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科普帖:闪灯控制背后的细节问题

图难于其易,为大于其细。天下难事,必作于易;天下大事,必作于细

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赛文交通网 智能交通 智慧交管 信号控制

“司空见惯的事情往往隐藏着认知错觉,深入思考就可能发生颠覆,道路交通信号中的闪灯控制就是典型案例。这是一篇烧脑的文字,请谨慎阅读。”

受路口交通量、几何形态、事故历史、用路人构成等因素的影响,通常能采用控制方式包括让控制、停控制、环岛控制、信号灯控制和交通警察指挥。

正常情况下,信号灯控制路口会通过灯色和相序的变化来实现合理的路权分配与有序的路权转移过渡。但在一些特殊情况下,路口信号灯可能会因各种原因(计划中的、或意外故障引起的)运行于闪灯状态(在我们的国家标准中称之为“黄闪控制”),这种看起来司空见惯的闪灯信号背后,隐藏着很多重要的细节问题,直接关系到路口的交通安全,处理不当甚至会导致严重的交通事故,因此非常值得进行深入分析和研究。

一、为什么会闪灯?

路口交通信号灯进入闪灯状态的原因通常分为两种:计划内的和计划外的。由于路网中的某些路口不同时段的交通需求量可能会有巨大的差异,如早晚通勤高峰时段与夜间低谷时段、学校区域的上下学时段和上课时段、旅游景区的不同季节、城郊大型城市设施的重大活动期间与平日等等。

受到交通信号控制基本安全参数(包括最小绿灯时间、相位安全间隔时间等)的限制,在交通需求很低的情况下,无论采用哪种怎样的信号控制方案,都不可避免的会产生额外的交通延误。为避免这些不必要的延误,很多交通管理部门会根据路口流量变化规律,在非常低交通量的情况下启用闪灯信号,这就是计划内的闪灯控制。

另外,由于设备故障、工程施工等原因,信号控制设施为尽可能保障交通安全,可能会进入降级运行的状态,通常会降级到闪灯或关灯状态。这些就是计划外的闪灯控制。

二、闪灯的路权含义是什么?以及该用黄闪还是红闪?

路权指派是各类交通控制手段的核心功能,不同的控制方式代表着不同的路权指派规则。

在无控制设施的路口,我们通常采用“转弯让直行、次路让主路”等规则。在设置让行标志的路口,被让行方的路权优先(通常是主要道路或主要交通流),而让行方路权次之(通常是次要道路或次要交通流),低路权方只能在不影响优先路权方的情况下选择适当时机通过路口。

在设置停标志的路口,无停标志方向路权优先(通常是主要道路或主要交通流),有停标志方向路权次之(通常是次要道路、次要交通流或视距视区不良的交通流),低路权方交通流必须在停止线位置无条件停车,然后在确保安全情况下伺机通过路口。信号灯控路口则完全依靠信号灯的颜色、形状进行路权指派,基本规则是绿灯通行、红灯禁止、黄灯切换过渡。

但是,在闪灯控制下,路权指派的规则到底是什么呢?这是值得研究和关注的问题。虽然,我们可以简单照搬无控制路口的让行规则去指派路权,但是在许多情况下,这种路权指派方式依然存在着潜在的安全风险。对于一些大型路口、异形路口以及那些靠简单的让行规则无法分离冲突、无法保障安全的路口,无论计划内还是计划外启动的闪灯控制,如果不能明确闪灯的路权指派规则,往往都意味着巨大的安全风险。

与我国普遍采用的全黄闪方式相比,国际通行的方式是借用“黄色表达警示,红色表达禁止”的色彩含义,分别利用黄闪和红闪两种闪灯表达有差异的路权指派。

可以简单解释为:黄闪信号表达让控制,红闪信号表达停控制;或可理解为面对黄闪的交通流路权比面对红闪的交通流路权优先。即,面对黄闪信号要注意观察,让行通过;而面对红闪信号则必须无条件停车,再观察通过。

基于这样的路权信号定义,即使在闪灯模式下,我们依然可以结合路口的物理条件与交通需求特点,设计出灵活、有效、多样、清晰的路权表达方式。通常,在主次道路分明的交叉口,主路方向设置黄闪信号,而在次路方向设置红闪信号,其表达的控制含义是次路方向必须停车再通行,主路方向要注意前方路口,随时做好应变准备。

进一步扩展前面分析,由于黄闪信号具有让控制的含义,所以,与路口中相互冲突的交通流向不适宜同时设置“让”标志一样,同时显示黄闪信号也是不合适的。

据此,一个路口既可以次要方向采用红闪,主要方向黄闪;还可以所有方向均输出红闪(相当于全向停控制);同样的,也可以根据路口几何形状、视距条件、用路人构成、优先级等因素进行灵活设计。所有这些设计的背后体现的是交通管理者因地制宜的路权指派和交通安全管理目标。世界上没有任何两个路口是完全一样的,个性化的设计是保障安全效率的基本前提,这个原则即使在闪灯情况下也同样适用。

三、面对闪灯,用路人会做出怎样的反应?

采用任何一种交通控制手段,都必须考虑用路人的反应。在闪灯控制情境下,影响用路人响应的因素包括闪灯启动的时机、闪灯持续的时间、闪灯的频率、闪灯的颜色以及用路人对闪灯路口的熟悉程度等等因素。交通人因理论中有几条基本常识可供参考:

首先,面对违背预期的突发情况时,用路人通常难以做出快速且正确的响应,比如绿灯期间进入人行横道的行人,在行进期间突然遇到关灯(路口闪灯时,行人信号通常是关灯);停止线位置的排队车辆刚刚起步加速,这时突然遇到闪灯;路口内正常行驶的车辆突然看到前方绿灯信号变成闪灯;路口待行区(左转待转、直行待行)等候绿灯的车辆驾驶人突然看到闪灯等等。

这些情况都与用路人对交通信号的正常预期相违背,往往会让用路人进入短时间无所适从、进退两难的犹豫状态,甚至有可能做出非常规的错误操作。

其次,用路人的决策受记忆与实时信息的共同影响。面对闪灯,那些熟悉路口形态的本地用路人通常能够快速做出正确决策。而那些不熟悉路口情况的用路人通常需要更长时间进行观察、思考、判断和决策。

此外,不同年龄、性别、驾龄的用路人也会做出不同的反应。这些都是在启用闪灯信号时要考虑的重要因素。

四、闪灯该怎样开始?

这个问题要讨论的核心内容是,应该怎样选择的时机将信号状态从正常控制切换到闪灯状态(计划外的因特殊事件导致的闪灯除外)。举个例子,如果我们计划在晚间22时启用闪灯控制,是否意味着在22点整准时、无条件、强制启动闪灯模式?

常识是,信号相位的状态由绿灯通行时段、黄灯过渡时段、红灯清空时段和红灯禁止时段组成,其中绿灯通行时段又是由最小绿灯时段和持续绿灯时段组成。停止线前等候的车队从绿灯亮起时刻开始,经历认知、反应、启动、加速到正常运行的过程,遇到黄灯需要决定通过或停止,再到利用全红清空时间确保通过路口。那么在这样一个连续的过程中,选择哪个时机启动闪灯才是最安全的?

如图1所示,首先在T1时段,车辆起步期间和相位最小绿灯期间是不合适的,这段时间发生信号突变,很容易造成驾驶人手忙脚乱做出急刹等驾驶行为,酿成追尾事故。

其次在T3时段,信号相位路权转换期间(包括黄灯、红灯清空时段)也是不合适的,在T3时段内行人要完成人行横道清空,驾驶人要根据车辆位置、速度判断是否进入路口,这是所有用路人工作任务负荷最重的时段,突然出现的黄闪或行人信号关灯,会额外增加驾驶任务负荷。

而在T2时段,信号灯处于稳定运行状态(相位处于静止的红灯或绿灯状态),无论是抵近路口的车辆,还是正在通过路口的车辆都处于高速运行状态,用路人心理预期的下一个信号状态通常是黄灯以及红灯,突然出现的与预期不符的信号变化,会造成认知反应时间的增加,进而导致操作应变距离的增加,对于路口交通安全依然不利,因此也不是最合适的时机。

综合上述分析,最佳方案是选择路口各方向交通流都处于静止状态的时间点启动闪灯控制,也就是在全红清空后的时刻启动闪灯(图1中的C时刻,我称之为“切换时刻”)。此时各方向交通流均处于静止状态,且用路人注意力集中在对交通信号状态的观察之中,可以最大限度保障闪灯控制的安全切换。

同时,由于一个信号周期内可能会存在多个“C时刻”,因此,在相交道路有明显主次区分的路口,选择在主路(或主要交通流向)绿灯启动前的“C时刻”进入闪灯控制才是最安全的。

回到前面的例子,计划中的夜间22时启动闪灯的真正含义是:在22时之后找到第一个恰当的“C时刻”启动闪灯控制。

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五、闪灯的时间长度?

在绝大多数用路人的潜意识中,用路人对交通信号灯通常有两种预期常识,其一是任何信号状态都会有一定的持续时间,其二是任何信号状态都不会永不变。因此过于短暂(如,只持续3-5秒)的闪灯信号一定会造成用路人的疑惑。但是非常长时间(持续数周、甚至数月)的闪灯信号也会让熟悉情况的用路人陷入麻痹状态,对闪灯信号熟视无睹。

因此,无论是计划中的还是计划外的闪灯,务必要防止过长时间持续的闪灯状态(设置合理的时间计划,或尽快修复发生的故障);同时更重要的是,一旦启动了闪灯模式,类似于相位的最小绿灯时间,闪灯状态也要有最短时间限制,通常建议的闪灯最小时间要大于等于相位的最小绿灯时间。

需要说明的是,那些出于警示目的而常设的闪灯信号,应参考闪光警告信号的相关标准要求进行特殊设计,不建议采用常规信号控制装置持续输出闪灯信号。

六、闪灯模式下行人信号怎么办?

一个常识是,行人信号灯只有“红、绿”两色输出,因此在闪灯期间大多数管理机构采取的办法是关闭行人信号灯。道路交通安全法规定“通过有交通信号灯的人行横道,应当按照交通信号灯指示通行;通过没有交通信号灯、人行横道的路口,或者在没有过街设施的路段横过道路,应当在确认安全后通过。”,问题在于,行人信号关灯的情况是否等同于没有交通信号灯?

同时,需要注意的是,行人信号灯的作用不仅仅是为行人进行路权指派,它还具有指示和定位人行横道位置的作用。尤其在夜间低照度情况下,行人、非机动车、甚至交通弱势群体都需要依靠信号灯(及其具备的辅助无障碍信号)指示并定位等候区和人行横道位置。此时行人信号该如何处置,需要认真考虑。

另外,对于无障碍行人信号,相关标准中只定义了常规情况下的禁止通行、允许通行以及清空提示音,对于故障状态则没有定义,这也许是标准中的一个盲点。

一个思考是,对于非计划的犹豫故障引发的闪灯状态是否可以为行人输出“红闪”信号?而对于那些计划内闪灯的路口,是否可以通过设置行人按钮或行人检测装置,为行人过街提供感应式控制服务,以保障行人交通安全?(这一点,可以参考美国的HAWK控制方式)

七、闪灯该怎样结束(退出)?

与选择闪灯启动时机相比,从闪灯状态返回到正常信号控制状态所要面临的问题更加复杂。最简单的过渡流程是,利用全红信号禁止所有交通流方向(包括机动车、行人)进入路口,并通过持续的全红实现路口彻底清空;在此之后,进入正常的控制状态。国标《道路交通信号控制机》(GB25280-2016)中对于信号启动灯序的规定与此类似(关于启动灯序的问题,我在以往的文章中讨论过,在此不赘述)。

在实践应用中,简单的全红清空可能会造成比较大的交通延误。

同时,基于前面的分析,受路口几何形状、交通流构成等因素的影响,路口可以采用的闪灯模式包括黄闪、黄闪+红闪、全红闪等组合形态。在向正常控制切换时,不同的闪灯控制方式意味着需要采取不同切换处理流程。

面对在这些复杂情况,需要考虑路口的安全清空,需要设置闪灯后首选的运行相位;此外还要保障闪灯期间各入口方向决策困境区内的车辆可以安全进入路口(有关决策困境区的问题以后再谈),以及护送那些无法在路口停止线前安全停车的车辆通过路口。

这时候我们就要考虑利用交通检测手段,感知不同入口方向的交通需求态势,尤其是检测处于风险区域内(决策困境区内和临近停止线)的车辆,并为它们提供额外的安全控制服务。这一点对于车辆运行速度较高,以及有大型车辆通过的路口尤为重要。

另外,在闪灯控制向正常控制的切换期间,已经临近停止线的车辆很可能会发生“伪闯红灯”现象(因无法安全停车而不得已闯红灯进入路口),这些“违法”行为是否应该被处罚也是值得关注的问题。

图2以某相位黄闪到正常控制的过渡为例,其中T1时段为闪灯控制模式;T3时段为正常控制模式;T2时段为过渡时段,其持续时间与路口几何形状、路口渠化、交通流构成等都紧密相关,同时这个时段也是最易发生“伪闯红灯”现象的时段。

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八、闪灯控制的适用性分析?

既然,计划中的闪灯控制背后体现的是交通管理者的管理意志,那么就有必要分析一下闪灯控制的适用性条件。在低交通量的情况下,虽然减少交通延误是启用闪灯控制的主要原因,但是流量因素并不适合作为所有路口启用闪灯控制的依据,在设置闪灯控制时还需要认真审核以下适用性条件,包括:

其一,要分析视距视区条件,正如前文所述,黄闪信号等价于“让控制”,红闪信号等价于“停控制”,那么在分析路口是否适宜启用闪灯控制时就要参考“让控制”和“停控制”的适用性条件。

其中最关键的限制条件就是视距三角形,也就是说采用黄闪控制的入口方向必须具备与让行控制相同的视距三角形条件;采用红闪控制的入口方向必须满足停控制的视距三角形要求。

如果路口的物理条件无法满足相关视距视区的基本要求,则不能保证车辆能够充分观察、安全通过,也就不宜启用闪灯控制。有关视距三角形的基本概念请参考其他相关资料,在此不做更多描述。

其二,路口是否有紧急抢先控制需求,对于临近铁路道口、应急、消防、急救中心的路口,由于可能存在不遵守“停、让”规则的高优先级的交通需求,因此通常不适合启用闪灯控制。

其三,路口照明条件,与视距视区条件类似,在夜间照明条件较差的路口,车辆驾驶人对于行人和非机动车的观察会严重受限,这种情况不适宜启用闪灯控制。

其四,异形路口,对于斜角交叉、多条道路交叉(大于四条腿)的路口,路口内交通流冲突关系复杂、让行规则也会异常复杂,用路人通常很难遂行安全驾驶任务,同样不适宜启用闪灯控制。

九、其他问题。

关于闪灯控制,还有一些与产品标准、故障处理相关的问题,如:控制中哪些故障应该导向闪灯?闪灯信号是否可以与其他信号状态共存,(如:部分相位正常控制,部分相位输出闪灯信号),共存状态下路权指派的定义是什么?一些特殊场景下的信号灯是否适宜采用闪灯控制(如匝道信号、车道灯)?交通流检测设备在闪灯启动、闪灯运行期间、闪灯结束等状态下应该发挥怎样的作用?

还有那些与特殊交通组织配合的专用信号显示该如何处理?比如借道左转,可变车道等等。

这些问题中也有很多的细节值得讨论。总之,闪灯控制既不是所有控制方式失败后的万能托底模式,也不是信号控制中可以无条件启用的终极方法。

闪灯控制这个话题酝酿了很久,除了上面这些笼统的定性分析外,还有很多定量分析研究的内容,那些内容过于枯燥乏味,不适合作为行业科普文章发表,有兴趣的同行可以进一步小范围讨论。

交通行业里,我们总是希望做大项目、办大事、解决大难题,但什么是大事,什么又是难题呢?我一直不认为规模大和投资多就是大事,但细节多的一定是大事;而那些还有很多细节没说清楚,没有找到明确解决办法、没有明确规则的,往往就是难题。很多习以为常的场景中有许多细节值得分析,许多原理必须重新思考,这需要标准制定者、交通管理者、工程设计者、产品开发者共同去面对、去解决。老子《道德经》中说“图难于其易,为大于其细。天下难事,必作于易;天下大事,必作于细”,在此与同行共勉。

补充阅读:下面是美国《统一交通信号控制设施手册》MUTCD中关于闪灯控制的部分规定,供参考。

4D.28 闪灯信号一般规定

1、标准:闪烁信号指示应以每分钟不少于50次,不大于60次的频率连续闪烁。

2、标准:每次闪烁的亮灯时间占总时间的1/2,最多占2/3。

3、标准:闪烁信号指示应符合本手册其他章节关于可视性或冲突信号安装位置的要求。

4、标准:交通信号控制设备应配备符合本节运行需求的独立闪灯机制。

5、标准:闪灯运行不应因拆卸、关闭控制单元或冲突监视器(故障管理单元)而中止运行。

6、标准:应提供手动开关、冲突监视器(故障管理单元),以及适当情况下可自动启动闪灯模式的手段。

7、可选:根据工程研究或工程判断,交通信号可以在一天中的一个或多个时间段内按计划启动闪灯模式;但不可像正常控制那样,全天候持续运行于闪灯模式。

8、可选:第4E.06和4E.09节分别包含有关闪烁操作期间行人信号头和无障碍行人信号探测器按钮定位音的操作信息。


4D.29 进入闪灯模式

1、标准:冲突监视器(故障管理单元)或手动开关可以随时启动闪灯模式。

2、标准:按计划从正常模式过渡到闪烁模式:

A.在主要道路红色期间的末尾(主要道路绿灯开始之前);

B.可直接从圆形绿灯信号指示切换到圆形黄闪信号指示,或从绿色箭头信号指示切换到黄闪箭头信号指示,或从FYA(用于指示许可转向的黄闪箭头)指示切换到统一灯具的黄闪箭头信号指示。(*注有FYA的信号灯具有两个黄箭头)。

3、标准:按计划过渡到闪灯控制时,不得在中断绿灯信号或FYA信号后直接进入静止的红灯或红闪信号,中间必须首先显示固定的黄灯信号。


4D.30 闪灯运行模式

1、指引:当路口运行于闪灯信号时,主路方向应采用黄闪信号,而红闪信号应用于次路方向。或在所有方向均采用红闪。

2、标准:当路口运行于闪灯控制模式下,任何信号灯具不得输出绿灯信号(包括绿闪)。有特殊用途的绿箭头除外。

3、标准:当黄闪信号用于多股交通流时,这些交通流之间必须彼此相互不冲突。

4、标准:除下面第5款外,同一安装位置的信号灯具只能输出一种闪灯信号。

5、标准:如果同一信号灯具有两个红圆灯或红箭头灯,则应同时输出红闪灯,并应保持同步。

6、标准:在闪灯模式下,除了用于向特殊交通流指示连续通行的信号外,不得在显示任何固定的信号指示。当交通控制信号在闪灯模式,用于指示连续交通流的特殊绿色箭头信号应保持连续显示。

7、标准:同一信号灯具,如果同时存在圆灯和箭头灯闪灯需要,只能输出圆灯闪烁信号。

8、标准:同一入口方向的信号灯必须显示相同的闪灯颜色,无论红闪还是黄闪。

9、标准:用于指示保护转向的独立的信号灯具,可以单独输出黄闪或红闪信号。


4D.31 退出闪灯模式

1、标准:从闪灯到正常控制需遵循以下程序之一:

A,黄、红闪烁模式:从闪灯模式过渡到稳定控制模式应在主路绿灯期间开始(主路双向绿灯),如果没有共同的主路绿灯区间,则应在主要道路主要交通流向的绿灯区间开始时进行。

B,全红闪模式:应从闪灯模式变为稳定的红色指示,然后选择适当的绿灯指示,以开始稳定模式周期。应首选主要道路的绿灯期间的开始,或者如果主路双向没有共同的绿灯区间,则在主要街道的主要交通流向的绿色区间开始。

2、指引:全红闪模式过渡到正常控制,建议最少输出6秒全红。

3、指引:黄、红闪模式过渡到正常控制,如果不存在主路双向共同绿灯期间,则应考虑为闪灯到正常控制提供额外的全红控制。

4、标准:在退出闪灯模式期间,不允许在黄闪信号后立即输出红灯、红闪信号指示,需首先显示固定的黄色信号指示。

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