形狀、渠化特征、交通量較大，尤其存在大型車輛或高速車輛轉(zhuǎn)向需求時，需設置專用的保護相位，有效隔離轉(zhuǎn)向交通流和行人自行車，以保證路口交通安全。

行人與自行車專用相位。也被稱為“全向行人過街”，即所有機動車相位均輸出紅燈，所有方向行人與自行車相位均輸出綠燈。各方向行人與自行車均可通行，包括部分方向可以直接斜角通過路口。這種方式通常用于行人交通量巨大或有較大對角過街需求的路口。需要注意的是，由于斜角通行距離大于垂直方向，需要考慮行人清空時間的差異；由于專用相位可能會造成路口信號周期增加，帶來路口整體延誤的增加，某些繁忙的小間距路口間可能會帶來排隊溢出和過飽和風險；設計行人專用相位時尤其需要關注的是右轉(zhuǎn)機動車，當右轉(zhuǎn)機動車需求量較大、速度較高或有大型車輛右轉(zhuǎn)交通需求時，需要對右轉(zhuǎn)機動車進行特殊控制。

行人信號提前（LPI）。當行人與同方向機動車并行放行時，為減少或避免與許可轉(zhuǎn)向的左轉(zhuǎn)機動車之間的沖突，可以適當將行人信號綠燈提早于機動車信號開始，形成行人在信號初始時段內(nèi)受保護，其余時間轉(zhuǎn)向機動車讓行通過的狀態(tài)，簡稱為LPI（Leading Pedestrian Intervals）。LPI方法可以使行人比第一輛轉(zhuǎn)向車輛更早到達并通過沖突點，強化行人優(yōu)先通行權，改善行人安全感與舒適度，提高機動車讓行依從性，見圖3。設計LPI時需要考慮機動車與行人到達沖突點的行程時間，某些情況下通過后移停止線位置等方法也可以實現(xiàn)與LPI同樣的控制效果。在感應控制模式下，只有行人相位存在請求并啟動時LPI才生效。

圖3 行人信號提前（LPI）

行人信號LPI復用。LPI措施雖然可以改善機動車讓行條件，降低行人過街的緊張感，但同時也會造成路口機動車通行能力下降，并可能加大信號控制周期，進而帶來延誤增加。這個問題可以通過多方向LPI時間復用的方式（圖4）得到解決。由于LPI期間所有機動車相位均為紅燈，各方向行人相位綠燈可部分重疊放行，在不增加信號周期的情況下，增加了行人過街信號時間，提高了路口通行能力。

圖4 行人LPI時間復用

直行信號提前LTI。機動車直行相位啟動，直行的機動車、行人、自行車允許通行，此時通過可變標志、方向指示信號燈將轉(zhuǎn)向交通流滯后一段時間放行，這段時間被稱為直行領先時段或延遲轉(zhuǎn)向（LTI Leading Through Intervals）（圖5）。LTI時段之后，被滯后的轉(zhuǎn)向交通流被允許與自行車、行人讓行通過。與LPI類似，延遲轉(zhuǎn)向提供了開始部分時間的行人保護，與LPI不同的是，保護時段中只有轉(zhuǎn)向交通流受限，直行的機動車交通流不受影響。與LPI相比，LTI在給予行人部分保護的同時減少了對路口通行能力的影響，可以給予行人更長的保護時間，也可為自行車提供保護，尤其是在紅燈期間等待綠燈信號的第一波次的自行車。

圖5 直行信號提前LTI

有專用轉(zhuǎn)向車道的路口LTI比LPI更有效，延遲左轉(zhuǎn)幾乎不會造成額外的延誤。對于沒有轉(zhuǎn)向?qū)Ｓ密嚨赖穆房?，仿真結果顯示LTI可能造成右轉(zhuǎn)通行能力下降，但是影響遠遠小于LPI模式；在轉(zhuǎn)向交通流量較低時，考慮到保障路口通行能力，或為了保護遠端對向行人的過街安全，可以考慮采用LTI，但是當轉(zhuǎn)向交通流量較大，轉(zhuǎn)向交通流等待期間會阻礙直行交通時，建議采用LPI。

四、提升行人及自行車交通品質(zhì)的信號控制優(yōu)化方法

通過合理的信號設計與配時優(yōu)化可減少行人、自行車的延誤，改善行人、自行車交通體驗。常用的手段包括壓縮信號周期、提供相位再服務、增加有效綠燈時間、優(yōu)化行人清空時間以及通過分析行人流量，適時采用行人召回、感應控制等。

壓縮信號周期。信控路口小周期運行會帶來很多收益，包括有效減少所有出行者的延誤，大幅度降低安全島或等待空間內(nèi)的擁擠程度，緩解行人焦慮心理，以及提升行人信號服從率。短周期控制還可以適當抑制車輛運行速度，提升路口安全度。在實踐應用中可以綜合采用感應控制、大小周期結合等方式，盡可能壓縮信號周期，以保證行人交通服務質(zhì)量。通過數(shù)據(jù)分析對路口進行篩選，對需要比周邊路口更大周期運行的復雜路口，可考慮采用獨立周期、感應控制、雙倍周期等方式，以保證周邊路口降低控制周期；在路口間距較大，不存在排隊反溢風險的路段，可以適當建立更小的協(xié)調(diào)子區(qū)，以便選擇更適應路口交通需求的周期；通過細化協(xié)調(diào)時段劃分，設置更多的時段計劃，縮短信號周期；對于單行路路網(wǎng)，由于單行路交叉口不需要保護轉(zhuǎn)向相位，尤其適合縮短信號周期。

最大化行人信號時間，降低行人、自行車延誤。與并行的機動車信號相比，行人信號有兩種結束方式：第一是提前結束，滿足行人過街最低時間需求后，可以比機動車提前結束。第二是行人相位保持，即行人相位清空時間與機動車相位同時結束（圖6）。

圖6 行人相位結束方式

第二種方式可以為行人提供更多的過街機會，顯著降低行人延誤。但是當右轉(zhuǎn)機動車交通需求較大時，這種方式造成了右轉(zhuǎn)與行人之間的沖突，帶來額外的安全風險。相反第一種方式為右轉(zhuǎn)機動車提供了可選的通行時間，可以通過右轉(zhuǎn)專用信號分離與行人的沖突（圖7）。

圖7 行人相位與右轉(zhuǎn)相位控制

利用信號結束緩沖區(qū)，優(yōu)化清空時間。行人清空信號與機動車信號的結束點之間存在多種相互關系。在行人相位結束點到?jīng)_突的機動車相位的開始點之間存在一段緩沖過渡時間（圖8）。通常機動車信號黃燈時間3~5秒，全紅時間0~4秒，這意味著行人相位結束緩沖時間最長可達9秒，其中有將近4秒時間可被利用。利用好相位結束緩沖時段可以為行動遲緩人群提供額外的過街時間，同時避免了對信號周期的干擾。應用中需要結合路口具體環(huán)境考慮以下問題：1.設計步速是否采用“最低行人步速設計”；2.并行機動車黃燈是否可以在行人清空時間內(nèi)開始啟動；3.并行機動車黃燈和全紅清空間隔是否可用于行人清空；

圖8 行人相位結束方式與緩沖時間

改善人機交互與操作便利性。行人和自行車騎行者在路口等待或通過時，心理上通常處于焦慮和不安的狀態(tài)，在交通信號設計中通過改善操作便利性、提供人機交互信息可以有效緩解這種焦慮，進而提高行人與騎行者的信號服從率，改善交通安全。在設計中可以通過行人信號倒計時、請求響應信息、改善行人按鈕布局、設置自動行人檢測裝置等方式提升綜合交通感受。行人信號倒計時可以提升行人與自行車騎行者的信號服從率，減少交通事故。研究表明，采用行人信號倒計時可以將事故影響因子CMF降低到0.75，沖突率降低50%以上。一般情況，行人信號倒計時只應用于行人清空時段，如果行人通行時段時間較長也可以納入倒計時區(qū)間?？紤]到路口多種交通優(yōu)化控制模式的限制，在感應控制、實時自適應控制、人工手動控制等模式下，信號周期會實時發(fā)生變化，行人等待時間（紅燈時間）通常不確定，因此不建議行人紅燈期間輸出倒計時信息。利用安裝在行人按鈕或信號燈上的指示裝置為行人和騎行者提供實時的請求反饋，讓用路人可以確認過街請求已被接收。這些信息反饋可以提升行人過街的舒適度，同樣可以增加行人信號的服從率。無障礙設施可以通過不同的音頻或語音提供額外的人機信息交互，輸出行人信號的不同狀態(tài)。在設置行人請求裝置時應充分考慮行人、騎行者操作的便利性，選擇合適的位置、高度、面向角度及行人操作時的視距視區(qū)條件、到達人行橫道的距離等因素。