北京市交通信号灯的安全人机优化设计研究

吴小珊 殷婷 周其姝

【摘要】：近年来，随着北京市人口的不断增长，交通行业发展迅猛，交通拥堵也成为北京市民日常出行的一大烦恼。经过调查研究发现，交通信号灯设计的不全面性，给交通带来了很大的不便。本次课题搜集的资料主要围绕着信号灯的倒计时装置、语音提示装置、信号灯的恢复状态、信号灯规范安装、安装信号灯的数量、以及设置针对视障人士的信号灯的优化设计进行讨论。

【关键词】：交通信号灯;人机工程;倒计时装置

【Abstract】In recent years， with the population growing in Beijing， the road traffic development has been speed up， the traffic congestion is becoming a big trouble in Beijing residents daily travel. Through investigation we found that the imperfect of traffic signal design is one of an important reason for the traffic inconvenience . In this paper， through questionnaire survey we found some problems of Beijing traffic signal about improving pedestrian safety and made some optimization.We hope that the traffic lights can be more effective and we hope these opinions can have some reference value.

【Key words】traffic lights;ergonomic;count-down timer

1.前言

本次課题主要研究北京市交通信号灯的优化设计问题。交通信号灯是交通安全中的至关重要的一部分，其主要目的是为了减少交通事故的发生，改善交通状况，同时也能加强道路交通的安全管理。在现代城市道路交通中，随着经济的飞速发展，车辆越来越多，交通事故和交通拥堵成了我们亟待解决的问题。本文主要通过发现的问题来分析北京市交通信号灯与人和环境的和谐性，提出改进意见，增强交通信号灯在日常出行中的作用，希望能给大家提供有价值的参考意见。

2.人对交通信号灯识别的要求

人之所以能产生视觉主要由视觉对象、可见光和视觉器官等要素决定，当然对交通信号灯的识别也离不开这些要素。以下根据人的视觉特性对交通信号灯进行分析：

2.1交通信号灯颜色的视觉效果

根据《道路交通信号灯设置与安装规范》（GB14886-2006）规定，交通信号灯的颜色由红色、黄色、绿色组成。

颜色对比于人眼辨色能力有一定关系。当人从远方辨认前方的不同颜色时，其易辨认的顺序是红、绿、黄、白，即红色最先被看到。因此，交通信号灯使用红色作为禁止通行的颜色。人对不同颜色的视野也不相同，对绿色的最小，水平视野为60°、垂直视野40°;红色的水平视野为60°垂直视野45°;黄色的水平视野为120°垂直视野95°[1]。

2.2人对交通信号灯亮度的识别要求

信号灯的亮度要求使人能在一定距离上识别信号的颜色和箭头符号。为保证信号灯的必要的信息传达，信号灯与背景的亮度比一般应大于2。但环境因素对亮度影响较大，北京的空气情况及气候条件会对信号灯的醒目性造成影响。而交通信号灯必须保证在恶劣气象条件下也能在一定视距准确的传达信号。

为保证交通信号的准确传达，交通信号灯的亮度应随背景亮度而改变。由于白天和黑夜的环境亮度相差较大，信号灯若不具备夜间降光功能，过亮的信号灯将使人产生眩光刺激，以致发生危险。

2.3人对交通信号灯形状的识别差异

GB14886-2006中规定信号灯由无图案、箭头图案以及交叉图案的圆形发光单元组成。其中不同箭头形状的视认性有较大差别。人机学研究人员对不同形状的箭头图案的视认性做了大量测试，研究结果显示下图箭头符号的视认性从左至右依次增加。

人机学研究人员对不同形状的箭头图案的视认性做了大量测试，研究结果显示下图箭头符号的视认性从左至右依次增加。

图 1箭头形状的视优性

2.4闪光和稳光

闪光即闪烁光源，稳光是功率和波长一定的光源。闪光比稳光更能吸引的人注意力，因此在特别危险的情况下宜使用闪光信号灯，使人保持警觉状态。但由于人眼的视觉暂留現象，型号的频闪不宜过  高，否则就

不能形成闪光效果。常用的信号灯闪频为0.67-1.67Hz。

2.5信号灯安装方向

信号灯的安装从横向从左往右、竖向从上到下，依次为红灯、黄等、绿灯。人眼对物体的辨识表现为，水平方向比垂直方向准确、迅速，且不易疲劳。但是，横向安装的信号灯只能在靠右行驶的国家使用，在靠左边行驶的国家使用的横排信号灯顺序是相反的。而竖排信号灯不管在哪个国家都可以使用。竖向安装的信号灯内的大多数是满盘的信号灯，横装的信号灯内的大多数是箭头信号灯。

非机动车辆，在不需要单独控制左转非机动车交通流时，信号灯应竖向安装;需要单独控制左转非机动车交通流时，信号灯则应竖向安装。人行横道信号灯应采用竖向安装。

3.北京市现行路口交通信号灯现存问题

3.1智能交通信号灯管理系统存在的问题

北京市的交通信号灯大多安装了智能交通信号灯管理系统，可根据车流量来调整信号灯的时间，但依然存在着一些问题，在通过相连信号灯的时候无法保持连贯性，使车辆在通过下一个路口时会被信号灯挡住。

3.2视障人员通过路口时存在的问题

视力障碍的人群包括三部分：色弱，色盲和盲人。根据《机动车驾驶证申领和使用规定》，色盲和盲人无法获取机动车驾驶证，但对色弱者却无明确规定[2]，而且有些地方存在着违规获取驾驶证的现象，导致部分视力障碍的人群加入了机动车驾驶的大军。如果信号灯没有按照标准安装，一旦色觉异常人员驾驶的车辆行驶在交叉路口且前方没有车辆引导，由于他们无法辨别红绿灯，不能及时刹车或者行驶，可能会导致车祸的发生。盲人单独过马路的情况虽然少见但是也存在，此时语音提示装置起到了至关重要的作用，但是有的路口缺少这种装置，或者装置已经损坏但是没来得及发现和维修，还有就是语音提示装置声音分贝较低使人无法听清，导致盲人无法正确确定通过马路的时间。

3.3交通信号灯倒计时装置的使用

北京市目前大部分路口并未安装倒计时装置，已安装的倒计时信号灯主要有光带递减型、燈光闪烁型、数字型等几种方式。通过对过路行人车辆调查研究发现，各种交通参与者对倒计时信号灯有较强的需求性。相比于普通信号灯，倒计时信号灯能给交通参与者传递更多的信息：倒计时信号灯能传递给过路行人和车辆传达是否能在规定时间内通过路口以及通过路口需要等待的时间，提高过街行人和车辆司机的心理舒适度。因此，交通信号灯倒计时装置的安装是十分有必要的。

3.4安装标准中存在的问题

3.4.1 安装标准不够严谨

《道路交通信号灯设置与安装标准》中对已实施人行横道标线的路口做出规定，应设置人行横道信号灯[3]。但事实上没有明确的规定人行横道的左右两侧都需要设置路口人行横道信号灯，城市部分地方人行横道只设置了一个信号灯，向另一侧走去的时候只能根据车道信号灯的显示来判断是否能通行，具有局限性。

3.4.2 信号灯安装不规范

尽管我国在信号灯安装方面有明确的规定和要求，但是有些地方安装不规范，例如信号灯安装高度不够高，距离信号灯较远时在车内看不到安装的信号灯;由于安装不统一，信号灯的标志也不尽相同，驾驶人员只能慢慢适应和辨别不同的安装方式。

3.4.3 信号灯和方向指示灯的混合使用

有些地方方向指示灯和车道信号灯混合在一起使用，也安装在三车道以上的道路上，使得驾驶人员无法分清谁代表方向指示信号灯或车道信号灯。就单独的车道信号灯而言，规范中有明确规定“车道信号灯排列顺序应与车道实际位置顺序一致”[4]。

3.4.4 信号灯与车道数量不相符

在车道上使用错误规格的车道信号灯，与车道信号灯应该与实际车道不匹配。

3.5信号灯恢复能力

交通信号灯主要是通过电力带动的，由于电路老化、恶劣天气等原因，会导致信号灯损坏。信号灯一旦损坏就无法工作，不能限制人流量和车流量，会导致整个路口的交通瘫痪。信号灯的损坏虽然是没法避免的，但是城市抢修信号灯的速度往往都很慢，得一两天之后才能恢复信号灯的工作，影响车辆和行人的通行。

4.优化设计

4.1智能交通信号灯管理系统

交通运输过程中的主干道上，在实现智能交通信号灯管理的同时，还需要考虑车辆行驶在下一个路口的时候不会被信号灯所挡住。可以通过调整主干道路上相邻信号灯，使得它们之间有连续性，确保主干道直行车辆一次性通过，维持交通畅通。这样在一定的程度上也能缓解交通堵塞的压力。

4.2针对视力障碍人群的优化设计

按照《道路交通信号灯设置与安装标准》规定，我国机动车信号灯的安装标准是红黄绿从上到下垂直排列，或者按照順序从左到右排列[5]。色觉异常的驾驶人群可以通过辨别位置来确定信号，但在这种情况下又存在着许多片面因素，有些地方没有按照交通信号灯标准安装，有时信号灯LED显示屏的亮度也不够，若遇到复杂的天气情况，驾驶员就无法正确辨别信号。

4.2.1针对色觉异常人群

1、通过改变交通信号灯的形状来增强辨识能力，如国外有些城市将红色信号灯改为方形，黄色信号灯改为棱形，绿色保持不变。在行驶过程中色觉异常者可以通过辨别信号灯显示形状而做出相应的反应、颜色保持不变，红绿色作为信号灯的颜色是从1868年就开始使用，被人们所熟悉[6]，如果突然改变颜色，行人一时难以接受。但我们可根据人对颜色辨别能力的顺序，以后可以适当的改变信号灯的颜色。

2、规定标准的排列顺序和显示模式安装信号灯，使色觉异常人群通过交通信号灯显示的位置来做出反应。但是在这个辨别的过程中，需要一定的反应时间，对安全过马路可能会存在一定的影响。

4.2.2语音提示装置的改进

语音提示装置利用声音来传达信息，特点是：反应快、方向无限制。同时具有强迫注意的优点。在路口，通过把听觉功能和视觉功能结合起来，信息的感知效率则提高很多。不仅对视力缺陷人群起到作用，对行人和驾驶人员也起到了重要的作用。若要让他们能在有噪音的情况下接收清晰的信息，语音提示装置的发音必须准确，语速正常不可过快，响度保证在70-80分贝以内，若超过80分贝对接收信号人群的耳朵会有影响，过低的话可能听不到信号的指示。同时，如果加装红外线感应器，能自动感应闯红灯的行人并发出语音提醒，也能一定程度上减少闯红灯的概率，减少交通事故的发生。

4.3交通信号灯倒计时装置的使用

针对交通参与者对信号灯倒计时装置的强烈需求，在符合条件的路口尽量优先选择倒计时信号灯。各类倒计时信息传达效果不同，因此应该对各类装置的特点进行具体分析来选择倒计时装置的种类。

以信息传达的清晰度来说，闪烁型倒计时装置只能传达灯色变换时间逐渐递减，灯色即将变换的模糊信息;光带递减型的信号灯能传达相位时间递减且各交通参与者能根据图像大致计算出灯色变换的时间;数字型传达的清晰度最高，过路者能准确的得知相位的剩余时间。

以信息接受的清晰度来说，数字型倒计时装置相较于其他两种倒计时辨识度较低。由于路口路况复杂、信号显示器的大小有限或周边树木遮挡以及恶劣天气等原因，路口通行的人可能不能准确的识别信号灯内显示的数字。而另外两种倒计时因其较为简洁的信息，能更好的被交通参与者接受。

对过马路人群的行为影响来说，数字型倒计时装置可能会诱发司机在绿灯末尾即将变灯时加速通过路口或是在信号灯即将变为绿灯时提前加速通过路口，引发路口交通事故的概率升高，提高路口的危险性。

综合以上几点，相比于其他两种倒計时装置，在路口设置光带递减型交通信号灯能适应较为多变的环境变换，满足行人和驾驶员的要求，使信号灯能更有效地维护交通秩序。

4.4对标准及规范的改进措施

在标准中明确规定人行横道两侧必须安装人行横道信号灯，确保两侧的行人都能根据信号指示灯做出相应的反应，而不是要行人根据机动车信号灯的改变来判断信号。

对于这些安装不规范的地方，首先得让安装信号灯的参与者了解和熟悉标准，然后在进行改进或者重新安装。在安装的过程中安装高度不得低于标准，在信号灯基准轴左右20°范围内不得有影响信号显示的遮挡物[7];信号灯前50米的路旁不得有影响信号显示的树木或其它高于信号灯下沿的遮挡物。人的在车辆行驶中，视野变窄，安装位置则尤为重要。如果现在统一北京市信号灯安装方式，实现难度比较大，因为现有北京市信号灯每天都在使用。所以我们可以在以后的维修过程中将安装的标准发放给维修人员并让他们熟知，逐渐使得信号灯达到标准化，具有统一性。

4.5提高信号灯恢复能力的改进措施

在发现信号灯发生故障之后，应该及时反映给主管道路交通的部门，并及时进行检修。除此之外，我们还可以使用单独的线路设计一个检测器，当信号灯的电路发生故障之后，检测器能及时反映给公安局电脑操作人员，让他们通知交通管理大队在第一时间内对信号灯进行抢修，将交通事故发生的概率降到最小。

5.总结

本文根据人体视觉和听觉特性对交通信号灯进行了分析，针对视力障碍人员的出行障碍对交通信号灯进行了优化，发现了一些已有标准和规范中存在的问题并且提出了改进的建议。在道路交通系统中，行人占有较大比重，且属于交通事故的弱势方，因此本文较多的从行人的角度进行分析。对于机动车驾驶员和非机动车研究的不夠详尽，这是本次课题研究的不足之一。

就目前的情况来说，我国的交通参与者整体素质还普遍偏低。因此，改变交通安全性和秩序性还需从内外两方面来入手。外在提高交通设施的便利程度和人性化程度，使人们更自觉地遵循交通法规;内在加强对社会交通行为意识的培养，加强交通法规的宣传教育，提高对交通违规违法行为的执法处罚力度。从根本上改善行人的行为，创造一个更和谐、有序的交通环境。

参考文献：

[1]廖可兵，安全人机工程[M].中国矿业大学出版社.2011.

[2]公安部第111号令.机动车驾驶证申领和使用规定[S].中华人民共和国公安部，2010.

[3]GB14886-2006.道路交通信号灯装置与安装规范[S]

[4]李晓莉，陈静，赵青，石建军.倒计时信号灯对过街行为的影响分析[J].交通标准化，2011（19）.

[5]何方.城市道路安全背景下的交通投影信号灯研究[D].湖北工业大学， 2015.

[6]GB14887-2011.道路交通信号灯

[7]钱勇生，王者堂，马昌喜，交通信号灯相关标准及规范中存在的问题[J].道路交通与安全，2007，7（2）.