倒计时信号灯对交叉口交通安全影响研究＊

俞 灏 刘 攀 羊 钊 陈昱光

（1.东南大学城市智能交通江苏省重点实验室 南京210096；2.现代城市交通技术江苏高校协同创新中心 南京210096；3.昆明理工大学交通工程学院 昆明650093）

0 引 言

信号倒计时装置作为1种交叉口交通控制辅助设施已在我国得到广泛应用。常用信号倒计时装置包括绿灯倒计时、红灯倒计时和早启绿闪等类型。以南京市为例，目前多数信号交叉口都配备了带数字显示的倒计时装置，设置在信号灯一侧（见图1）。信号倒计时装置不断显示当前信号相位剩余时间，为驾驶人停车和启动提供了更多决策思考时间，同时可以舒缓红灯期间驾驶人因等待产生的焦躁情绪［1］。已有研究表明信号倒计时装置对交叉口通行能力提升作用有限［2］，但对其如何影响交叉口交通安全尚无明确结论。在已有研究的基础上，笔者采用红灯黄灯时段通过停车线情况及交通冲突数作为替代指标进行安全影响评价，量化分析信号倒计时装置对交叉口安全的影响［3－4］。

图1 常见信号倒计时装置示意－以南京为例Fig.1 Signal countdown timer device in nanjing

1 国内外研究现状

已有研究多采用信号倒计时装置影响下驾驶人在交叉口的冒险行为（如红黄灯时段通过停车线）和绿灯时段静止车辆启动特性作为指标，分析倒计时信号装置对交通安全的影响。Chiou等［5］对绿灯倒计时和红灯倒计时装置对交叉口进口道驾驶人行为的影响进行了研究。结果表明，2类信号倒计时装置对交叉口安全均无显著提升。绿灯倒计时装置导致进口道处驾驶人犹豫区域的延伸，增加了发生追尾事故的风险。Ibrahim等［4］发现在设置了绿灯倒计时装置1.5个月后，闯红灯率降低了65%，但是这种改善效果在7.5个月之后逐渐消失，交叉口的闯红灯率又恢复到了之前的水平。王岩等［6］基于分析模型研究了信号倒计时装置对交叉口安全的影响，认为信号倒计时不仅降低交叉口通行能力还降低了交叉口安全水平，因此建议慎重使用信号倒计时装置。

总的来说，国内对信号倒计时装置对交通安全的影响研究较少。已有研究多基于用户调查等手段，缺少对交通安全的客观描述［7－9］。部分基于驾驶人行为的研究，由于数据来源局限于单一交叉口，存在样本量不足和数据变异性较大等问题，导致研究结论存在差异。

2 研究方法及数据采集

2.1 评价指标选取

在城市交通环境下，交通事故发生原因复杂、事故数据获取困难。特别是在信号倒计时装置并非与交通事故的发生直接相关的情况下，通过有限的数据难以正确建立信号倒计时装置与交通事故之间的分析模型，因而很难以交通事故为安全评价指标对信号倒计时装置的安全影响进行分析。

信号倒计时装置对交叉口安全的影响主要建立在对进口道处驾驶人行为特性影响的基础上。笔者利用红黄灯相位下通过停车线事件的频次，以及绿灯相位下进口道交通冲突频次2项指标对进口道处的驾驶人行为特性进行量化，并以此对交叉口安全水平进行评估。在统计通过停车线事件的频次时，考虑红灯与黄灯对驾驶人约束效力的差异，分别记录2个时间段的车次；在统计交通冲突频次时，主要记录绿灯启亮时及绿灯结束前15 s内进口道处发生的换道及追尾冲突。这2类冲突被认为与信号倒计时装置有较高的相关性［10－12］。

2.2 分析方法

使用对比实验方法对有无信号倒计时装置的交叉口进行分析，确保被调查交叉口除有无信号倒计时装置外，交叉口特征基本保持一致，从而认为在不同交叉口测得的数据差异仅由是否安装信号倒计时装置及固有随机性引起，数据采集选点原则如2.3节所述。本次研究利用视频摄像方法确保数据采集时间的一致性，同时采用t检验对各指标统计结果进行统计显著性检验，包括每周期红灯以及黄灯期间通过停车线的车次，换道冲突数以及追尾冲突数。采用的t检验的原假设表述为：有信号倒计时装置交叉口相关指标统计结果与无信号倒计时装置交叉口相应指标统计结果没有差异。当且仅当式（1）成立时，拒绝原假设［13］。

2.3 数据采集

对9个信号交叉口的13个进口道进行了相关数据调查，数据采集点情况见表1，这些交叉口位于江苏省内的2个临近城市。为了确保所选信号交叉口具有可比性，本次研究在进行数据采集点选取时，遵循了如下原则。

1）该信号交叉口提供左转保护相位，并为左转车辆提供左转专用道。

2）车道宽度至少3.5 m。

3）交叉口内行人及非机动车较少，对机动车流几乎无影响。

4）在进口道内停车线前100 m范围内没有路侧停车位或公交站台。

5）交叉口远离城市中心商业区。

所选13个进口道中（见表1）有9个进口道设有信号倒计时装置，4个进口道属于无信号倒计时装置的信号交叉口。使用视频录像的方式对实地数据进行记录，为提高视频数据采集有效性，录制视频的角度及位置都进行了调整，摄像机被放置在路侧建筑物的高层，确保整个进口道都在观测范围内，同时所有视频数据均录制于2012年6月天气晴朗的工作日晚高峰时间16：30～18：30时间。对13个进口道共计21 h的视频数据进行了数据读取，统计各信号周期内所研究进口道的交通流量，红黄灯期间穿越停车线的车次数以及交通冲突数。对各个进口道的直行车辆与左转车辆进行了分别记录。根据Migletz等［14］对交通冲突的定义，2辆或多辆机动车之间，由于其中1辆车的行为导致其他车作出避让行为的事件，被定义为交通冲突。常见的冲突类型主要包括交叉冲突、换道冲突以及追尾冲突。由于本次研究环境为交叉口进口道，因而主要涉及2种类型的交通冲突：换道冲突和追尾冲突。分别做如下定义。

1）换道冲突。由于前车未及时启动或启动过慢，为了避免与前车发生碰撞，后车进行换道的事件。

2）追尾冲突。由于前车未及时启动或启动过慢，为了避免与前车发生碰撞，后车启动后又有明显减速行为的事件。

表1 调查交叉口特性Tab.1 Characteristic of selected signalized intersections

3 数据分析结果

3.1 红黄灯相位下驾驶人行为特性

采用通过停车线事件的频次作为红黄灯相位下驾驶人行为特性的量化指标。采集了13个信号交叉口的进口道共计425个周期的交通数据，其中红灯相位下通过停车线39车次，黄灯相位下通过停车线214车次。在直行方向交通流中，红灯相位下通过停车线17车次，黄灯相位下通过停车线112车次；左转方向交通流的2项数据分别为22车次和102车次。单个周期发生此类事件的频次分布情况见图2，分析结果如下。

图2 有无信号倒计时装置条件下直行左转车辆事件发生分布对比Fig.2 Comparison of the distributions of red－yellow running violations with and without signal countdown devices

1）在采集到的425个周期内，安装有信号倒计时装置的交叉口进口道处，直行方向交通流发生事件的概率是27.6%、左转方向交通流发生事件的概率是34.7%，而在所有无信号倒计时装置的交叉口，直行方向交通流发生事件的概率是16.0%、左转方向交通流发生事件的概率是11.5%。

2）在有信号倒计时装置的交叉口进口道处，单个周期发生1次以上事件的比例，在直行与左转两个方向上都比无信号倒计时装置的交叉口有显著提高。在有信号倒计时装置的交叉口进口道处，单个周期内，直行方向交通流发生1次以上事件的概率是12.0%，左转方向交通流发生1次以上事件的概率是11.5%；而相应的在无信号倒计时装置的交叉口，直行方向交通流与左转方向交通流发生1次以上事件的概率分布为1.0%和0.5%。

t检验结果表明，在信号交叉口，是否安装信号倒计时装置对红黄灯相位时车辆驶入交叉口行为发生频次存在显著差异。检验结果见表2。在95%的置信度条件下，红黄灯相位下的通过车次以及总车次在直行与左转2个方向上均存在显著差异。以直行方向交通流为例，红灯相位下的平均通过车次由无信号倒计时装置条件下的0.01增长到了有信号倒计时装置条件下的0.067；黄灯相位下的平均车次从0.16增长到了0.36；两者相加，在红黄灯相位下的平均车次，有信号倒计时装置的比无信号倒计时装置的增加了超过140%。表2中的t检验结果表明，信号倒计时装置显著地增加了交叉口处红黄灯相位时通过交叉口车次。究其原因，主要是由于在进口道处，安装信号倒计时装置后驾驶人能够提前了解剩余的黄灯／绿灯时长，因此客观上增强了驾驶人在绿灯相位末尾及黄灯时段内抢行的倾向，导致红黄灯相位时段内冒险通过车次的增加。

表2 红黄灯时间通过车次t检验结果Tab.2 Student’s t－test results of red－yellow running violations

3.2 绿灯相位下驾驶人行为特性

采用了换道冲突以及追尾冲突作为绿灯相位时驾驶人安全状态的表征指标，用作评价信号倒计时装置对交叉口安全水平影响的依据。在笔者研究所选取的9个有信号倒计时装置的交叉口进口道处，平均每周期发生0.96起换道冲突，最小发生0起，最多发生5起，平均每周期发生2.00起追尾冲突，最小发生0起，最多发生6起。在本次研究所选取的4个无信号倒计时装置的交叉口进口道处，平均每周期发生0.29起换道冲突，最小发生0起，最多发生4起，平均每周期发生1.09起追尾冲突，最小发生0起，最多发生3起。当然，仅使用冲突数进行评价，并未将交通流量纳入考虑中，因此，本次研究还利用交通冲突数与交通流计算得到交通冲突率，换道冲突率及追尾冲突率的分布图及累计频率图见图3。

图3 有无信号倒计时装置条件下交叉口进口道2类冲突率分布情况Fig.3 Statistical description for the two types of crash rates with and without signal countdown devices

如图3（a）所示，有信号倒计时装置条件下的换道冲突率的累计频率曲线保持在无信号倒计时装置条件下的换道冲突率累计频率曲线的右侧，即信号倒计时装置提高了换道冲突发生的概率。但对于追尾冲突，图3（b）未能清晰反映信号倒计时装置对追尾冲突率的影响，在有无信号倒计时装置的交叉口进口道处的两条追尾冲突率累计频率曲线交互交织。

研究基于交通冲突数及冲突率进行了一系列的t检验，结果见表3。由于信号倒计时装置的存在，交叉口进口道处平均每周期的换道冲突数由0.29起增长到了0.96起，换道冲突率由2%增长到了4%，t检验结果表明，信号倒计时装置使得追尾冲突显著增加，但是追尾冲突率的增长却不显著。

表3 绿灯启动阶段交通冲突及冲突率t检验结果Tab.3 Student’s t－test for crash and crash rate at the beginning of green signal

2种类型的冲突反映了驾驶人绿灯开始及结束阶段的驾驶行为特征。当驾驶人察觉到绿灯即将开始时，会作出不同的反应，从分析结果可以看出，信号倒计时装置的设置并未能削弱不同驾驶人之间反应的差异，反而使得这种差异更加显著。

4 结束语

信号倒计时装置显著提升了车辆在交叉口的冒险通行频次，并在一定程度上增加了交通冲突数，对交叉口交通安全水平存在负面影响。考虑到在前期研究中发现信号倒计时装置对交叉口通行能力提升作用有限，建议在工程应用中谨慎使用信号倒计时装置。

笔者所做研究采用了替代指标进行交叉口安全评价，未来条件允许的情况下可运用交通事故数据对研究结果进行对比验证。笔者所做研究仅考虑针对机动车的信号倒计时装置，未来可对作用于非机动车和行人的信号倒计时装置使用效果进行分析。

［1］ Chen H，Zhou H，Hsu P.What do we know about signal countdown timers ［EB／OL］.（2009－01－01）［2012－10－22］http：／／www.ite.org／itejournal／webarticles.asp.

［2］ Liu P，Yu H，Wang W，et al.Evaluating the effects of signal countdown timers on queue discharge characteristics at signalized intersections in China［J］.Transportation Research Record：Journal of the Transportation Research Board，2012（2286）：39－48.

［3］ Lum K，Halim H.A before－and－after study on green signal countdown device installation［J］.Transportation Research Part F：Traffic Psychology and Behaviour，2006（9）：29－41.

［4］ Ibrahim M，Karim M，Kidwai F.The effect of digital count－down display on signalized junction performance［J］.American Journal of Applied Sciences，2008（5）：479－482.

［5］ Chiou Y，Chang C.Driver responses to green and red vehicular signal countdown display：safety and efficiency aspects［J］.Accident Analysis and Prevention，2010，42（4）：1057－1065.

［6］ 王 岩，杨晓光.基于交通安全的交叉口倒计时信号灯设置研究［J］.中国安全科学学报，2006，16（3）：55－61.

［7］ 张 杰，贺玉龙，孙小瑞，等.城市路口倒计时显示对驾驶行为的影响分析［J］.交通信息与安全，2009，27（5）：99－103.

［8］ 吴文静，隽志才，贾洪飞.倒计时信号交叉口出的驾驶员行为决策［J］.系统工程理论与实践，2009，29（7）：160－166.

［9］ 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）：65－69.

［10］ Garder P.Pedestrian safety at traffic tignals：A study carried out with the help of a traffic conflicts technique［J］.Accident Analysis and Prevention，1989，21（5）：435－444.

［11］ Elmitiny N，Yan X，Radwan E，et al.Classification analysis of driver＇s stop／go decision and redlight running violation［J］.Accident Analysis and Prevention，2010，42（1）：101－111.

［12］ Factor R，Prashker J，Mahaler D.The flashing green light paradox［J］.Transportation Research Part F：Traffic Psychology and Behaviour.2012，15（3）：279－288.

［13］ Washington S，Karlaftis M，Mannering F.Statistical and econometric methods for transportation data analysis ［M ］. Washington， D.C.：Chapman＆ Hall／CRC，2003.

［14］ Migletz D，Glauz W，Bauer K.Relationships between traffic conflicts and accidents［R］.Washington，D.C：U.S.Department of Transportation Federal Highway Administration，1985.