紅燈倒計時對交叉口車輛駛離時間的影響研究*

彭漢輝　張存保　石永輝　周　斌　呂昌平

(武漢理工大學智能交通系統研究中心1)　武漢　430063)　(武漢交通科技研究院有限責任公司2)　武漢　430073)

紅燈倒計時對交叉口車輛駛離時間的影響研究*

彭漢輝1)張存保1,2)石永輝3)周斌1)呂昌平1)

(武漢理工大學智能交通系統研究中心1)武漢430063)(武漢交通科技研究院有限責任公司2)武漢430073)

(武漢市公安局交通管理局3)武漢430022)

摘要：為研究紅燈倒計時對交叉口排隊車輛駛離時間的影響，以實際交叉口交通觀測數據為基礎，運用數理統計和非參數檢驗方法分析有無紅燈倒計時條件下排隊車輛駛離時間差異性.結果表明，車隊消散差異的主要原因是前3輛車累加的駛離時間差，占總時間差的90.3%；紅燈倒計時條件下，車隊的駛離時間減少4.67 s，降低14.4%，車隊消散過程中的總延誤減少41.74 s，降低19.8%；紅燈倒計時對車隊中前3輛車的駛離時間具有顯著影響(P<0.05)；直行和左轉前2輛車在紅燈倒計時條件下駛離時間差異顯著(P<0.05)，在無紅燈倒計時條件下差異不顯著.上述結果表明，紅燈倒計時對交叉口通行效率有積極影響.

關鍵詞：紅燈倒計時；車輛駛離時間；通行效率；非參數檢驗；車頭時距

0引言

紅燈倒計時是將紅燈剩余時間與紅燈信號一同顯示出來，使駕駛員能準確了解路口紅綠燈轉換時間[1]，從而可提前做好準備并在綠燈啟亮時快速啟動車輛.此外，駕駛員也可根據紅燈剩余時間的長短決定是否關閉發動機等待[2].

近年來，國內外學者對紅燈倒計時條件下車輛的通行效率和交通安全進行了廣泛研究，取得了一定成果.Chiou等[3]研究駕駛員對紅燈倒計時的反應，發現安裝紅燈倒計時后，初期能減少車輛早啟動率，4個月后車輛早啟動率回升到初始水平，而啟動延誤和飽和車頭時距在4個月后得到改善，能有效提高交叉口的通行效率.Thirayoot等[4]研究得出倒計時燈能減少啟動損失時間，降低飽和車頭時距和增加飽和流率.錢紅波等[5-6]通過問卷調查和現場觀測得出交通流量較大、信號周期過長時宜設置紅燈倒計時信號，在交通流量較小時宜將紅燈倒計時信號關閉或改為紅黃燈信號.李振龍等[7]采用描述統計法和核密度估計法得出信號倒計時使駕駛員能夠預先知曉綠燈啟亮的時間，減少綠燈初期的啟動損失時間.Ke等[8]將紅燈倒計時控制方式分為3類，得出倒計時顯示的時間越短，車輛早啟動率越高；安裝紅燈倒計時的路口，前3輛排隊車輛啟動延誤都會降低.楊京帥等[9]通過非參數檢驗分析紅燈倒計時對首車的啟動延誤影響，得出有、無紅燈倒計時首車啟動延誤具有顯著性差異.

從國內外現有研究來看，對于紅燈倒計時的影響主要集中在紅燈期間排隊首車的通行效率與駕駛員闖紅燈行為方面的研究.僅從首車駛離時間得到的信息不能夠完整地反映排隊車輛的整體通行效率.為了盡可能完整地描述紅燈倒計時對排隊車輛通行效率的影響，本文以紅燈期間排隊的整個車隊為研究目標，對車隊中各車輛的駛離時間、車頭時距等進行深入分析，從而揭示紅燈倒計時對交叉口各排隊車輛駛離效率的影響.

1數據采集

選擇無紅燈倒計時和有紅燈倒計時的信號交叉口進行觀測，在每個觀測方向架設攝像機，對交叉口各進口道機動車和信號燈進行錄像，以獲得各交叉口的觀測數據.視頻錄制好后，由交通調查員根據錄像記錄排隊車輛消散的數據，包括車輛的位置編號、大小車比例、各車輛的駛離時間和車頭時距.記錄的車輛位置編號定義為綠燈亮起時，車輛在駛離車隊中的序號；車輛駛離時間定義為自綠燈亮起時刻開始，到目標車輛的車尾經過停車線為止的時間.

1.1交通調查地點

選擇道路設施條件與交通狀況差異較小的道路交叉口進行觀測(見表1)，其中2個交叉口有紅燈倒計時，2個交叉口無紅燈倒計時.因為武漢市采用SCOOT信號控制系統，信號周期不固定，所以統計交叉口基本情況時不包括信號周期.

表1　選定的4個交叉口基本情況

2數據分析

2.1車輛駛離時間統計分析

主要分析車輛駛離時間和車頭時距的集中位置、離散程度、差異性等.通過比較有、無紅燈倒計時條件下各位置車輛駛離時間的差異性，以及車隊消散過程中的總延誤，從而對紅燈倒計時的影響進行量化評價.表2為經過數據統計得到各位置排隊車輛的駛離時間均值數據，由于統計到的數據樣本中以小車為主，所以文中不考慮大車對車輛平均駛離時間的影響.

表2　車輛駛離時間　s

表2可知，在紅燈倒計時條件下，各位置編號的車輛駛離時間小于無紅燈倒計時環境，說明在紅燈倒計時條件下車輛能更迅速地啟動和駛離交叉口.以排隊中第10輛車為例，有紅燈倒計時條件下比無紅燈倒計時條件下駛離時間減少4.67 s，降低14.4%.

在綠燈亮起后，各位置編號的車輛經過停車線所消耗的總時間即為車隊消散過程中的總延誤.41.74 s為前10輛累計的消耗的駛離時間之差，即為總延誤之差，說明有紅燈倒計時情況下前10輛車消散過程總延誤比無紅燈倒計時下減少41.74 s，降低19.8%.上述結果表明，紅燈倒計時可有效提高交叉口排隊車輛的通行效率，降低交叉口延誤.

紅燈倒計時信號不僅能使紅燈期間排隊首車駕駛員有足夠的準備時間，也有助于后續車輛及時啟動.圖1顯示，第4輛車后累計駛離時間差不再增大，即造成車隊消散時間的差異主要為前3輛車累加的駛離時間差，占總時間差的90.3%，說明排隊前3輛車受到紅燈倒計時的影響較大.從第4輛車后駕駛員跟隨前車的啟動，紅燈倒計時對駕駛員的影響逐漸減小.

圖1　各位置車輛駛離時間差

在同向行駛的一列車隊中，兩連續行駛的車輛的車頭駛過停車線的時間間隔，為車頭時距.以停車線為坐標原點，車輛位置編號為橫坐標，以車頭時距值為縱坐標繪制車頭時距折線圖，見圖2.

圖2　有無紅燈倒計時各車輛的車頭時距

由圖3可知，有紅燈倒計時條件下前3輛車的車頭時距較無紅燈倒計時條件下小，其原因是，駕駛員根據紅燈倒計時剩余時間提前做好了車輛啟動的準備工作，減少了車輛啟動損失時間.從第4輛車以后，有、無紅燈倒計時情況下車頭時距的差異較小，表明紅燈倒計時主要影響排隊中前4輛車的車頭時距.

2.2車輛駛離時間的差異性分析

2.2.1數據差異性分析方法

本文應用非參數檢驗中的Kologorov-Smirnov(K-S)檢驗來研究車輛駛離時間的差異顯著性[10]，即分析車輛駛離時間在有無紅燈倒計時是否為獨立同分布.

K-S檢驗的檢驗原理是經驗分布為理論分布的相容估計.假設有紅燈倒計時下的第i輛車的數據樣本服從X1,X2,…,Xm～Fi(x)，無紅燈倒計時下的第i輛車的數據樣本服從Y1,Y2,…,Yn～Gi(y)，因為無紅燈倒計時下車輛駛離時間較有紅燈倒計時下駛離時間長，所以減去有無紅燈倒計時下第i輛車的駛離時間差的均值，取第i輛駛離時間差的均值為Ti，則第輛排隊車輛樣本服從Gi(y)-Ti，則檢驗問題為

(1)

可采用如下統計量來判斷兩組統計數據的差異性，即

(2)

式中：i為車輛的位置編號，取i=1.2.3,…,10；X(i)和Y(i)分別為X樣本和Y樣本的順序統計量，m，n為樣本數；Fim(X(i))和Gin(Y(i))為位置編號為i的車輛，在樣本數分別為m和n的情況下，順序統計量X(i)和Y(i)的經驗分布函數；H0的拒絕域為某置信水平下顯著性的最大值.若2樣本相似，統計量D→0，則P→1，反之亦然.取拒絕域0.05，顯著性P>0.05，則認為2樣本差異不顯著；若顯著性P<0.05，則認為2樣本差異顯著.

2.2.2同一通行方向不同信號控制方式下車輛駛離時間的差異性

首先研究有紅燈倒計時和無紅燈倒計時2種情況下車輛駛離時間的差異性.取紅燈期間排隊的前10輛車，根據車輛排隊順序標記為i=1,2,3,…,10，將數據分為10組.將有紅燈倒計時和無紅燈倒計時2種情況下駛離時間數據分別記為樣本X和樣本Y，使用雙樣本K-S在95%的置信水平下檢驗得到有紅燈倒計時和無紅燈倒計時2種情況下駛離時間數據差異，見表3.

由表3可知，有、無紅燈倒計時條件下，排隊車輛前3輛車駛離時間數據具有明顯的差異性(P<0.05)，第4輛車之后的駛離時間差異性減小.無紅燈倒計時情況下，直行車輛駕駛員沒有足夠的準備時間和心理預期，而有紅燈倒計時的情況下駕駛員清晰看到綠燈亮起的時間，準備時間充分.說明紅燈倒計時改變了駕駛員的駕駛行為，駕駛員調整了車輛的啟動時間，使得車輛的駛離時間出現差異.

表3　有無紅燈倒計時駛離時間數據差異表

2.2.3同一進口道不同通行方向的車輛駛離時間數據差異性

對同一種信號控制方式(有紅燈倒計時或無紅燈倒計時)下相同進口道直行和左轉車輛駛離時間的差異性進行分析，結果見表4.

表4　相同進口道左轉和直行車輛駛離時間差異

由表4可知，有紅燈倒計時條件下，相同進口道直行和左轉的前2輛車駛離時間的數據差異性較大(P<0.05).本次數據采集選擇的交叉口都有左轉專用相位，直行車流對左轉車流的干擾較小，左轉車輛駛離的車頭時距比直行車輛小，左轉車輛駛入交叉口后對后續車輛影響較小，后續車隊在紅燈倒計時的影響下能連貫的通過交叉口，左轉車輛通常采用不同的行駛軌跡，使得車輛能更快駛離停車線，并且左轉車輛公交車的比例較小，即大車遮擋情況較直行要少，以上原因都使得直行和左轉前2輛車的駛離時間在有紅燈倒計時信號控制方式下產生明顯差異.而無紅燈倒計時條件下，左轉和直行車輛駛離時間的差異不顯著(P>0.05).

2.2.4紅燈倒計時對公交車早啟現象的影響

實際調查數據表明，在紅燈倒計時情況下，若公交車位于排隊車輛首位，大部分公交車會在綠燈亮起前啟動車輛.圖4為公交車位于車隊首位時是否會提早啟動的統計結果.

圖4　有無紅燈倒計時條件下公交車提早啟動車輛數量

由圖4可知，在紅燈倒計時條件下，80.9%的公交車駕駛員選擇了提早啟動公交車.圖5表示首車為公交車時排隊各車輛的駛離時間，其數據表明，首車為公交車時，有紅燈倒計時條件下車隊消散時間比無紅燈倒計時條件下減少5.7 s，降低16.6%.

圖5　有無紅燈倒計時首車為公交車的車輛駛離時間

3結 束 語

本文基于實際交叉口觀測數據，分析紅燈倒計時對排隊車輛駛離時間的影響.通過實驗發現前3輛車累加的駛離時間差是造成車隊消散差異的主要原因，占總時間差的90.3%.有紅燈倒計時條件下，車隊的駛離時間較無紅燈倒計時條件下減少4.67 s，降低14.4%，車隊消散過程中的總延誤較無紅燈倒計時條件下減少41.74 s，降低19.8%，表明紅燈倒計時可提高交叉口通行效率.紅燈倒計時對紅燈期間排隊車隊前3輛車的駛離時間具有顯著影響(P<0.05)，直行和左轉前2輛車在紅燈倒計時條件下差異顯著(P<0.05)，在無紅燈倒計時條件下差異不顯著，說明紅燈倒計時改變了駕駛員的駕駛行為，使得車輛的駛離時間出現差異.紅燈倒計時使公交車駕駛員能根據紅燈剩余時間調整車輛啟動時間，在有紅燈倒計時條件下比無紅燈倒計時條件下車隊的消散時間減少5.7 s，降低16.6%.

本文對有無紅燈倒計時條件下車輛闖紅燈行為，以及紅燈倒計時對交叉口交通安全影響未做研究，上述問題將在后續工作中加以研究和完善，從而全方位評價紅燈倒計時對交叉口運行狀態的影響.

參 考 文 獻

[1]王巖,楊曉光.基于交通安全的交叉口信號倒計時信號燈設置研究[J].中國安全科學學報,2006,16(3):55-59.

[2]吳文靜,雋志才,賈洪飛.倒計時信號交叉口的駕駛員行為對策[J].系統工程理論與實踐,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]錢紅波.機動車紅燈倒計時對交通安全與通行效率的影響研究[J].交通信息與安全,2011,29(3):65-68.

[6]錢紅波,韓皓.機動車綠燈倒計時對交叉口交通安全的影響研究[J].中國安全科學學報,2010,20(3):9-13.

[7]李振龍,張劍坤.交通信號倒計時對駕駛員啟動反應時間的影響[J].交通信息與安全,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.

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[10]盛驟,謝式千,潘承毅.概率論與數理統計[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

中圖法分類號：U491.51

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.030

彭漢輝(1992- )：男，碩士生，主要研究領域為區域規劃與管理

*國家自然科學基金項目(51578432)、武漢市青年科技晨光計劃項目(2016)、武漢市城建委科技計劃項目(201433)資助