行人与自行车交通信号控制与优化方法研究

文图｜张福生

近些年来，随着绿色、宁静、慢行交通理念的回归，行人与自行车对交通信号控制的需求日益显现，非机动化出行方式与机动车之间安全冲突、信号配时资源竞争等很多问题越来越突出。如何进一步优化路口信号设计与配时，在兼顾多场景下的机动化与非机动化出行需求的同时，提供更加安全高效的信号控制服务，显得尤其重要。本文对我国城市路口行人和自行车交通信号控制现状进行分析，并提出优化设计思路。

一、路口行人交通信号配时分析

明确统一的行人信号语义是开展交通信号设计、工程优化、宣传教育的基础。与机动车交通信号不同，行人交通信号通常由红绿两色组成，需要表达“禁止通行”“允许进入人行横道”和“人行横道清空”三种控制状态，实践中通常分别用“行人红灯”“行人绿灯”“行人绿闪”灯色来表达，作为信号控制辅助信息，部分城市还在行人信号灯具上增设了计时装置。

行人信号相位可以按需求感应方式启动，也可以按预配时方案自动启动。感应模式下，通过行人按钮或自动检测装置感知行人过街需求，信号控制设备在适当时机启动对应的行人信号；通过设置默认请求的方式实现行人相位自动启动，被称为“自动召回”。

行人按钮上可设置定位音、触感盲文、震动信号提示等装置为残障人士提供更多增值服务以及起到人机信息交互的作用，因此固定配时或“自动召回”、自动行人检测装置等都无法完全取代行人按钮。实践中，需根据路口机动车、行人的交通需求特征，平衡各种出行方式的交通量与延误，对行人需求比较大的路口采用召回模式，交通量较低的路口采用感应模式。

二、路口自行车信号配时分析

传统的自行车信号通常跟随机动车信号或行人信号放行，随着自行车交通需求的增加，越来越多的城市开始增设自行车专用信号。因此，有必要针对自行车交通的特点，对路口自行车的安全清空、延误、专用检测装置等方面给予特殊关注；为骑行者提供更完善的信息服务，提升骑行者信号服从率。

考虑到自行车交通流需要较长的清空时间，当依据机动车信号通过路口时，相关机动车相位之间的绿间隔时间（尤其是全红清空时间）需要适当加长；当设置专用自行车相位时，需要单独给予自行车更长的清空时间，相位绿灯要早于机动车相位结束；对于自行车转向交通流，需要关注路口的通行空间、等候空间、以及视距视区等因素。

1.自行车左转优化

自行车有两种路口左转方式，一种是通过两次过街实现左转，另一种是直接左转。当左转交通需求较大时，两次过街的方式会造成等候区严重拥挤。对此情况，可以通过优化信号相位序列提升衔接效率，减少两次过街中暴露于路口内的等待时间。图3中自行车由A点到C点或由C点到A点可以通过1续的相位衔接提升服务效率，信号相序的优化方法见图2。

图1 路口自行车左转

图2 路口自行车左转相序优化

2.自行车信号“绿波”

与机动车信号“绿波”类似，自行车通行也可采用“绿波”信号控制，不同点是需要考虑到自行车运行速度、排队模式与机动车的差异。对于同时存在机动车与自行车交通需求的道路，设计“绿波”时可以选择多种交通模式兼容的“绿波”速度，或对自行车采用间隔周期放行等，实现不同交通模式“绿波”共存。

三、转向机动车与行人自行车的冲突处理

转向机动车是影响行人与自行车通行的主要障碍，统计表明，超过60%以上的路口行人事故与转向机动车相关。对于转向交通量较小，转向机动车与行人自行车冲突不严重的路口，可采用许可转向与让行的控制方式，如常见的两相位控制路口。当路口几何形状、渠化特征、交通量较大，尤其存在大型车辆或高速车辆转向需求时，需设置专用的保护相位，有效隔离转向交通流和行人自行车，以保证路口交通安全。

行人与自行车专用相位。也被称为“全向行人过街”，即所有机动车相位均输出红灯，所有方向行人与自行车相位均输出绿灯。各方向行人与自行车均可通行，包括部分方向可以直接斜角通过路口。这种方式通常用于行人交通量巨大或有较大对角过街需求的路口。需要注意的是，由于斜角通行距离大于垂直方向，需要考虑行人清空时间的差异；由于专用相位可能会造成路口信号周期增加，带来路口整体延误的增加，某些繁忙的小间距路口间可能会带来排队溢出和过饱和风险；设计行人专用相位时尤其需要关注的是右转机动车，当右转机动车需求量较大、速度较高或有大型车辆右转交通需求时，需要对右转机动车进行特殊控制。

行人信号提前（LPI）。当行人与同方向机动车并行放行时，为减少或避免与许可转向的左转机动车之间的冲突，可以适当将行人信号绿灯提早于机动车信号开始，形成行人在信号初始时段内受保护，其余时间转向机动车让行通过的状态，简称为LPI（Leading Pedestrian Intervals）。LPI方法可以使行人比第一辆转向车辆更早到达并通过冲突点，强化行人优先通行权，改善行人安全感与舒适度，提高机动车让行依从性，见图3。设计LPI时需要考虑机动车与行人到达冲突点的行程时间，某些情况下通过后移停止线位置等方法也可以实现与LPI同样的控制效果。在感应控制模式下，只有行人相位存在请求并启动时LPI才生效。

图3 行人信号提前（LPI）

行人信号LPI复用。LPI措施虽然可以改善机动车让行条件，降低行人过街的紧张感，但同时也会造成路口机动车通行能力下降，并可能加大信号控制周期，进而带来延误增加。这个问题可以通过多方向LPI时间复用的方式（图4）得到解决。由于LPI期间所有机动车相位均为红灯，各方向行人相位绿灯可部分重叠放行，在不增加信号周期的情况下，增加了行人过街信号时间，提高了路口通行能力。

图4 行人LPI时间复用

直行信号提前LTI。机动车直行相位启动，直行的机动车、行人、自行车允许通行，此时通过可变标志、方向指示信号灯将转向交通流滞后一段时间放行，这段时间被称为直行领先时段或延迟转向（LTI Leading Through Intervals）（图5）。LTI时段之后，被滞后的转向交通流被允许与自行车、行人让行通过。与LPI类似，延迟转向提供了开始部分时间的行人保护，与LPI不同的是，保护时段中只有转向交通流受限，直行的机动车交通流不受影响。与LPI相比，LTI在给予行人部分保护的同时减少了对路口通行能力的影响，可以给予行人更长的保护时间，也可为自行车提供保护，尤其是在红灯期间等待绿灯信号的第一波次的自行车。

图5 直行信号提前LTI

有专用转向车道的路口LTI比LPI更有效，延迟左转几乎不会造成额外的延误。对于没有转向专用车道的路口，仿真结果显示LTI可能造成右转通行能力下降，但是影响远远小于LPI模式；在转向交通流量较低时，考虑到保障路口通行能力，或为了保护远端对向行人的过街安全，可以考虑采用LTI，但是当转向交通流量较大，转向交通流等待期间会阻碍直行交通时，建议采用LPI。

四、提升行人及自行车交通品质的信号控制优化方法

通过合理的信号设计与配时优化可减少行人、自行车的延误，改善行人、自行车交通体验。常用的手段包括压缩信号周期、提供相位再服务、增加有效绿灯时间、优化行人清空时间以及通过分析行人流量，适时采用行人召回、感应控制等。

压缩信号周期。信控路口小周期运行会带来很多收益，包括有效减少所有出行者的延误，大幅度降低安全岛或等待空间内的拥挤程度，缓解行人焦虑心理，以及提升行人信号服从率。短周期控制还可以适当抑制车辆运行速度，提升路口安全度。在实践应用中可以综合采用感应控制、大小周期结合等方式，尽可能压缩信号周期，以保证行人交通服务质量。通过数据分析对路口进行筛选，对需要比周边路口更大周期运行的复杂路口，可考虑采用独立周期、感应控制、双倍周期等方式，以保证周边路口降低控制周期；在路口间距较大，不存在排队反溢风险的路段，可以适当建立更小的协调子区，以便选择更适应路口交通需求的周期；通过细化协调时段划分，设置更多的时段计划，缩短信号周期；对于单行路路网，由于单行路交叉口不需要保护转向相位，尤其适合缩短信号周期。

最大化行人信号时间，降低行人、自行车延误。与并行的机动车信号相比，行人信号有两种结束方式：第一是提前结束，满足行人过街最低时间需求后，可以比机动车提前结束。第二是行人相位保持，即行人相位清空时间与机动车相位同时结束（图6）。

图6 行人相位结束方式

第二种方式可以为行人提供更多的过街机会，显著降低行人延误。但是当右转机动车交通需求较大时，这种方式造成了右转与行人之间的冲突，带来额外的安全风险。相反第一种方式为右转机动车提供了可选的通行时间，可以通过右转专用信号分离与行人的冲突（图7）。

图7 行人相位与右转相位控制

利用信号结束缓冲区，优化清空时间。行人清空信号与机动车信号的结束点之间存在多种相互关系。在行人相位结束点到冲突的机动车相位的开始点之间存在一段缓冲过渡时间（图8）。通常机动车信号黄灯时间3~5秒，全红时间0~4秒，这意味着行人相位结束缓冲时间最长可达9秒，其中有将近4秒时间可被利用。利用好相位结束缓冲时段可以为行动迟缓人群提供额外的过街时间，同时避免了对信号周期的干扰。应用中需要结合路口具体环境考虑以下问题：1.设计步速是否采用“最低行人步速设计”；2.并行机动车黄灯是否可以在行人清空时间内开始启动；3.并行机动车黄灯和全红清空间隔是否可用于行人清空；

图8 行人相位结束方式与缓冲时间

改善人机交互与操作便利性。行人和自行车骑行者在路口等待或通过时，心理上通常处于焦虑和不安的状态，在交通信号设计中通过改善操作便利性、提供人机交互信息可以有效缓解这种焦虑，进而提高行人与骑行者的信号服从率，改善交通安全。在设计中可以通过行人信号倒计时、请求响应信息、改善行人按钮布局、设置自动行人检测装置等方式提升综合交通感受。行人信号倒计时可以提升行人与自行车骑行者的信号服从率，减少交通事故。研究表明，采用行人信号倒计时可以将事故影响因子CMF降低到0.75，冲突率降低50%以上。一般情况，行人信号倒计时只应用于行人清空时段，如果行人通行时段时间较长也可以纳入倒计时区间。考虑到路口多种交通优化控制模式的限制，在感应控制、实时自适应控制、人工手动控制等模式下，信号周期会实时发生变化，行人等待时间（红灯时间）通常不确定，因此不建议行人红灯期间输出倒计时信息。利用安装在行人按钮或信号灯上的指示装置为行人和骑行者提供实时的请求反馈，让用路人可以确认过街请求已被接收。这些信息反馈可以提升行人过街的舒适度，同样可以增加行人信号的服从率。无障碍设施可以通过不同的音频或语音提供额外的人机信息交互，输出行人信号的不同状态。在设置行人请求装置时应充分考虑行人、骑行者操作的便利性，选择合适的位置、高度、面向角度及行人操作时的视距视区条件、到达人行横道的距离等因素。