李 晉 宋 瑞 蔣金亮

（北京交通大學(xué)交通運輸學(xué)院 北京 100044）

0 引 言

綠燈間隔時間的作用是為了避免下一相位的頭車與上一相位的尾車在交叉口相撞，如果設(shè)置不當不僅會增加信號損失時間而且會導(dǎo)致交叉口的行車安全問題.據(jù)交警部門的統(tǒng)計資料，在城市道路上發(fā)生的交通事故有60%以上處于平面交叉口范圍內(nèi)，其中90%的事故是發(fā)生在綠燈間隔期間.

目前，我國學(xué)者已經(jīng)認識到我國現(xiàn)有交通法規(guī)對黃燈信號規(guī)定不夠明確，交通管理部門在黃燈時長設(shè)置上缺乏統(tǒng)一規(guī)范并存在執(zhí)法誤區(qū)［1］.錢紅波［2］等運用汽車動力學(xué)原理及交通沖突理論，確定了影響黃燈時長及全紅時間計算的相關(guān)因素，并提出了黃燈時間以及全紅時間的計算公式.王巖等［3］研究了交叉口信號倒計時裝置對綠燈間隔時間的影響，強調(diào)倒計時裝置的應(yīng)用帶來了一些交通安全和通行效率上的問題.但是上述研究對于機動車的制動特性和駕駛員在綠燈間隔時期的駕駛行為的研究還不夠深入，沒有考慮到機動車在制動時的制動器協(xié)調(diào)時間和機動車駕駛員在紅燈時進入交叉口的駕駛行為特性.

在已有研究成果的基礎(chǔ)上，著重分析了機動車的制動特性以及在交叉口安裝信號倒計時裝置和沒有安裝信號倒計時裝置這2種情況下駕駛員在綠燈間隔時期的駕駛行為.然后給出了在不同情況下綠燈間隔時間的計算公式，以便得到較為合理的綠燈間隔時間，提高交叉口安全水平.

1 綠燈間隔時間的組成

綠燈間隔時間，也稱為交叉口停車時間，是指上一相位綠燈結(jié)束到下一相位綠燈啟亮之間的一段時間［4］.當不同方向上的兩股車流通過交叉口時會產(chǎn)生交通沖突，其交點就是沖突點.因此，設(shè)置綠燈間隔時間的目的是為了避免下一相位頭車同上一相位尾車在交叉口內(nèi)產(chǎn)生沖突.綠燈間隔時間I由黃燈時間A和全紅時間AR組成.

式中：s為停止線到?jīng)_突點距離，m；v為車輛在進口道上的行駛車速，m／s；t為車輛制動時間.當計算出的綠燈間隔時間I＜3s時，配以黃燈時間3 s；當I＞3s時，其中3s配以黃燈，其余時間配以紅燈.

2 機動車制動特性與駕駛員駕駛行為分析

2.1 機動車制動特性分析

機動車行駛時能在短距離內(nèi)停車且維持行駛方向穩(wěn)定性和在下長坡時能維持一定車速的能力，稱為機動車的制動性.機動車的制動特性對制動距離影響很大，而制動距離是設(shè)置黃燈時間必須考慮的重要因素，因此，對機動車的制動特性進行分析是十分必要的.

圖1是機動車的制動過程示意圖，描繪了駕駛員在接收到制動信號后，制動踏板力Fv、制動減速度a、車速v與制動時間t的關(guān)系.

圖1 機動車制動過程

駕駛員在接收到制動信號時（圖1中的O點），并沒有立刻行動，而是要經(jīng)過時間t1后才意識到應(yīng)該對機動車進行制動，并開始踩到制動踏板（圖1中的a點），這段時間稱為駕駛員反應(yīng)時間，t1一般取1s［5］.在反應(yīng)時間內(nèi)，由于駕駛員并沒有開始制動，機動車的速度v1并沒有改變.在a點以后，隨著駕駛員踩踏板的動作，踏板力迅速增大，至e點時達到最大值.不過由于制動蹄是由回位彈簧拉著，蹄片與制動鼓間存在間隙，所以要經(jīng)過時間t2到達b點后，制動力才起作用，在時間t2過程中，機動車的速度也沒有改變，這段時間t2稱為制動協(xié)調(diào)時間.而圖1中b點到c點是制動力增長過程所需的時間t3，在此段時間內(nèi)，機動車受到制動力開始產(chǎn)生減速度，車輛的速度從b點起才開始下降.在c點到d點這段時間t4是持續(xù)制動時間，其減速度基本不變，機動車的速度一直降低直至停車（圖1中的d點）.可見，機動車在制動過程中的時間t1＋t2里，機動車的速度沒有改變，仍然保持原有的車速v1行駛.在時間t3＋t4里，機動車的速度一直降低，直至車速為零.為了方便研究，假設(shè)在這段時間內(nèi)，機動車的速度是勻速降低的，即減速度是恒定不變的.

2.2 駕駛員駕駛行為分析

全紅時間的設(shè)置受下一相位綠燈開始時頭車的行駛行為影響，而信號交叉口有無安裝交通信號倒計時裝置則會對頭車駕駛員的駕駛行為產(chǎn)生不同的影響.下面從信號交叉口未安裝交通信號倒計時裝置和安裝交通信號倒計時裝置這兩種情況來分析駕駛員的駕駛行為.

1）信號交叉口未安裝交通信號倒計時裝置

當交叉口有機動車在停止線前排隊時，若綠燈啟亮，由于頭車駕駛員從接收到信號至采取行動需要一個反應(yīng)時間，而機動車從靜止到啟動也有一個過程，所以此時機動車從綠燈啟亮到開始起步存在一個延遲時間，通常稱之為車輛啟動延遲時間.

當交叉口沒有機動車在停止線前排隊時，機動車在快到交叉口時駕駛員首先會打算以一定的減速度減速，并在停止線前停車，然后在綠燈啟亮后通過交叉口.但是存在下面一種極端情況，即正在減速的機動車行駛到離停止線只有一小段距離時，綠燈恰好啟亮，機動車經(jīng)過駕駛員反應(yīng)時間后正好行駛到停止線前，而后駕駛員立刻加速通過交叉口.這種情況下機動車由于沒有啟動延遲時間的損失所以到達沖突點的時間要比正常啟動狀態(tài)下早，雖然這種情況出現(xiàn)的概率比較小，但是總有存在的可能，出于安全考慮，在設(shè)置全紅時間時應(yīng)該考慮到這種情況.

2）信號交叉口安裝交通信號倒計時裝置信號交叉口安裝了交通信號倒計時裝置后，機動車的行為會有很大的不同.

當交叉口有機動車在停止線前排隊時，由于安裝了交通信號倒計時裝置，機動車駕駛員可以預(yù)知綠燈啟亮的時間，提前做好啟動準備，因而車輛啟動延遲時間有所減少，該啟動延遲時間可降低1.00～1.92s［6］.

當交叉口沒有機動車在停止線前排隊時，在紅燈末尾時間內(nèi)行駛到交叉口的機動車駕駛員可以準確地了解綠燈啟亮的時間，并根據(jù)車速調(diào)整機動車的行駛狀態(tài)，使得機動車能夠以較高的速度在綠燈啟亮的瞬間駛過停止線.這種情況下機動車到達沖突點的時間要比在停止線前有機動車排隊時的情況早，且通過交叉口時機動車仍然可以一直保持較高的車速.

3 黃燈時間的計算

黃燈是信號控制中綠燈向紅燈轉(zhuǎn)變的過渡信號，而黃燈時間A是綠燈間隔時間的主要組成部分.設(shè)置黃燈的目的就是提醒機動車駕駛員信號燈即將由綠燈變?yōu)榧t燈，機動車駕駛員應(yīng)該根據(jù)當前自己的車速以及其離停止線的距離做出判斷，決定在紅燈啟亮前是通過停止線還是在停止線前停車.黃燈啟亮?xí)r，對于已經(jīng)越過停止線的機動車必須繼續(xù)通過，對于那些還未越過停止線且離停止線尚有足夠保證其安全停車距離的機動車，黃燈時間A必須保證其在停止線前安全停車；而對于那些還未越過停止線且離停止線的距離不足以保證其安全停車的機動車，黃燈時間A應(yīng)該能夠提供足夠的時間保證其順利安全地通過停止線［7－10］.

機動車如果在黃燈啟亮?xí)r想要在停止線前安全停靠，其離停止線的距離必須大于一定的長度L1.

式中：v0為交叉口設(shè)計速度，m／s；t0為駕駛員反應(yīng)時間（一般取1s），s；tc為制動協(xié)調(diào)時間（一般取0.2s），s；a1為制動減速度（一般取3.0m／s2），m／s2.

機動車如果在黃燈啟亮?xí)r離停止線的距離不足以保證其安全停車于停止線前，那么機動車必須在紅燈啟亮前通過停止線.該機動車離停止線的距離L必須小于一定的長度L2.

式中：L0為機動車的長度，m.

圖2 最佳黃燈時間示意圖

從圖2中可以看出，曲線L1上方區(qū)域G是選擇停車區(qū)域，在這一區(qū)域中，機動車駕駛員在黃燈啟亮?xí)r應(yīng)該選擇在停止線前停車，而曲線L2下方區(qū)域F是選擇通過區(qū)域，在這一區(qū)域中，機動車駕駛員在黃燈啟亮?xí)r應(yīng)該保持原來速度通過交叉口.曲線L1上方區(qū)域G與曲線L2下方區(qū)域F相重疊的區(qū)域D 是停車／通過區(qū)域，在這一區(qū)域中，機動車駕駛員在黃燈啟亮?xí)r既可以選擇在停止線前停車，也可以選擇保持原來速度通過交叉口.但是圖2中存在一部分陰影區(qū)域E，在這一區(qū)域中，當機動車駕駛員選擇在停止線前停車時，黃燈時間不足以保證其安全停車；當機動車駕駛員選擇保持原來速度通過交叉口時，黃燈時間也不足以保證其順利通過.不論駕駛員選擇停車或者選擇通過，都會使機動車不可避免地出現(xiàn)闖紅燈的行為.在這一區(qū)域中，駕駛員陷入了兩難的境地.為了讓機動車駕駛員在通過交叉口時不至于陷入進退兩難的境地，應(yīng)使曲線L2始終在曲線L1的上方，那么L2≥L1，即v0×A－L0≥v0×（t0取最小黃燈時間，可得黃燈時間為

4 全紅時間的計算

全紅時間是綠燈間隔時間的重要組成部分，是指從上一相位黃燈結(jié)束起至下一相位綠燈開始止的時間間隔.設(shè)置全紅時間的目的是使上一相位黃燈結(jié)束前的尾車與下一相位綠燈開始時的頭車不至于在交叉口沖突點相撞，因此，它的值A(chǔ)R是上一相位黃燈結(jié)束前通過停止線的尾車的清空時間tq與下一相位綠燈開始時頭車的進入時間tj的差.由于交叉口是否安裝交通信號倒計時裝置會對下一相位頭車的行駛狀態(tài)產(chǎn)生影響進而影響進入時間tj，所以下面根據(jù)交叉口未安裝交通信號倒計時裝置和安裝交通信號倒計時裝置這兩種情況分別進行討論.

1）交叉口未安裝交通信號倒計時裝置 為了安全考慮，應(yīng)選擇進入時間tj最小的情況來確定全紅時間.在此條件下的極端情況是停止線前沒有機動車排隊，正在減速的機動車行駛到離停止線只有一小段距離時，綠燈恰好啟亮，機動車經(jīng)過駕駛員反應(yīng)時間后正好行駛到停止線前，而后駕駛員立刻加速通過交叉口.這時，機動車不存在啟動延遲時間，進入時間tj最小，機動車初速度為0，加速行駛到達沖突點C（見圖3）.可得，

圖3 相鄰兩相位交通沖突示意圖

式中：a2為機動車加速時的加速度，m／s2；Sq為上一相位尾車的清空距離，m；Sj為下一相位頭車的進入距離，m.

2）交叉口安裝交通信號倒計時裝置 在此條件下的極端情況是停止線前沒有機動車排隊，在紅燈末尾時行駛到交叉口的機動車駕駛員準確地知道綠燈啟亮的時間，并根據(jù)車速調(diào)整機動車的行駛狀態(tài)，使得機動車以較高的速度在綠燈啟亮的瞬間駛過停止線.這時，機動車的進入時間tj最小，且機動車的行駛速度為v0，以勻速狀態(tài)行駛到達沖突點C.可得，

從式（5）～（6）可以看出，安裝了交通信號倒計時裝置的信號交叉口的全紅時間要比未安裝交通信號倒計時裝置的信號交叉口的全紅時間設(shè)置得更長一些.

5 算例分析

設(shè)某交叉口為信號控制交叉口，該交叉口設(shè)計速度v0＝20km／h，上一相位尾車的清空距離Sq＝20m，下一相位頭車的進入距離Sj＝8m.駕駛員的反應(yīng)時間t0＝1.0s，機動車制動協(xié)調(diào)時間tc＝0.2s，制動減速度a1＝3.0m／s2，機動車加速時的加速度a2＝2.0m／s2，機動車的平均長度L0＝10m.

根據(jù)式（3），黃燈時間

若該交叉口未安裝了交通信號倒計時裝置，根據(jù)式（5），全紅時間

則綠燈間隔時間I＝A＋AR＝4.6s.

若該交叉口安裝了交通信號倒計時裝置，根據(jù)式（6），全紅時間

則綠燈間隔時間I＝A＋AR＝6.0s.

而采用目前應(yīng)用最普遍的公式（1）時，停止線到?jīng)_突點距離s為20m，車輛在進口道上的行駛車速v為5.6m／s，車輛制動時間t為2s，則綠燈間隔時間其中，黃燈時間配以3s，全紅時間配以2.6s.

由上述計算可以看出，該交叉口的黃燈時間只配以3s是不足的，機動車駕駛員難以保證機動車在紅燈啟亮前順利安全地通過停止線或者在停止線前停車.較短的黃燈時間會使交叉口產(chǎn)生較嚴重的安全隱患.而全紅時間的分配則應(yīng)根據(jù)交叉口是否安裝交通倒計時裝置來分別討論，對于安裝了交通信號倒計時裝置的交叉口，由于駕駛員了解信號變化的準確信息，其計算出的全紅時間反而要比未安裝交通信號倒計時裝置的交叉口長.然而式（1）并未區(qū)分交叉口的這種情況，以至于計算出的該交叉口的全紅時間長達2.6s，損失了一定的時間，增加了交叉口的延誤，也降低了交叉口的通行能力.

由于在計算綠燈間隔時間時結(jié)合了交叉口的實際情況并考慮了機動車的制動特性和駕駛員的駕駛行為，因此計算出的綠燈間隔時間更能夠有效地減少交通沖突和保證交叉口機動車的行車安全.

6 結(jié)束語

為了得到更加安全與合理的綠燈間隔時間計算方法，通過分析機動車的制動特性和在綠燈間隔時間內(nèi)機動車駕駛員的駕駛特性，結(jié)合交叉口的實際情況對綠燈間隔時間中黃燈時間和全紅時間的計算重新進行定義.算例分析得到本文提出的綠燈間隔時間的計算方法比傳統(tǒng)計算方法（式（1））更加符合實際情況，保證了交叉口的行車安全.

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