红灯倒计时对交叉口车辆驶离时间的影响研究*

彭汉辉　张存保　石永辉　周　斌　吕昌平

(武汉理工大学智能交通系统研究中心1)　武汉　430063)　(武汉交通科技研究院有限责任公司2)　武汉　430073)

红灯倒计时对交叉口车辆驶离时间的影响研究*

彭汉辉1)张存保1,2)石永辉3)周斌1)吕昌平1)

(武汉理工大学智能交通系统研究中心1)武汉430063)(武汉交通科技研究院有限责任公司2)武汉430073)

(武汉市公安局交通管理局3)武汉430022)

摘要：为研究红灯倒计时对交叉口排队车辆驶离时间的影响，以实际交叉口交通观测数据为基础，运用数理统计和非参数检验方法分析有无红灯倒计时条件下排队车辆驶离时间差异性.结果表明，车队消散差异的主要原因是前3辆车累加的驶离时间差，占总时间差的90.3%；红灯倒计时条件下，车队的驶离时间减少4.67 s，降低14.4%，车队消散过程中的总延误减少41.74 s，降低19.8%；红灯倒计时对车队中前3辆车的驶离时间具有显著影响(P<0.05)；直行和左转前2辆车在红灯倒计时条件下驶离时间差异显著(P<0.05)，在无红灯倒计时条件下差异不显著.上述结果表明，红灯倒计时对交叉口通行效率有积极影响.

关键词：红灯倒计时；车辆驶离时间；通行效率；非参数检验；车头时距

0引言

红灯倒计时是将红灯剩余时间与红灯信号一同显示出来，使驾驶员能准确了解路口红绿灯转换时间[1]，从而可提前做好准备并在绿灯启亮时快速启动车辆.此外，驾驶员也可根据红灯剩余时间的长短决定是否关闭发动机等待[2].

近年来，国内外学者对红灯倒计时条件下车辆的通行效率和交通安全进行了广泛研究，取得了一定成果.Chiou等[3]研究驾驶员对红灯倒计时的反应，发现安装红灯倒计时后，初期能减少车辆早启动率，4个月后车辆早启动率回升到初始水平，而启动延误和饱和车头时距在4个月后得到改善，能有效提高交叉口的通行效率.Thirayoot等[4]研究得出倒计时灯能减少启动损失时间，降低饱和车头时距和增加饱和流率.钱红波等[5-6]通过问卷调查和现场观测得出交通流量较大、信号周期过长时宜设置红灯倒计时信号，在交通流量较小时宜将红灯倒计时信号关闭或改为红黄灯信号.李振龙等[7]采用描述统计法和核密度估计法得出信号倒计时使驾驶员能够预先知晓绿灯启亮的时间，减少绿灯初期的启动损失时间.Ke等[8]将红灯倒计时控制方式分为3类，得出倒计时显示的时间越短，车辆早启动率越高；安装红灯倒计时的路口，前3辆排队车辆启动延误都会降低.杨京帅等[9]通过非参数检验分析红灯倒计时对首车的启动延误影响，得出有、无红灯倒计时首车启动延误具有显著性差异.

从国内外现有研究来看，对于红灯倒计时的影响主要集中在红灯期间排队首车的通行效率与驾驶员闯红灯行为方面的研究.仅从首车驶离时间得到的信息不能够完整地反映排队车辆的整体通行效率.为了尽可能完整地描述红灯倒计时对排队车辆通行效率的影响，本文以红灯期间排队的整个车队为研究目标，对车队中各车辆的驶离时间、车头时距等进行深入分析，从而揭示红灯倒计时对交叉口各排队车辆驶离效率的影响.

1数据采集

选择无红灯倒计时和有红灯倒计时的信号交叉口进行观测，在每个观测方向架设摄像机，对交叉口各进口道机动车和信号灯进行录像，以获得各交叉口的观测数据.视频录制好后，由交通调查员根据录像记录排队车辆消散的数据，包括车辆的位置编号、大小车比例、各车辆的驶离时间和车头时距.记录的车辆位置编号定义为绿灯亮起时，车辆在驶离车队中的序号；车辆驶离时间定义为自绿灯亮起时刻开始，到目标车辆的车尾经过停车线为止的时间.

1.1交通调查地点

选择道路设施条件与交通状况差异较小的道路交叉口进行观测(见表1)，其中2个交叉口有红灯倒计时，2个交叉口无红灯倒计时.因为武汉市采用SCOOT信号控制系统，信号周期不固定，所以统计交叉口基本情况时不包括信号周期.

表1　选定的4个交叉口基本情况

2数据分析

2.1车辆驶离时间统计分析

主要分析车辆驶离时间和车头时距的集中位置、离散程度、差异性等.通过比较有、无红灯倒计时条件下各位置车辆驶离时间的差异性，以及车队消散过程中的总延误，从而对红灯倒计时的影响进行量化评价.表2为经过数据统计得到各位置排队车辆的驶离时间均值数据，由于统计到的数据样本中以小车为主，所以文中不考虑大车对车辆平均驶离时间的影响.

表2　车辆驶离时间　s

表2可知，在红灯倒计时条件下，各位置编号的车辆驶离时间小于无红灯倒计时环境，说明在红灯倒计时条件下车辆能更迅速地启动和驶离交叉口.以排队中第10辆车为例，有红灯倒计时条件下比无红灯倒计时条件下驶离时间减少4.67 s，降低14.4%.

在绿灯亮起后，各位置编号的车辆经过停车线所消耗的总时间即为车队消散过程中的总延误.41.74 s为前10辆累计的消耗的驶离时间之差，即为总延误之差，说明有红灯倒计时情况下前10辆车消散过程总延误比无红灯倒计时下减少41.74 s，降低19.8%.上述结果表明，红灯倒计时可有效提高交叉口排队车辆的通行效率，降低交叉口延误.

红灯倒计时信号不仅能使红灯期间排队首车驾驶员有足够的准备时间，也有助于后续车辆及时启动.图1显示，第4辆车后累计驶离时间差不再增大，即造成车队消散时间的差异主要为前3辆车累加的驶离时间差，占总时间差的90.3%，说明排队前3辆车受到红灯倒计时的影响较大.从第4辆车后驾驶员跟随前车的启动，红灯倒计时对驾驶员的影响逐渐减小.

图1　各位置车辆驶离时间差

在同向行驶的一列车队中，两连续行驶的车辆的车头驶过停车线的时间间隔，为车头时距.以停车线为坐标原点，车辆位置编号为横坐标，以车头时距值为纵坐标绘制车头时距折线图，见图2.

图2　有无红灯倒计时各车辆的车头时距

由图3可知，有红灯倒计时条件下前3辆车的车头时距较无红灯倒计时条件下小，其原因是，驾驶员根据红灯倒计时剩余时间提前做好了车辆启动的准备工作，减少了车辆启动损失时间.从第4辆车以后，有、无红灯倒计时情况下车头时距的差异较小，表明红灯倒计时主要影响排队中前4辆车的车头时距.

2.2车辆驶离时间的差异性分析

2.2.1数据差异性分析方法

本文应用非参数检验中的Kologorov-Smirnov(K-S)检验来研究车辆驶离时间的差异显著性[10]，即分析车辆驶离时间在有无红灯倒计时是否为独立同分布.

K-S检验的检验原理是经验分布为理论分布的相容估计.假设有红灯倒计时下的第i辆车的数据样本服从X1,X2,…,Xm～Fi(x)，无红灯倒计时下的第i辆车的数据样本服从Y1,Y2,…,Yn～Gi(y)，因为无红灯倒计时下车辆驶离时间较有红灯倒计时下驶离时间长，所以减去有无红灯倒计时下第i辆车的驶离时间差的均值，取第i辆驶离时间差的均值为Ti，则第辆排队车辆样本服从Gi(y)-Ti，则检验问题为

(1)

可采用如下统计量来判断两组统计数据的差异性，即

(2)

式中：i为车辆的位置编号，取i=1.2.3,…,10；X(i)和Y(i)分别为X样本和Y样本的顺序统计量，m，n为样本数；Fim(X(i))和Gin(Y(i))为位置编号为i的车辆，在样本数分别为m和n的情况下，顺序统计量X(i)和Y(i)的经验分布函数；H0的拒绝域为某置信水平下显著性的最大值.若2样本相似，统计量D→0，则P→1，反之亦然.取拒绝域0.05，显著性P>0.05，则认为2样本差异不显著；若显著性P<0.05，则认为2样本差异显著.

2.2.2同一通行方向不同信号控制方式下车辆驶离时间的差异性

首先研究有红灯倒计时和无红灯倒计时2种情况下车辆驶离时间的差异性.取红灯期间排队的前10辆车，根据车辆排队顺序标记为i=1,2,3,…,10，将数据分为10组.将有红灯倒计时和无红灯倒计时2种情况下驶离时间数据分别记为样本X和样本Y，使用双样本K-S在95%的置信水平下检验得到有红灯倒计时和无红灯倒计时2种情况下驶离时间数据差异，见表3.

由表3可知，有、无红灯倒计时条件下，排队车辆前3辆车驶离时间数据具有明显的差异性(P<0.05)，第4辆车之后的驶离时间差异性减小.无红灯倒计时情况下，直行车辆驾驶员没有足够的准备时间和心理预期，而有红灯倒计时的情况下驾驶员清晰看到绿灯亮起的时间，准备时间充分.说明红灯倒计时改变了驾驶员的驾驶行为，驾驶员调整了车辆的启动时间，使得车辆的驶离时间出现差异.

表3　有无红灯倒计时驶离时间数据差异表

2.2.3同一进口道不同通行方向的车辆驶离时间数据差异性

对同一种信号控制方式(有红灯倒计时或无红灯倒计时)下相同进口道直行和左转车辆驶离时间的差异性进行分析，结果见表4.

表4　相同进口道左转和直行车辆驶离时间差异

由表4可知，有红灯倒计时条件下，相同进口道直行和左转的前2辆车驶离时间的数据差异性较大(P<0.05).本次数据采集选择的交叉口都有左转专用相位，直行车流对左转车流的干扰较小，左转车辆驶离的车头时距比直行车辆小，左转车辆驶入交叉口后对后续车辆影响较小，后续车队在红灯倒计时的影响下能连贯的通过交叉口，左转车辆通常采用不同的行驶轨迹，使得车辆能更快驶离停车线，并且左转车辆公交车的比例较小，即大车遮挡情况较直行要少，以上原因都使得直行和左转前2辆车的驶离时间在有红灯倒计时信号控制方式下产生明显差异.而无红灯倒计时条件下，左转和直行车辆驶离时间的差异不显著(P>0.05).

2.2.4红灯倒计时对公交车早启现象的影响

实际调查数据表明，在红灯倒计时情况下，若公交车位于排队车辆首位，大部分公交车会在绿灯亮起前启动车辆.图4为公交车位于车队首位时是否会提早启动的统计结果.

图4　有无红灯倒计时条件下公交车提早启动车辆数量

由图4可知，在红灯倒计时条件下，80.9%的公交车驾驶员选择了提早启动公交车.图5表示首车为公交车时排队各车辆的驶离时间，其数据表明，首车为公交车时，有红灯倒计时条件下车队消散时间比无红灯倒计时条件下减少5.7 s，降低16.6%.

图5　有无红灯倒计时首车为公交车的车辆驶离时间

3结 束 语

本文基于实际交叉口观测数据，分析红灯倒计时对排队车辆驶离时间的影响.通过实验发现前3辆车累加的驶离时间差是造成车队消散差异的主要原因，占总时间差的90.3%.有红灯倒计时条件下，车队的驶离时间较无红灯倒计时条件下减少4.67 s，降低14.4%，车队消散过程中的总延误较无红灯倒计时条件下减少41.74 s，降低19.8%，表明红灯倒计时可提高交叉口通行效率.红灯倒计时对红灯期间排队车队前3辆车的驶离时间具有显著影响(P<0.05)，直行和左转前2辆车在红灯倒计时条件下差异显著(P<0.05)，在无红灯倒计时条件下差异不显著，说明红灯倒计时改变了驾驶员的驾驶行为，使得车辆的驶离时间出现差异.红灯倒计时使公交车驾驶员能根据红灯剩余时间调整车辆启动时间，在有红灯倒计时条件下比无红灯倒计时条件下车队的消散时间减少5.7 s，降低16.6%.

本文对有无红灯倒计时条件下车辆闯红灯行为，以及红灯倒计时对交叉口交通安全影响未做研究，上述问题将在后续工作中加以研究和完善，从而全方位评价红灯倒计时对交叉口运行状态的影响.

参 考 文 献

[1]王岩,杨晓光.基于交通安全的交叉口信号倒计时信号灯设置研究[J].中国安全科学学报,2006,16(3):55-59.

[2]吴文静,隽志才,贾洪飞.倒计时信号交叉口的驾驶员行为对策[J].系统工程理论与实践,2009,29(7):160-165.

[3]CHIOU Y C, CHANG C H. Driver responses to green and red vehicular signal countdown displays: Safety and efficiency aspects[J]. Accident Analysis & Prevention,2010,42(4):1057-1065.

[4]THIRAYOOT L, SUEBPONG C, NATCHA R. Effects of countdown timers on queue discharge characteristics of through movement at a signalize intersection[J].Transportation Research,2009,17:662-671.

[5]钱红波.机动车红灯倒计时对交通安全与通行效率的影响研究[J].交通信息与安全,2011,29(3):65-68.

[6]钱红波,韩皓.机动车绿灯倒计时对交叉口交通安全的影响研究[J].中国安全科学学报,2010,20(3):9-13.

[7]李振龙,张剑坤.交通信号倒计时对驾驶员启动反应时间的影响[J].交通信息与安全,2013,31(5):77-81.

[8]KE Yu, LU Huapu. Effects of countdown signals in red phase on drivers: A comparative study between Japan and Turkey[J]. Mathematical Problems in Engineering,2014,32(3):55-60.

[9]杨京帅,孙正一,王文亮，等.红灯倒计时对首车启动延误的影响[J].武汉理工大学学报,2015,39(1):16-20.

[10]盛骤,谢式千,潘承毅.概率论与数理统计[M].北京:高等教育出版社,2014.

Effects of Red Signals Countdown on Vehicle Clearance Time at Intersection

PENG Hanhui1)ZHANGCunbao1,2)SHIYonghui3)Zhou Bin1)LV Changping1)

(IntelligentTransportSystemResearchCenter,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(WuhanInstituteofTransportationTechnologyCorporation,Wuhan430073,China)2)(WuhanTrafficManagementBureau,Wuhan430022,China)3)

Abstract：In order to investigate the effects of red signal countdown on the queue clearance time of vehicles, the queue clearance time with and without red signal countdown is analyzed based on the actual traffic data, using statistics analysis and non-parametric test method. The results show that difference of the dissipated time is mainly due to the first three cars, which accounts for 90.3% of the total difference time. Under the condition of red signal countdown, the queue clearance time decreases by 14.4% (5.7 s), the total delay of the dissipated time decreases by 19.8% (41.74 s). The clearance time of the first three cars has a significant difference under different conditions (with and without red signal countdown). There is a significant difference (P<0.05) in clearance time (with red signal countdown) of the first two vehicles between the vehicles which are going straightly and left-turning respectively, while there is no significant difference for the condition without red signal countdown. These facts show that the red signal countdown has a positive effect on the traffic efficiency at the intersection.

Key words：red signal countdown; vehicle clearance time; traffic efficiency; non-parametric test; headway

收稿日期：2016-04-26

中图法分类号：U491.51

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.030

彭汉辉(1992- )：男，硕士生，主要研究领域为区域规划与管理

*国家自然科学基金项目(51578432)、武汉市青年科技晨光计划项目(2016)、武汉市城建委科技计划项目(201433)资助