倒计时交通信号对交叉口车流特性的影响

许伦辉， 伍　帅， 胡三根

(华南理工大学 土木与交通学院， 广东 广州　510640)



倒计时交通信号对交叉口车流特性的影响

许伦辉， 伍帅， 胡三根

(华南理工大学 土木与交通学院， 广东 广州510640)

[摘要]在总结现有研究成果的基础上，考虑交叉口信号控制影响驾驶员的驾驶行为，进一步研究倒计时交通信号灯对交叉口车流行驶特性的影响。通过实地调查采集数据，分别从时间和空间的角度探究有无倒计时的两类信号交叉口中地点车速的分布规律，并加以对比分析。结果表明在有倒计时信号灯交叉口，车辆通过停车线的平均车速高于无倒计时交叉口，而高速行驶的车辆所占比例却相对减少，能有效提高交叉口通行效率和安全性。究其原因，是因为在有倒计时信号控制的交叉口，绿灯后期驾驶员会低速行驶至停车线；相反，在无倒计时信号控制交叉口，绿灯后期驾驶员会因存在侥幸通过交叉口的心理，而采取较快速度通过停车线；另外，倒计时信号控制能有效减少绿灯初期平均损失时间，从而可规范驾驶行为，保证车辆驶离交叉口更倾向平稳。

[关键词]交通安全； 驾驶员行为； 倒计时信号灯； 信号控制交叉口

1概述

倒计时交通信号灯是城市交叉口交通控制系统中常见的设备之一，是指在交叉口设置普通信号灯的同时，另外增设数码显示或光带显示的倒计时显示屏，可随着交通信号控制器的运行同步显示当前信号相位的剩余时间。其主要功能是为了提示交通参与者提前做好准备，以便能快速、安全地通过路口。

目前，我国许多城市引进了倒计时交通信号灯，但由于倒计时会对驾驶员的心理及驾驶行为产生很大的影响，国内外的专家学者们对于倒计时交通信号灯在交叉口的应用效果也是褒贬不一。王岩和杨晓光运用问卷调查和计算分析方式，研究表明倒计时会诱发一部分驾驶员在绿灯末尾时加速通过路口，可能引发重大交通事故，因此需要设置更长的绿灯间隔时间[1]；李振龙和张剑坤采用数字图像处理技术和数理统计方法对有无倒计时启动反应时间进行对比分析，结果显示在有倒计时情况下驾驶员的启动反应时间更快、更集中，说明倒计时装置可以减少绿灯初期的启动损失时间[2]；吴文静、隽志才等人在对交叉口数据采集和分析的基础上，运用Logistic模型建立了倒计时信号交叉口行为决策模型，分析表明倒计时显示时间对驾驶员的行为决策存在显著影响[3]；钱红波和韩皓通过问卷调现场观测等方法解析机动车绿灯倒计时信号对驾驶员心理与驾驶行为的影响，得出应谨慎使用机动车绿灯倒计时的结论[4]。而国外学者，Lum和Harun通过对比分析绿灯倒计时安装前后驾驶员闯红灯的行为，结果表明随着绿灯倒计时安装时间的增多，闯红灯行为先是显著下降再是有所回升[5]；Ibrahim、Karim等人研究发现绿灯倒计时有利于驾驶员在红灯显示之前安全停车，红灯倒计时可以减少驾驶员的启动延误[6]；Chiou等人研究表明红灯倒计时可以提高交叉口的安全性，而绿灯倒计时则会增加交叉口交通事件的发生[7]。

总得来说，上述研究成果都只是从定性的角度分析倒计时交通信号灯对驾驶行为的影响，缺乏定量分析，并且少有学者从空间和时间两个角度去探索这个问题。本文从驾驶员的角度出发，通过现场观测对有、无倒计时两类信号控制交叉口表征车流行驶特性的数据进行采集和定量分析，以研究倒计时信号灯对车行驶特性的影响，从而对此类交通设施在交叉口的应用效果做出客观评价。

2车流行驶特性数据采集

为探究驾驶员在不同信号控制条件下的驾驶行为特性，本文需要对有、无倒计时两类信控交叉口表征车流行驶特性的数据进行采集，所需采集的交通参数主要有地点车速和车头时距[8]。为了保证调查数据的可用性，需选取道路条件相似，一个安装倒计时，另一个没有安装倒计时的两个交叉口作为实地观测地点，并选择最靠近内侧的直行专用进口道作为数据采集点。这两个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，在红灯期间车辆排队等待车辆能达到一定的数目；

② 在绿灯放行期间，交叉口下游不存在拥挤或溢流现象，车流能顺畅通过交叉口区域；

③ 红灯期间排队车流主要以小型车为主，车道受行人、非机动车侧向干扰很小；

④ 交叉口地势平坦，无明显陡坡，无视距阻碍[9]。

通过调查和筛选，无倒计时信号交叉口选择重庆市南岸区白鹤路和南湖路相交的路口作为研究对象，有倒计时信号交叉口选择重庆市南岸区青龙路和回龙路相交的路口作为研究对象。

本文采用雷达测速法获取车流行驶车速，为了从时间和空间两个角度具体而全面的表征车流启动及行驶特性，应增加样本数据，获取多个地点的点车速，特选择停车线处、距停车线3、 5、 7、 10、 15、 20、 30 m这8处断面作为观测点，高峰时段进行观测，每个观测点各采集10个周期。由于后期的数据处理分析需要，记录过程中将每个周期的绿灯时长分成绿灯初期(前10 s绿灯时长)、绿灯中期和绿灯后期(末5 s绿灯时长)[10]三段。同时，采用人工测定的方法获取红灯期间排队等待车队中头7辆车的车头时距，选择停车线处为观测断面，在高峰时段利用秒表现场观测记录。为了保证数据的可比性，以上两项参数均按信号周期观测，绿灯期间受到闯红灯过街行人或非机动干扰的周期予以作废。

通过实地调查，分别在两个信号控制交叉口大量获取了车辆经过各个观测点时的有效地点车速，样本容量见表1，为后期的数据分析提供了原始依据。

表1 样本容量统计表Table1 Statisticaltableofsamplesize观测点样本容量有倒计时信控交叉口/辆无倒计时信控交叉口/辆距停车线30m117119距停车线20m114125距停车线15m121152距停车线10m119145距停车线7m127131距停车线5m122131距停车线3m126136停车线处115119

3车流行驶特性数据分析

3.1倒计时对交叉口地点车速的影响分析

通过对停车线的点车速调查，在有无倒计时信号交叉口分别获取了115个和119个有效数据样本(由于篇幅有限，样本数据将不列出)，平均地点车速分为为7.84，7.60 m/s，具体分布如表2所示。

表2 车辆通过停车线点速度对比Table2 Contrastofspotspeedwhencrossingthestopline信号交叉口类型速度<5m/s速度5～10m/s速度>10m/s有倒计时7.02%81.58%11.40%无倒计时9.24%65.55%25.21%

由表2可见：有倒计时与无倒计时信号交叉口，车辆到达停车线的速度均较低，多在5～10 m/s之间；但车速大于10 m/s的车辆，无倒计时信号交叉口的车辆明显多于有倒计时的。其主要是因为驾驶员在无倒计时提醒下以侥幸心理通过交叉口。接下来分别从时间和空间两个角度分析交叉口地点车速的分布情况。

3.1.1交叉口进口道地点车速的空间分布规律

驾驶员在进入交叉口的过程中，速度会不断发生改变，通过比较车辆在不同断面的速度分布，从空间角度探究车流的行驶特性以分析倒计时信号灯对驾驶员行为的影响。统计两个交叉口中，车辆在距停车线30、 20、 15、 10、 7、 5、 3、 0 m处时不同绿灯时期的地点车速，寻得其变化规律。

① 绿灯初期有、无倒计时信号交叉口地点车速变化规律。

图1反映的是绿灯初期在有倒计时的信号交叉口，地点车速随空间位置的变化规律，进口道任意位置均无行驶车速高于10 m/s的车辆，行驶车速在5～10 m/s之间的车辆所占比例均高达75%以上；而低速行驶车辆所占比例随着离停车线距离的不断缩小先逐渐增加，然后保持稳定；并且在距停车线10 m以内的区域，车辆地点车速所表示出的规律几乎一致，与空间位置没有较大的关系。

图1　绿灯初期有倒计时信号交叉口地点车速随　空间位置的变化规律Figure 1　Law of spot speed changing with space position in 　the intersection with countdown display at the early 　of green signal

图2反映的是绿灯初期在无倒计时的信号交叉口，地点车速随空间位置的变化规律，随着离停车线距离的不断缩小行驶车速高于10 m/s的车辆所占比例先减后增，但均不高；行驶车速在5～10 m/s之间的车辆所占比例先增后减，且均高达78%以上；低速行驶车辆所占比例先减后增，两者都在是距停车线10 m处这一断面发生转折。

图2　绿灯初期无倒计时信号交叉口地点车速随空间　位置的变化规律Figure 2　Law of spot speed changing with space position in 　the intersection without countdown display at the 　early of green signal

② 绿灯中期有无倒计时信号交叉口地点车速变化规律。

图3反映的是绿灯中期在有倒计时的信号交叉口，地点车速随空间位置的变化规律，行驶车速在5～10 m/s之间的车辆所占比例均高达90%以上；随着离停车线距离的不断缩小，行驶车速高于10 m/s的车辆所占比例先减后增；低速行驶车辆所占比例与空间位置仍有较大的关联性，具体表现为在距停车线10 m以外的区域为0，在距停车线10 m以内的区域有逐渐增加的趋势。

图3　绿灯中期有倒计时信号交叉口地点车速随空间　位置的变化规律Figure 3　Law of spot speed changing with space position in the 　intersection with countdown display at the middle of 　green signal

图4反映的是绿灯中期在无倒计时的信号交叉口，地点车速随空间位置的变化规律，进口道的任意位置低速行驶车辆所占比例均极少；行驶车速高于10 m/s和在5～10 m/s之间的车辆所占比例均比较高，没有因空间位置的不同产生明显波动。

图4　绿灯中期无倒计时信号交叉口地点车速随空间　位置的变化规律Figure 4　Law of spot speed changing with space position in the 　intersection without countdown display at the middle 　of green signal

③ 绿灯末期有无倒计时信号交叉口地点车速变化规律。

图5反映的是绿灯末期在有倒计时的信号交叉口，地点车速随空间位置的变化规律，地点车速会因空间位置的不同而产生明显的波动，具体表现为随车距停车线距离的不断缩小，行驶车速在5～10 m/s之间的车辆所占比例先增后减；高速行驶车辆所占比例先减后增；低速行驶车辆所占比例以距停车线10 m处为分界点，在其以外的区域保持在5%左右，以内的区域保持12%左右。

图5　绿灯末期有倒计时信号交叉口地点车速随空间　位置的变化规律Figure 5　Law of spot speed changing with space position in 　the intersection with countdown display at the end 　of green signal

图6反映的是绿灯末期在无倒计时的信号交叉口，地点车速随空间位置的变化规律，随着距停车线距离的不断缩小，行驶车速在5～10 m/s之间的车辆所占比例先增后减；高速行驶车辆所占比例先减后增；低速行驶车辆只是在距停车线10 m以内的区域才占有极少的比例。

图6　绿灯末期无倒计时信号交叉口地点车速随空间　位置的变化规律Figure 6　Law of spot speed changing with space position in 　the intersection without countdown display at the 　end of green signal

综上所述，无论信号交叉口有无倒计时，地点车速均会随空间位置的不同表现出不一样的变化规律，但行驶车速在5～10 m/s之间的车辆始终占有相当大的比例，此外，相对于无倒计时信号交叉口，车辆在有倒计时交叉口进口道的行驶车速表现出更强的规律性和稳定性。因此，为保证车流更加平稳有序的通过交叉口，尤其是在车流密集的交叉口，建议采用有倒计时信号灯，避免因交叉口车速大且波动大而带来的交通安全，以期能提高交叉口内部安全性。

3.1.2交叉口进口道地点车速的时间分布规律

驾驶员在信号显示不同的时期内进入交叉口，速度会有不一样的变化规律，通过比较车辆在同一断面不同时期的速度分布，从时间角度探究车流的行驶特性以分析倒计时显示屏对驾驶员行为的影响。统计对比两个交叉口在距停车线30、 15、 7、 0 m处时地点车速随时间的变化规律，将绿灯时长分成绿灯初期(前10 s绿灯时长)、绿灯中期和绿灯后期(末5 s绿灯时长)三段。

① 距停车线30 m处地点车速的时间分布规律。

由图7可以看出：随着绿灯时间的不断缩短，车辆通过距停车线30 m处这一断面的地点车速，大于10 m/s车辆数目所占比例在有倒计时交叉口中逐渐增加，在无倒计时交叉口中逐渐增加且绿灯末期骤增；车速在5～10 m/s之间的车辆所占比例在两类交叉口中均是逐渐减少，在无倒计时交叉口中减幅较大；低速行驶车辆所占比例在有倒计时交叉口中是先减后增，在无倒计时交叉口中是逐渐减少。

图7　通过距停车线30 m处的地点车速随信号时间的　变化规律Figure 7　Law of spot speed changing with signal time when 　crossing the position of 30 meters away from the 　stop line

② 距停车线15 m处地点车速的时间分布规律。

由图8可以看出：随着绿灯时间的不断缩短，车辆通过距停车线15 m处这一断面的地点车速，大于10 m/s车辆所占比例在有倒计时交叉口中绿灯初期和末期均为零，绿灯中期较小，在无倒计时交叉口中逐渐增加；行驶车速在5～10 m/s之间的车辆所占比例在两类交叉口中均较大，但有倒计时交叉口中有小幅度的逐渐增加，在无倒计时交叉口中逐渐减少且减幅较大；低速行驶车辆所占比例在有倒计时交叉口中先减后增，在无倒计时交叉口中绿灯初期才占有一定比例，在绿灯中期及末期均为0。

图8　通过距停车线15 m处的地点车速随信号时间的　变化规律Figure 8　Law of spot speed changing with signal time when 　crossing the position of 15 meters away from the 　stop line

③ 距停车线7 m处地点车速的时间分布规律。

由图9可以看出：随着绿灯时间的不断缩短，车辆通过距停车线7 m处这一断面的地点车速，大于10 m/s车辆所占比例在有倒计时交叉口中绿灯末期有较小的增加，而在无倒计时交叉口逐渐增加，且增幅较大；车速在5～10 m/s之间的车辆所占比例在有倒计时交叉口中先增后减，在无倒计时交叉口中逐渐减少；低速行驶车辆所占比例在有倒计时交叉口中先减后增，在无倒计时信号交叉口中在绿灯初期才占有一定比例。

图9　通过距停车线7 m处的地点车速随信号时间的　变化规律Figure 9　Law of spot speed changing with signal time when 　crossing the position of 7 meters away from the 　stop line

④ 停车线地点车速的时间分布规律。

由图10可以看出：随着绿灯时间的不断缩短，车辆通过距停车线这一断面的地点车速，大于10 m/s车辆数目所占比例在两类交叉口中均逐渐增加，但无倒计时交叉口增幅更大；车速在5～10 m/s之间的车辆所占比例在两类交叉口中绿灯前期和中期均较大，绿灯末期也均骤减；低速行驶的车辆所占比例在有倒计时交叉口中先减后增。而在无倒计时交叉口中先减少，然后再保持稳定。

图10　通过停车线的地点车速随信号时间的变化规律Figure 10　Law of spot speed changing with signal time 　when crossing the stop line

综上所述，地点车速均会随不同的绿灯时期表现出不一样的变化规律，绿灯前期驾驶员均倾向于以跟驰状态行驶，这一点并不因有无倒计时而改变。但绿灯中期及后期，倒计时显示屏对车流的影响很大，主要表现为高速行驶车辆的比例明显低于无倒计时信号交叉口。其原因可能是在无倒计时信号交叉口，由于没有倒计时的提示，驾驶员或多或少存在侥幸或盲从的心理，因此会采取快速通过停车线这种错误的驾驶行为；相反，在有倒计时信号的交叉口，因有倒计时信号的提示，驾驶员能准确地做出减速或停车的驾驶决策。因此，从保证行车安全的角度出发，应设置倒计时信号灯，让驾驶员能预先知晓绿灯的结束时间，从而根据自己的实际情况选择适当的车速行驶。

3.2倒计时对交叉口车头时距的影响分析

信号交叉口排队车辆车头时距是城市微观交通分析中一个关键参数，车头时距即同一地点相邻两车辆经过的时间间距，直接反映了驾驶员驾驶行为特性、交叉口通行能力和服务水平[11]。在纯机动车交通流环境下，由于机动车辆之间以及机动车辆与其他交通参与者之间互相影响较小，交叉口车头时距相对容易确定。

在实地调查中，在两个信号控制交叉口分别采集了20个周期，获取了大量的样本数据。对于车头时距的分析，本文只选取了在红灯期间排队等待车辆超过7辆，并且都是小汽车的周期的数据进行比较分析，对比数据见表3。

表3 车辆通过停车线平均车头时距对比表Table3 Contrastofmeantimeheadwaywhencrossingthestopline信号交叉口类型项目车辆序号1234567有倒计时平均车头时距/s2.032.212.252.342.522.012.48方差0.230.160.230.420.460.300.25无倒计时平均车头时距/s2.922.452.222.412.572.452.57方差0.340.250.360.280.390.370.62

根据调查结果分析得出，在有倒计时显示屏提醒的条件下，驾驶员可以预先知晓绿灯启亮的时间，从而能及时做出决策，进入动作操作阶段，如此减少了绿灯初期的启动损失时间，在一定程度上可以提高交叉口的通行能力。与不安装倒计时进行比较，在有倒计时条件下，车辆通过交叉口的平均绿灯初期损失时间约能节省近2.0 s，并且头7辆车的平均车头时距方差也大多小于无倒计时的交叉口，说明倒计时不仅能提醒驾驶员提前做好准备，还能较好地规范驾驶员的驾驶行为，驱使车辆稳定地通过交叉口。

4结论

本文在总结国内外研究成果的基础上，考虑倒计时信号灯对驾驶员行为的影响，通过实地交叉口车流数据的采集与分析，并从时间和空间两个方面探究交叉口地点车速的分布规律，从而得到交叉口的倒计时信号灯对车流行驶特许的影响程度及原因。研究结果表明无论信号交叉口信号灯有无倒计时，地点车速均会因空间位置不同表现出一定的规律性，但车辆在有倒计时交叉口进口道的行驶车速表现出更强的规律性和稳定性；地点车速也会随不同的绿灯时期表现出不一样的变化规律，绿灯中期及后期在有倒计时交叉口，驾驶员的行为更为保守，在无倒计时信号交叉口驾驶员更倾向保持较高的速度行驶，存在侥幸通过的心理；车头时距方面，较无倒计时交叉口，在有倒计时条件下，排队等待的头7辆车通过交叉口的平均绿灯初期损失时间约能节省近2.0 s，并且驾驶员会以更加规范、平稳的状态驶离交叉口。因此，为提高交叉口车辆通行的安全性和高效性，建设采用倒计时交通信号灯，这一研究为交通管理部门选用此类交通设施提供理论依据，预防和减少道路交通事故，以及提高道路交通系统的安全性有着重要意义。

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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

[中图分类号]U 491.5+1

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)01-0064-06

[作者简介]许伦辉(1965-)，男，教授，博导，主要从事智能交通系统理论及应用、交通流系统建模与仿真等研究。

[基金项目]国家自然科学基金资助项目(61263024)

[收稿日期]2014-11-07