臺北市智慧信號燈設(shè)置之研究

       摘要

        一、前言

       交通擁堵是城市中常見的問題，信號燈設(shè)計缺乏彈性或設(shè)計不合理，會引發(fā)空氣污染排放、駕駛?cè)顺鲂袝r間浪費等問題，這都是城市交通相關(guān)部門必須面對的課題。在臺灣，超過95%的路口采用定時信號燈（TimeofDay，TOD）控制策略。定時信號燈是將一天劃分為若干時段，每個時段都有特定的配時方案，然后按照預(yù)定時間表，每天周期性地執(zhí)行固定配時方案。而周期性配時方案通常依據(jù)過去的高峰、低谷交通流量設(shè)計。實際上，各縣市交通部門會不定期檢討和調(diào)整既有配時方案，通常在重要瓶頸路段、易擁堵路口或交通特性發(fā)生變化時，需要進行信號燈配時重整作業(yè)，調(diào)整單個或多個路口的定時信號燈。

       這種運作方式在交通流量變化大或發(fā)生突發(fā)交通事件時，由于信號燈設(shè)計缺乏彈性，交通狀況會迅速惡化。交通控制中心只能通過路況監(jiān)視器觀察現(xiàn)場車流走向，或依靠民眾自行通報（針對未安裝路況監(jiān)視器的路段），再由中央電腦手動連線或派人到現(xiàn)場手動調(diào)整，增加相對方向的綠燈時間來引導車流。待擁堵情況稍有緩解，再將綠燈時間恢復到定時信號燈狀態(tài)。另外，當路口主干道和支道人車流量差異較大時，在低谷時段，主干道紅燈時，常因支道無人車通行而出現(xiàn)主干道紅燈空等情況。因此，定時信號燈控制策略對于上述情況的反應(yīng)不夠智能化，導致路口或主干道走廊的疏導和行車效率降低。而且，反復進行配時重整，調(diào)整配時方案對整體資源的使用效率也不高。所以，臺北市自2019年起，針對重點區(qū)域道路走廊與部分路口引入智能化信號燈控制系統(tǒng)，依據(jù)車輛行駛時間、停車等待長度、車流量、行人流量等因素，自動化、智能化地調(diào)節(jié)路口每個方向的紅綠燈。該年度試點成效顯著，行車時間約可改善7-15%，路口延誤減少10-20%，并且每年節(jié)能減碳成效約可帶來近6000萬元新臺幣的經(jīng)濟效益。

       鑒于此，臺北市在2023年持續(xù)擴大建設(shè)規(guī)模，規(guī)劃在易擁堵且容量有限的29條路段，共計221個信號燈路口，于2023-2025年實施智慧動態(tài)信號燈控制策略計劃。由于臺北市各區(qū)域交通特性不同，所采用的調(diào)控策略也有所差異。本文以臺北市大同區(qū)規(guī)劃范圍為例，通過制定最優(yōu)的智能化干道信號燈控制策略，將路網(wǎng)車流路徑推進行為納入配時優(yōu)化設(shè)計，提升道路車流連續(xù)通行效率，提高路口或走廊的效率，進而緩解區(qū)域擁堵。

圖 1 臺北市智慧號志路口分布圖

      二、區(qū)域交通特性

      臺北市大同區(qū)以東西向干道民族路、民權(quán)路、民生路及南京西路，南北向干道環(huán)河北路、重慶北路、承德路及中山北路形成交通路網(wǎng)。該區(qū)域交通車流主要承接來自新北市三重及北投、士林方向的通勤車流。為緩解早晚高峰大量進出城車流壓力，早高峰時段在承德路及中山北路、晚高峰時段在民生西路設(shè)置潮汐車道，提高進出城車流疏導效率；民權(quán)西路及重慶北路設(shè)置公交專用道，提升大眾運輸車流運行效率。此外，計劃范圍北側(cè)有花博園區(qū)、大龍峒保安宮及臺北市立美術(shù)館等景點，南側(cè)則有寧夏夜市、迪化街、馬偕醫(yī)院、中山商圈等重要出行吸引點，周邊路段路邊臨時停車、公交?？啃枨蟠?，容易影響道路車流運行效率。鄰近捷運紅線的圓山站、民權(quán)西路站、雙連站及中山站有大量行人通行需求，多處路口設(shè)置了行人專用相位。

圖 2 大同區(qū)范圍道路幾何示意圖

       2.1車流特性

       2.1.1平日早高峰時段（07:00-09:30）

       早高峰時段關(guān)鍵路徑及轉(zhuǎn)向如圖3所示。在早高峰時段，南向車流與東向車流方向性明顯，從士林、北投南下的車流大多在主干道左轉(zhuǎn)往東，尤其是民族西路路段的承德路路口及中山北路口。此外，新北市也有大量車流經(jīng)臺北橋進入民權(quán)西路。

圖 3 平日晨峰時段整體關(guān)鍵路口及路徑

       2.1.2平日晚高峰時段（17:00-20:00）

       晚高峰時段關(guān)鍵路徑及轉(zhuǎn)向如圖4所示。主要車流包括民權(quán)西路西向往臺北橋的車流，以及民生西路和民族西路西向轉(zhuǎn)往環(huán)河北路的車流。此外，在承德路及重慶北路也可觀察到大量轉(zhuǎn)向車流前往新北市方向。

圖 4 平日昏峰時段整體關(guān)鍵路口及路徑

       2.2交通瓶頸與信號燈控制需求分析

       2.2.1高峰車流方向性明顯

       臺北市大同區(qū)主要交通流量來自新北市及士林、北投地區(qū)的通勤車流，具有出發(fā)時間集中、行駛方向一致等特點，給沿線路口信號燈配時設(shè)計帶來困難。新北市通往臺北市大同區(qū)的車流匯集了來自三重、新莊、蘆洲等區(qū)域的車輛，經(jīng)臺北橋進入計劃范圍的民權(quán)西路。根據(jù)2021年度臺北市交通流量調(diào)查，早上高峰方向分布因子達79%，如圖5所示。

       市區(qū)路網(wǎng)高峰時段車流方向性明顯，車流轉(zhuǎn)向量大且復雜，當下游路段擁堵時，擁堵會向上游路段擴散。因此，有效掌握市區(qū)路網(wǎng)關(guān)鍵路徑交通狀況及動態(tài)信號燈群組間的協(xié)同運作至關(guān)重要。通過交通調(diào)查資料、配時方案及道路幾何分析，研究不同時段的關(guān)鍵路徑，通過路徑疏流截流控制策略，提升路徑車流連續(xù)通行效率。

圖 5 臺北橋尖峰車流方向性

       2.2.2左轉(zhuǎn)交通需求高

       車流在接近路口時的轉(zhuǎn)向行為分為直行、右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)及回轉(zhuǎn)四類，其中左轉(zhuǎn)對市區(qū)信號燈控制路口的服務(wù)水平影響最大。當車流在路口左轉(zhuǎn)時，需要考慮對向行人、對向直行車輛和右轉(zhuǎn)車輛，所以當路口左轉(zhuǎn)比例達到一定程度時，需采用早開、遲閉或左轉(zhuǎn)保護相位，以提升左轉(zhuǎn)安全性，但這也會導致信號燈控制路口的損失時間增加，延長其他流向車流的停車等待延誤。路口左轉(zhuǎn)比例高的問題常出現(xiàn)在市區(qū)重要干道交會路口，以民權(quán)西路/承德路口為例，如圖6所示，由北往南的車流多選擇在民權(quán)西路左轉(zhuǎn)進入市區(qū)方向，且由南往北的車流也多選擇從該路口左轉(zhuǎn)前往新北市，該路口南北向左轉(zhuǎn)車流約占18-22%。若路口時間分配不當，會導致左轉(zhuǎn)車隊向上游堵塞，形成道路瓶頸。

圖 6 民權(quán)/承德路口尖峰時段轉(zhuǎn)向比

       2.2.3次要路口轉(zhuǎn)向需求高

       在干道交會的主要路口周邊，可能由于主要路口交通管制措施的影響，部分車流會在次要路口轉(zhuǎn)向，這不僅會加劇替代道路的擁堵程度，次要路口的配時也無法滿足大量轉(zhuǎn)向需求，從而形成路段瓶頸點。以民權(quán)西路/中山北路口禁止左轉(zhuǎn)為例（圖7），周邊路口的轉(zhuǎn)向比例偏高，且周邊路口因相交道路等級較低，分配的綠燈時間較少，無法滿足大量車流的轉(zhuǎn)向需求，容易造成路口溢流，如下游的中山北路/錦西街口、中山北路/農(nóng)安街口。

圖 7 次要路口轉(zhuǎn)向車流說明

       三、智慧信號燈系統(tǒng)控制策略

       針對計劃范圍進行智能化信號燈控制，控制范圍為市區(qū)道路，車流運行相對復雜，各干道路口車流會影響相鄰上下游路口的到達車流。因此，智能化控制模式需要綜合考慮各干道群組，并將路網(wǎng)車流路徑推進行為納入配時優(yōu)化設(shè)計。本部分將分別對動態(tài)信號燈控制群組劃分、策略規(guī)劃、邏輯設(shè)計與運作成果進行說明。

       3.1動態(tài)信號燈控制群組劃分

       在制定動態(tài)控制策略時，首先要確定控制群組劃分。路口群組劃分過程與準則依據(jù)交通部運輸研究所《臺灣地區(qū)先進交通管理系統(tǒng)（ATMS）中城市交通信號燈控制邏輯標準化與系統(tǒng)建設(shè)標準作業(yè)程序的研究——定時式/動態(tài)式控制邏輯標準化》中的臨界路段長度準則、車流管制方式與幾何路型等原則進行核查劃分，同時結(jié)合現(xiàn)狀配時，考慮路口間時段型態(tài)劃分、周期內(nèi)容一致性、干道綠燈配合情況等，進行動態(tài)信號燈群組劃分作業(yè)。計劃范圍內(nèi)67個路口共劃分為13個控制群組，如圖8所示。各控制群組以干道交會路口作為主控路口，設(shè)置路口車流轉(zhuǎn)向量偵測器，實時偵測車流變化。

圖 8 動態(tài)號誌控制群組劃分示意圖

       3.2動態(tài)信號燈控制策略規(guī)劃

       控制范圍的道路以路網(wǎng)形態(tài)為主，有多條干道交會。因此，在控制策略上需要考慮各干道車流需求，尤其是干道交會路口，其車流轉(zhuǎn)向量大且復雜，一旦發(fā)生擁堵回堵，容易向上游擴散。所以在考慮控制范圍內(nèi)關(guān)鍵車流路徑時，除了要提高干道本身的連續(xù)通行效率，還需兼顧轉(zhuǎn)向路徑的優(yōu)化，才能有效降低整體路網(wǎng)的擁堵程度。

       3.2.1干道交會路口時比分配

        控制范圍內(nèi)各主要干道交會路口都是關(guān)鍵擁堵點。為使干道交會路口的動態(tài)配時內(nèi)容符合實際車流狀況，需要考慮路口及路段車流運行情況，逐周期進行動態(tài)時比秒數(shù)計算，如圖9所示?？刂撇呗哉f明如下：

     （1）考量路口各流向通過狀況

       路口每個周期的通過量是各方向到達車輛數(shù)與綠燈開啟秒數(shù)的綜合結(jié)果。為有效分配各相位綠燈時間，需計算各相位綠燈秒數(shù)與對應(yīng)流向?qū)嶋H通過量的綠燈使用率。當綠燈使用率高時，表明該相位車流通行情況相對于綠燈秒數(shù)得到了有效利用；當綠燈使用率低時，則表示車流通行情況相對于綠燈秒數(shù)效率較差。例如深夜時段綠燈閑置秒數(shù)較高，或路口擁堵溢流時車流無法順利通過，都會導致綠燈使用率較低。因此，通過比較評估各相位綠燈使用率，相對較高的相位需增加時比秒數(shù)。

     （2）考量上游路段交通狀況

       路口每個周期的通過量與上游路段交通狀況密切相關(guān)，如上游路段交通量、速度、行駛時間等。在關(guān)鍵路口動態(tài)時比分配時，需要考慮上游路段車流需求。當路段擁堵、交通量較大時，說明該方向車流需求較高，需增加時比秒數(shù)；當路段暢通、交通量較低時，則表示該方向車流需求較低，可減少時比秒數(shù)，分配給需求較高的方向使用。

圖 9 干道交會路口(點)控制策略規(guī)劃

       3.2.2干道次要路口聯(lián)動配合

       當干道交會的關(guān)鍵路口進行時比調(diào)整后，沿線次要路口也需要協(xié)同考慮，以提升整體路段車流通行效率。本計劃針對干道次要路口的控制策略是依據(jù)主控路口的時比分配結(jié)果，對次要路口采取時相聯(lián)動配合方式，共同增加時比秒數(shù)。如圖10所示，重慶北路/民族西路為主控路口，當重慶北路時比增加時，重慶北路沿線次要路口同步配合增加時比秒數(shù)，以提升整體干道的連續(xù)通行效果。由于干道時比秒數(shù)增加必然會縮短支道相位時比秒數(shù)，因此在動態(tài)配時設(shè)計及實際運行調(diào)校時，需要考慮支道最小綠燈時間及行人專用（早開）相位保護等因素，避免造成支道車輛二次停車等待及行人安全等問題。

圖 10 干道次要路口(缐)控制策略規(guī)劃

       3.2.3關(guān)鍵車流路徑群組間協(xié)同運作

       控制范圍為市區(qū)路網(wǎng)形態(tài)，高峰時段車流方向性明顯，車流轉(zhuǎn)向量大且復雜，當下游路段擁堵時會向上游路段擴散。因此，有效掌握市區(qū)路網(wǎng)關(guān)鍵路徑交通狀況及動態(tài)信號燈群組間的協(xié)同運作至關(guān)重要。動態(tài)信號燈群組間控制策略說明如下：

     （1）路徑下游控制群組

       關(guān)鍵路徑的擁堵多源于下游路段擁堵回堵，需要有效增加下游群組時比秒數(shù)，通過下游疏流提升路徑車流疏導效率。

     （2）路徑上游控制群組

       當關(guān)鍵路徑下游持續(xù)擁堵回堵時，若上游路段持續(xù)增加時比讓車輛進入下游路段，會導致路段啟動延誤增加，車流回堵加劇，甚至造成路口溢流。因此，路徑上游控制群組采取截流控制手段，有助于下游路段的疏導，并改善路段車流進入下游路段的效率。

      以早高峰時段民族西路往東方向關(guān)鍵路徑為例（圖11），此時民族西路東向匯集了承德路南向左轉(zhuǎn)、中山北路南向左轉(zhuǎn)、民族西路東向的車流。若該關(guān)鍵路徑發(fā)生回堵?lián)矶?，民族東路/林森北路（下游路段）需增加東向時比秒數(shù)，提升路徑車流疏導效率，同時上游路段民族西路/中山北路、民族西路/承德路兩處路口，需對民族西路東向車流相位采取截流控制，協(xié)同運作以緩解整體關(guān)鍵路徑車流，改善路徑行駛時間擁堵狀況。

圖 11 關(guān)鍵車流路徑(面)控制策略

       3.3動態(tài)信號燈控制邏輯設(shè)計

       依據(jù)上述動態(tài)信號燈控制策略規(guī)劃內(nèi)容，進行動態(tài)控制邏輯設(shè)計，整體控制邏輯流程如圖12所示。本系統(tǒng)動態(tài)時比控制運作原則是基于既有時段劃分及周期不變，每個周期開始時查詢時段及相應(yīng)的策略配時參數(shù)，包括周期、相位編號、各相位的步階秒數(shù)、時差、最小綠燈、最大綠燈等內(nèi)容。在整體路網(wǎng)控制中，首先考慮區(qū)域協(xié)同控制的交界路況和關(guān)鍵路徑的行駛時間信息，當路徑擁堵達到閾值時，相應(yīng)信號燈群組將執(zhí)行對應(yīng)的控制策略配時。主控路口通過AI CCTV偵測器統(tǒng)計路口轉(zhuǎn)向量，轉(zhuǎn)換為交通量，并計算各相位綠燈使用率。系統(tǒng)每個周期接收上游路段信息，當達到擁堵閾值時，調(diào)整相位綠燈使用率或相位秒數(shù)。根據(jù)綠燈使用率計算結(jié)果，生成主控路口最佳時比分配，同步計算次要路口的時比內(nèi)容。最后，將計算結(jié)果下載至現(xiàn)場控制器，進行動態(tài)配時調(diào)整，若出現(xiàn)異常情況則自動降級恢復預(yù)設(shè)定時運行。

圖 12 整體控制邏輯流程圖

      3.4動態(tài)信號燈控制運作成果

      3.4.1系統(tǒng)執(zhí)行紀錄檢視

      本部分以中山北路/民族西路群組為例進行說明，展示民族西路/中山北路（主控路口）、民族西路/林森北路（協(xié)控路口）、中山北路/農(nóng)安街（協(xié)控路口）等三處路口在早高峰時段的配時控制結(jié)果。表1為三處路口在早高峰時段周期200秒的時比秒數(shù)變動幅度設(shè)定值，各相位均設(shè)有上下限綠燈秒數(shù)限制，幅度變化由人工預(yù)先設(shè)定，再根據(jù)實際運行結(jié)果和現(xiàn)場車流觀察進行微調(diào)。微調(diào)作業(yè)以整體路段為觀察對象進行調(diào)整，避免上游路口秒數(shù)增加導致下游回堵的情況發(fā)生。

表 1 三處路口時比秒數(shù)變動幅度設(shè)定值說明

       表2為民族西路/中山北路（主控路口）3月13日早高峰時段的運作狀況。該路口在07:00-08:00民族西路東向車流量大且方向性明顯，時比秒數(shù)主要增加在民族西路東西向（第3相位），減少中山北路南北向（第1相位）及中山北路南向遲閉（第2相位），時比變動運作結(jié)果與現(xiàn)場車流趨勢相符。

表2 動態(tài)號志控制實際運作紀錄(民族西路/中山北路為例)

注：表格紅底為該時段平均執(zhí)行秒數(shù)低于 TOD 設(shè)定秒數(shù)，綠底為該時段平均執(zhí)行秒數(shù)高于 TOD 設(shè)定秒數(shù)。

       3.4.2動態(tài)信號燈執(zhí)行績效初步評估

       本計劃在2023年度完成了路網(wǎng)中38個路口的系統(tǒng)建設(shè)工作。初步評估，平日整體路網(wǎng)行駛時間改善約1.75%，假日約7.27%，整體改進幅度約4.51%。截至目前，路網(wǎng)中尚有29個未上線路口，本次初步績效分析未剔除未上線路口。預(yù)計2024年度完成整體路網(wǎng)67個路口的動態(tài)信號燈功能建設(shè)，屆時路網(wǎng)運行可進行整體考量，全面呈現(xiàn)績效，有效提升路段連續(xù)通行效率。

       四、結(jié)語

       臺北市自2019年起引入智能化信號燈控制系統(tǒng)，行車時間約可改善7-15%，路口延誤減少10-20%，并且每年節(jié)能減碳成效約可帶來近6000萬元新臺幣的經(jīng)濟效益。然而，當時的調(diào)控策略多以單一干道調(diào)控為主。本次在2023-2025年執(zhí)行智慧動態(tài)信號燈控制策略計劃，調(diào)控范圍從原先的單一干道擴展到整體路網(wǎng)，需要同時兼顧東西向與南北向車流。針對臺北市大同區(qū)區(qū)域范圍的行駛時間初步績效與后續(xù)規(guī)劃如下：

    （1）平日整體路網(wǎng)行駛時間改善1.75%，假日行駛時間改善7.27%，整體行駛時間改善4.51%。

    （2）目前已完成38個路口的系統(tǒng)建設(shè)，同步進行系統(tǒng)參數(shù)和策略的調(diào)整，并持續(xù)完成剩余29個路口的系統(tǒng)建設(shè)，確保動態(tài)信號控制能夠準確應(yīng)對不同時段的交通需求，預(yù)計可改善整體路網(wǎng)行駛時間5-8%。

      在連續(xù)兩年引入智慧信號燈控制取得顯著效果的基礎(chǔ)上，臺北市將在未來繼續(xù)在有需要的路口實施智慧信號燈，期望全面提升臺北市信號燈路口的自動化與智能化水平，改善交通擁堵狀況，提高路口疏導效率，增強路口交通安全。

       五、參考文獻

      臺北市交通管制工程處 (2021),《110 年度臺北市北區(qū)導入智慧動態(tài)信號燈控制策略計劃》。

      臺北市交通管制工程處 (2022),《111 年度臺北市北區(qū)導入智慧動態(tài)信號燈控制策略計劃 1》。