紅燈倒計(jì)時(shí)對(duì)交叉口車輛駛離時(shí)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(xué)智能交通系統(tǒng)研究中心1)　武漢　430063)　(武漢交通科技研究院有限責(zé)任公司2)　武漢　430073)

紅燈倒計(jì)時(shí)對(duì)交叉口車輛駛離時(shí)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(xué)智能交通系統(tǒng)研究中心1)武漢430063)(武漢交通科技研究院有限責(zé)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(jì)時(shí)對(duì)交叉口排隊(duì)車輛駛離時(shí)間的影響，以實(shí)際交叉口交通觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和非參數(shù)檢驗(yàn)方法分析有無紅燈倒計(jì)時(shí)條件下排隊(duì)車輛駛離時(shí)間差異性.結(jié)果表明，車隊(duì)消散差異的主要原因是前3輛車?yán)奂拥鸟傠x時(shí)間差，占總時(shí)間差的90.3%；紅燈倒計(jì)時(shí)條件下，車隊(duì)的駛離時(shí)間減少4.67 s，降低14.4%，車隊(duì)消散過程中的總延誤減少41.74 s，降低19.8%；紅燈倒計(jì)時(shí)對(duì)車隊(duì)中前3輛車的駛離時(shí)間具有顯著影響(P<0.05)；直行和左轉(zhuǎn)前2輛車在紅燈倒計(jì)時(shí)條件下駛離時(shí)間差異顯著(P<0.05)，在無紅燈倒計(jì)時(shí)條件下差異不顯著.上述結(jié)果表明，紅燈倒計(jì)時(shí)對(duì)交叉口通行效率有積極影響.

關(guān)鍵詞：紅燈倒計(jì)時(shí)；車輛駛離時(shí)間；通行效率；非參數(shù)檢驗(yàn)；車頭時(shí)距

0引言

紅燈倒計(jì)時(shí)是將紅燈剩余時(shí)間與紅燈信號(hào)一同顯示出來，使駕駛員能準(zhǔn)確了解路口紅綠燈轉(zhuǎn)換時(shí)間[1]，從而可提前做好準(zhǔn)備并在綠燈啟亮?xí)r快速啟動(dòng)車輛.此外，駕駛員也可根據(jù)紅燈剩余時(shí)間的長(zhǎng)短決定是否關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)等待[2].

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)紅燈倒計(jì)時(shí)條件下車輛的通行效率和交通安全進(jìn)行了廣泛研究，取得了一定成果.Chiou等[3]研究駕駛員對(duì)紅燈倒計(jì)時(shí)的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)安裝紅燈倒計(jì)時(shí)后，初期能減少車輛早啟動(dòng)率，4個(gè)月后車輛早啟動(dòng)率回升到初始水平，而啟動(dòng)延誤和飽和車頭時(shí)距在4個(gè)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(jì)時(shí)燈能減少啟動(dòng)損失時(shí)間，降低飽和車頭時(shí)距和增加飽和流率.錢紅波等[5-6]通過問卷調(diào)查和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)得出交通流量較大、信號(hào)周期過長(zhǎng)時(shí)宜設(shè)置紅燈倒計(jì)時(shí)信號(hào)，在交通流量較小時(shí)宜將紅燈倒計(jì)時(shí)信號(hào)關(guān)閉或改為紅黃燈信號(hào).李振龍等[7]采用描述統(tǒng)計(jì)法和核密度估計(jì)法得出信號(hào)倒計(jì)時(shí)使駕駛員能夠預(yù)先知曉綠燈啟亮的時(shí)間，減少綠燈初期的啟動(dòng)損失時(shí)間.Ke等[8]將紅燈倒計(jì)時(shí)控制方式分為3類，得出倒計(jì)時(shí)顯示的時(shí)間越短，車輛早啟動(dòng)率越高；安裝紅燈倒計(jì)時(shí)的路口，前3輛排隊(duì)車輛啟動(dòng)延誤都會(huì)降低.楊京帥等[9]通過非參數(shù)檢驗(yàn)分析紅燈倒計(jì)時(shí)對(duì)首車的啟動(dòng)延誤影響，得出有、無紅燈倒計(jì)時(shí)首車啟動(dòng)延誤具有顯著性差異.

從國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有研究來看，對(duì)于紅燈倒計(jì)時(shí)的影響主要集中在紅燈期間排隊(duì)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(shí)間得到的信息不能夠完整地反映排隊(duì)車輛的整體通行效率.為了盡可能完整地描述紅燈倒計(jì)時(shí)對(duì)排隊(duì)車輛通行效率的影響，本文以紅燈期間排隊(duì)的整個(gè)車隊(duì)為研究目標(biāo)，對(duì)車隊(duì)中各車輛的駛離時(shí)間、車頭時(shí)距等進(jìn)行深入分析，從而揭示紅燈倒計(jì)時(shí)對(duì)交叉口各排隊(duì)車輛駛離效率的影響.

1數(shù)據(jù)采集

選擇無紅燈倒計(jì)時(shí)和有紅燈倒計(jì)時(shí)的信號(hào)交叉口進(jìn)行觀測(cè)，在每個(gè)觀測(cè)方向架設(shè)攝像機(jī)，對(duì)交叉口各進(jìn)口道機(jī)動(dòng)車和信號(hào)燈進(jìn)行錄像，以獲得各交叉口的觀測(cè)數(shù)據(jù).視頻錄制好后，由交通調(diào)查員根據(jù)錄像記錄排隊(duì)車輛消散的數(shù)據(jù)，包括車輛的位置編號(hào)、大小車比例、各車輛的駛離時(shí)間和車頭時(shí)距.記錄的車輛位置編號(hào)定義為綠燈亮起時(shí)，車輛在駛離車隊(duì)中的序號(hào)；車輛駛離時(shí)間定義為自綠燈亮起時(shí)刻開始，到目標(biāo)車輛的車尾經(jīng)過停車線為止的時(shí)間.

1.1交通調(diào)查地點(diǎn)

選擇道路設(shè)施條件與交通狀況差異較小的道路交叉口進(jìn)行觀測(cè)(見表1)，其中2個(gè)交叉口有紅燈倒計(jì)時(shí)，2個(gè)交叉口無紅燈倒計(jì)時(shí).因?yàn)槲錆h市采用SCOOT信號(hào)控制系統(tǒng)，信號(hào)周期不固定，所以統(tǒng)計(jì)交叉口基本情況時(shí)不包括信號(hào)周期.

表1　選定的4個(gè)交叉口基本情況

2數(shù)據(jù)分析

2.1車輛駛離時(shí)間統(tǒng)計(jì)分析

主要分析車輛駛離時(shí)間和車頭時(shí)距的集中位置、離散程度、差異性等.通過比較有、無紅燈倒計(jì)時(shí)條件下各位置車輛駛離時(shí)間的差異性，以及車隊(duì)消散過程中的總延誤，從而對(duì)紅燈倒計(jì)時(shí)的影響進(jìn)行量化評(píng)價(jià).表2為經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到各位置排隊(duì)車輛的駛離時(shí)間均值數(shù)據(jù)，由于統(tǒng)計(jì)到的數(shù)據(jù)樣本中以小車為主，所以文中不考慮大車對(duì)車輛平均駛離時(shí)間的影響.

表2　車輛駛離時(shí)間　s

表2可知，在紅燈倒計(jì)時(shí)條件下，各位置編號(hào)的車輛駛離時(shí)間小于無紅燈倒計(jì)時(shí)環(huán)境，說明在紅燈倒計(jì)時(shí)條件下車輛能更迅速地啟動(dòng)和駛離交叉口.以排隊(duì)中第10輛車為例，有紅燈倒計(jì)時(shí)條件下比無紅燈倒計(jì)時(shí)條件下駛離時(shí)間減少4.67 s，降低14.4%.

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

紅燈倒計(jì)時(shí)信號(hào)不僅能使紅燈期間排隊(duì)首車駕駛員有足夠的準(zhǔn)備時(shí)間，也有助于后續(xù)車輛及時(shí)啟動(dòng).圖1顯示，第4輛車后累計(jì)駛離時(shí)間差不再增大，即造成車隊(duì)消散時(shí)間的差異主要為前3輛車?yán)奂拥鸟傠x時(shí)間差，占總時(shí)間差的90.3%，說明排隊(duì)前3輛車受到紅燈倒計(jì)時(shí)的影響較大.從第4輛車后駕駛員跟隨前車的啟動(dòng)，紅燈倒計(jì)時(shí)對(duì)駕駛員的影響逐漸減小.

圖1　各位置車輛駛離時(shí)間差

在同向行駛的一列車隊(duì)中，兩連續(xù)行駛的車輛的車頭駛過停車線的時(shí)間間隔，為車頭時(shí)距.以停車線為坐標(biāo)原點(diǎn)，車輛位置編號(hào)為橫坐標(biāo)，以車頭時(shí)距值為縱坐標(biāo)繪制車頭時(shí)距折線圖，見圖2.

圖2　有無紅燈倒計(jì)時(shí)各車輛的車頭時(shí)距

由圖3可知，有紅燈倒計(jì)時(shí)條件下前3輛車的車頭時(shí)距較無紅燈倒計(jì)時(shí)條件下小，其原因是，駕駛員根據(jù)紅燈倒計(jì)時(shí)剩余時(shí)間提前做好了車輛啟動(dòng)的準(zhǔn)備工作，減少了車輛啟動(dòng)損失時(shí)間.從第4輛車以后，有、無紅燈倒計(jì)時(shí)情況下車頭時(shí)距的差異較小，表明紅燈倒計(jì)時(shí)主要影響排隊(duì)中前4輛車的車頭時(shí)距.

2.2車輛駛離時(shí)間的差異性分析

2.2.1數(shù)據(jù)差異性分析方法

本文應(yīng)用非參數(shù)檢驗(yàn)中的Kologorov-Smirnov(K-S)檢驗(yàn)來研究車輛駛離時(shí)間的差異顯著性[10]，即分析車輛駛離時(shí)間在有無紅燈倒計(jì)時(shí)是否為獨(dú)立同分布.

K-S檢驗(yàn)的檢驗(yàn)原理是經(jīng)驗(yàn)分布為理論分布的相容估計(jì).假設(shè)有紅燈倒計(jì)時(shí)下的第i輛車的數(shù)據(jù)樣本服從X1,X2,…,Xm～Fi(x)，無紅燈倒計(jì)時(shí)下的第i輛車的數(shù)據(jù)樣本服從Y1,Y2,…,Yn～Gi(y)，因?yàn)闊o紅燈倒計(jì)時(shí)下車輛駛離時(shí)間較有紅燈倒計(jì)時(shí)下駛離時(shí)間長(zhǎng)，所以減去有無紅燈倒計(jì)時(shí)下第i輛車的駛離時(shí)間差的均值，取第i輛駛離時(shí)間差的均值為Ti，則第輛排隊(duì)車輛樣本服從Gi(y)-Ti，則檢驗(yàn)問題為

(1)

可采用如下統(tǒng)計(jì)量來判斷兩組統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的差異性，即

(2)

式中：i為車輛的位置編號(hào)，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(tǒng)計(jì)量，m，n為樣本數(shù)；Fim(X(i))和Gin(Y(i))為位置編號(hào)為i的車輛，在樣本數(shù)分別為m和n的情況下，順序統(tǒng)計(jì)量X(i)和Y(i)的經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)；H0的拒絕域?yàn)槟持眯潘较嘛@著性的最大值.若2樣本相似，統(tǒng)計(jì)量D→0，則P→1，反之亦然.取拒絕域0.05，顯著性P>0.05，則認(rèn)為2樣本差異不顯著；若顯著性P<0.05，則認(rèn)為2樣本差異顯著.

2.2.2同一通行方向不同信號(hào)控制方式下車輛駛離時(shí)間的差異性

首先研究有紅燈倒計(jì)時(shí)和無紅燈倒計(jì)時(shí)2種情況下車輛駛離時(shí)間的差異性.取紅燈期間排隊(duì)的前10輛車，根據(jù)車輛排隊(duì)順序標(biāo)記為i=1,2,3,…,10，將數(shù)據(jù)分為10組.將有紅燈倒計(jì)時(shí)和無紅燈倒計(jì)時(shí)2種情況下駛離時(shí)間數(shù)據(jù)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(yàn)得到有紅燈倒計(jì)時(shí)和無紅燈倒計(jì)時(shí)2種情況下駛離時(shí)間數(shù)據(jù)差異，見表3.

由表3可知，有、無紅燈倒計(jì)時(shí)條件下，排隊(duì)車輛前3輛車駛離時(shí)間數(shù)據(jù)具有明顯的差異性(P<0.05)，第4輛車之后的駛離時(shí)間差異性減小.無紅燈倒計(jì)時(shí)情況下，直行車輛駕駛員沒有足夠的準(zhǔn)備時(shí)間和心理預(yù)期，而有紅燈倒計(jì)時(shí)的情況下駕駛員清晰看到綠燈亮起的時(shí)間，準(zhǔn)備時(shí)間充分.說明紅燈倒計(jì)時(shí)改變了駕駛員的駕駛行為，駕駛員調(diào)整了車輛的啟動(dòng)時(shí)間，使得車輛的駛離時(shí)間出現(xiàn)差異.

表3　有無紅燈倒計(jì)時(shí)駛離時(shí)間數(shù)據(jù)差異表

2.2.3同一進(jìn)口道不同通行方向的車輛駛離時(shí)間數(shù)據(jù)差異性

對(duì)同一種信號(hào)控制方式(有紅燈倒計(jì)時(shí)或無紅燈倒計(jì)時(shí))下相同進(jìn)口道直行和左轉(zhuǎn)車輛駛離時(shí)間的差異性進(jìn)行分析，結(jié)果見表4.

表4　相同進(jìn)口道左轉(zhuǎn)和直行車輛駛離時(shí)間差異

由表4可知，有紅燈倒計(jì)時(shí)條件下，相同進(jìn)口道直行和左轉(zhuǎn)的前2輛車駛離時(shí)間的數(shù)據(jù)差異性較大(P<0.05).本次數(shù)據(jù)采集選擇的交叉口都有左轉(zhuǎn)專用相位，直行車流對(duì)左轉(zhuǎn)車流的干擾較小，左轉(zhuǎn)車輛駛離的車頭時(shí)距比直行車輛小，左轉(zhuǎn)車輛駛?cè)虢徊婵诤髮?duì)后續(xù)車輛影響較小，后續(xù)車隊(duì)在紅燈倒計(jì)時(shí)的影響下能連貫的通過交叉口，左轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)前2輛車的駛離時(shí)間在有紅燈倒計(jì)時(shí)信號(hào)控制方式下產(chǎn)生明顯差異.而無紅燈倒計(jì)時(shí)條件下，左轉(zhuǎn)和直行車輛駛離時(shí)間的差異不顯著(P>0.05).

2.2.4紅燈倒計(jì)時(shí)對(duì)公交車早啟現(xiàn)象的影響

實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)表明，在紅燈倒計(jì)時(shí)情況下，若公交車位于排隊(duì)車輛首位，大部分公交車會(huì)在綠燈亮起前啟動(dòng)車輛.圖4為公交車位于車隊(duì)首位時(shí)是否會(huì)提早啟動(dòng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果.

圖4　有無紅燈倒計(jì)時(shí)條件下公交車提早啟動(dòng)車輛數(shù)量

由圖4可知，在紅燈倒計(jì)時(shí)條件下，80.9%的公交車駕駛員選擇了提早啟動(dòng)公交車.圖5表示首車為公交車時(shí)排隊(duì)各車輛的駛離時(shí)間，其數(shù)據(jù)表明，首車為公交車時(shí)，有紅燈倒計(jì)時(shí)條件下車隊(duì)消散時(shí)間比無紅燈倒計(jì)時(shí)條件下減少5.7 s，降低16.6%.

圖5　有無紅燈倒計(jì)時(shí)首車為公交車的車輛駛離時(shí)間

3結(jié) 束 語

本文基于實(shí)際交叉口觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析紅燈倒計(jì)時(shí)對(duì)排隊(duì)車輛駛離時(shí)間的影響.通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)前3輛車?yán)奂拥鸟傠x時(shí)間差是造成車隊(duì)消散差異的主要原因，占總時(shí)間差的90.3%.有紅燈倒計(jì)時(shí)條件下，車隊(duì)的駛離時(shí)間較無紅燈倒計(jì)時(shí)條件下減少4.67 s，降低14.4%，車隊(duì)消散過程中的總延誤較無紅燈倒計(jì)時(shí)條件下減少41.74 s，降低19.8%，表明紅燈倒計(jì)時(shí)可提高交叉口通行效率.紅燈倒計(jì)時(shí)對(duì)紅燈期間排隊(duì)車隊(duì)前3輛車的駛離時(shí)間具有顯著影響(P<0.05)，直行和左轉(zhuǎn)前2輛車在紅燈倒計(jì)時(shí)條件下差異顯著(P<0.05)，在無紅燈倒計(jì)時(shí)條件下差異不顯著，說明紅燈倒計(jì)時(shí)改變了駕駛員的駕駛行為，使得車輛的駛離時(shí)間出現(xiàn)差異.紅燈倒計(jì)時(shí)使公交車駕駛員能根據(jù)紅燈剩余時(shí)間調(diào)整車輛啟動(dòng)時(shí)間，在有紅燈倒計(jì)時(shí)條件下比無紅燈倒計(jì)時(shí)條件下車隊(duì)的消散時(shí)間減少5.7 s，降低16.6%.

本文對(duì)有無紅燈倒計(jì)時(shí)條件下車輛闖紅燈行為，以及紅燈倒計(jì)時(shí)對(duì)交叉口交通安全影響未做研究，上述問題將在后續(xù)工作中加以研究和完善，從而全方位評(píng)價(jià)紅燈倒計(jì)時(shí)對(duì)交叉口運(yùn)行狀態(tài)的影響.

參 考 文 獻(xiàn)

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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(hào)：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(lǐng)域?yàn)閰^(qū)域規(guī)劃與管理

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51578432)、武漢市青年科技晨光計(jì)劃項(xiàng)目(2016)、武漢市城建委科技計(jì)劃項(xiàng)目(201433)資助