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台北市智慧信号灯设置之研究
摘要
一、前言
交通拥堵是城市中常见的问题，信号灯设计缺乏弹性或设计不合理，会引发空气污染排放、驾驶人出行时间浪费等问题，这都是城市交通相关部门必须面对的课题。在台湾，超过95%的路口采用定时信号灯（TimeofDay，TOD）控制策略。定时信号灯是将一天划分为若干时段，每个时段都有特定的配时方案，然后按照预定时间表，每天周期性地执行固定配时方案。而周期性配时方案通常依据过去的高峰、低谷交通流量设计。实际上，各县市交通部门会不定期检讨和调整既有配时方案，通常在重要瓶颈路段、易拥堵路口或交通特性发生变化时，需要进行信号灯配时重整作业，调整单个或多个路口的定时信号灯。
这种运作方式在交通流量变化大或发生突发交通事件时，由于信号灯设计缺乏弹性，交通状况会迅速恶化。交通控制中心只能通过路况监视器观察现场车流走向，或依靠民众自行通报（针对未安装路况监视器的路段），再由中央电脑手动连线或派人到现场手动调整，增加相对方向的绿灯时间来引导车流。待拥堵情况稍有缓解，再将绿灯时间恢复到定时信号灯状态。另外，当路口主干道和支道人车流量差异较大时，在低谷时段，主干道红灯时，常因支道无人车通行而出现主干道红灯空等情况。因此，定时信号灯控制策略对于上述情况的反应不够智能化，导致路口或主干道走廊的疏导和行车效率降低。而且，反复进行配时重整，调整配时方案对整体资源的使用效率也不高。所以，台北市自2019年起，针对重点区域道路走廊与部分路口引入智能化信号灯控制系统，依据车辆行驶时间、停车等待长度、车流量、行人流量等因素，自动化、智能化地调节路口每个方向的红绿灯。该年度试点成效显著，行车时间约可改善7-15%，路口延误减少10-20%，并且每年节能减碳成效约可带来近6000万元新台币的经济效益。
鉴于此，台北市在2023年持续扩大建设规模，规划在易拥堵且容量有限的29条路段，共计221个信号灯路口，于2023-2025年实施智慧动态信号灯控制策略计划。由于台北市各区域交通特性不同，所采用的调控策略也有所差异。本文以台北市大同区规划范围为例，通过制定最优的智能化干道信号灯控制策略，将路网车流路径推进行为纳入配时优化设计，提升道路车流连续通行效率，提高路口或走廊的效率，进而缓解区域拥堵。
图 1 台北市智慧号志路口分布图
二、区域交通特性
台北市大同区以东西向干道民族路、民权路、民生路及南京西路，南北向干道环河北路、重庆北路、承德路及中山北路形成交通路网。该区域交通车流主要承接来自新北市三重及北投、士林方向的通勤车流。为缓解早晚高峰大量进出城车流压力，早高峰时段在承德路及中山北路、晚高峰时段在民生西路设置潮汐车道，提高进出城车流疏导效率；民权西路及重庆北路设置公交专用道，提升大众运输车流运行效率。此外，计划范围北侧有花博园区、大龙峒保安宫及台北市立美术馆等景点，南侧则有宁夏夜市、迪化街、马偕医院、中山商圈等重要出行吸引点，周边路段路边临时停车、公交停靠需求大，容易影响道路车流运行效率。邻近捷运红线的圆山站、民权西路站、双连站及中山站有大量行人通行需求，多处路口设置了行人专用相位。
图 2 大同区范围道路几何示意图
2.1车流特性
2.1.1平日早高峰时段（07:00-09:30）
早高峰时段关键路径及转向如图3所示。在早高峰时段，南向车流与东向车流方向性明显，从士林、北投南下的车流大多在主干道左转往东，尤其是民族西路路段的承德路路口及中山北路口。此外，新北市也有大量车流经台北桥进入民权西路。
图 3 平日晨峰时段整体关键路口及路径
2.1.2平日晚高峰时段（17:00-20:00）
晚高峰时段关键路径及转向如图4所示。主要车流包括民权西路西向往台北桥的车流，以及民生西路和民族西路西向转往环河北路的车流。此外，在承德路及重庆北路也可观察到大量转向车流前往新北市方向。
图 4 平日昏峰时段整体关键路口及路径
2.2交通瓶颈与信号灯控制需求分析
2.2.1高峰车流方向性明显
台北市大同区主要交通流量来自新北市及士林、北投地区的通勤车流，具有出发时间集中、行驶方向一致等特点，给沿线路口信号灯配时设计带来困难。新北市通往台北市大同区的车流汇集了来自三重、新庄、芦洲等区域的车辆，经台北桥进入计划范围的民权西路。根据2021年度台北市交通流量调查，早上高峰方向分布因子达79%，如图5所示。
市区路网高峰时段车流方向性明显，车流转向量大且复杂，当下游路段拥堵时，拥堵会向上游路段扩散。因此，有效掌握市区路网关键路径交通状况及动态信号灯群组间的协同运作至关重要。通过交通调查资料、配时方案及道路几何分析，研究不同时段的关键路径，通过路径疏流截流控制策略，提升路径车流连续通行效率。
图 5 台北桥尖峰车流方向性
2.2.2左转交通需求高
车流在接近路口时的转向行为分为直行、右转、左转及回转四类，其中左转对市区信号灯控制路口的服务水平影响最大。当车流在路口左转时，需要考虑对向行人、对向直行车辆和右转车辆，所以当路口左转比例达到一定程度时，需采用早开、迟闭或左转保护相位，以提升左转安全性，但这也会导致信号灯控制路口的损失时间增加，延长其他流向车流的停车等待延误。路口左转比例高的问题常出现在市区重要干道交会路口，以民权西路/承德路口为例，如图6所示，由北往南的车流多选择在民权西路左转进入市区方向，且由南往北的车流也多选择从该路口左转前往新北市，该路口南北向左转车流约占18-22%。若路口时间分配不当，会导致左转车队向上游堵塞，形成道路瓶颈。
图 6 民权/承德路口尖峰时段转向比
2.2.3次要路口转向需求高
在干道交会的主要路口周边，可能由于主要路口交通管制措施的影响，部分车流会在次要路口转向，这不仅会加剧替代道路的拥堵程度，次要路口的配时也无法满足大量转向需求，从而形成路段瓶颈点。以民权西路/中山北路口禁止左转为例（图7），周边路口的转向比例偏高，且周边路口因相交道路等级较低，分配的绿灯时间较少，无法满足大量车流的转向需求，容易造成路口溢流，如下游的中山北路/锦西街口、中山北路/农安街口。
图 7 次要路口转向车流说明
三、智慧信号灯系统控制策略
针对计划范围进行智能化信号灯控制，控制范围为市区道路，车流运行相对复杂，各干道路口车流会影响相邻上下游路口的到达车流。因此，智能化控制模式需要综合考虑各干道群组，并将路网车流路径推进行为纳入配时优化设计。本部分将分别对动态信号灯控制群组划分、策略规划、逻辑设计与运作成果进行说明。
3.1动态信号灯控制群组划分
在制定动态控制策略时，首先要确定控制群组划分。路口群组划分过程与准则依据交通部运输研究所《台湾地区先进交通管理系统（ATMS）中城市交通信号灯控制逻辑标准化与系统建设标准作业程序的研究——定时式/动态式控制逻辑标准化》中的临界路段长度准则、车流管制方式与几何路型等原则进行核查划分，同时结合现状配时，考虑路口间时段型态划分、周期内容一致性、干道绿灯配合情况等，进行动态信号灯群组划分作业。计划范围内67个路口共划分为13个控制群组，如图8所示。各控制群组以干道交会路口作为主控路口，设置路口车流转向量侦测器，实时侦测车流变化。
图 8 动态号誌控制群组划分示意图
3.2动态信号灯控制策略规划
控制范围的道路以路网形态为主，有多条干道交会。因此，在控制策略上需要考虑各干道车流需求，尤其是干道交会路口，其车流转向量大且复杂，一旦发生拥堵回堵，容易向上游扩散。所以在考虑控制范围内关键车流路径时，除了要提高干道本身的连续通行效率，还需兼顾转向路径的优化，才能有效降低整体路网的拥堵程度。
3.2.1干道交会路口时比分配
控制范围内各主要干道交会路口都是关键拥堵点。为使干道交会路口的动态配时内容符合实际车流状况，需要考虑路口及路段车流运行情况，逐周期进行动态时比秒数计算，如图9所示。控制策略说明如下：
（1）考量路口各流向通过状况
路口每个周期的通过量是各方向到达车辆数与绿灯开启秒数的综合结果。为有效分配各相位绿灯时间，需计算各相位绿灯秒数与对应流向实际通过量的绿灯使用率。当绿灯使用率高时，表明该相位车流通行情况相对于绿灯秒数得到了有效利用；当绿灯使用率低时，则表示车流通行情况相对于绿灯秒数效率较差。例如深夜时段绿灯闲置秒数较高，或路口拥堵溢流时车流无法顺利通过，都会导致绿灯使用率较低。因此，通过比较评估各相位绿灯使用率，相对较高的相位需增加时比秒数。
（2）考量上游路段交通状况
路口每个周期的通过量与上游路段交通状况密切相关，如上游路段交通量、速度、行驶时间等。在关键路口动态时比分配时，需要考虑上游路段车流需求。当路段拥堵、交通量较大时，说明该方向车流需求较高，需增加时比秒数；当路段畅通、交通量较低时，则表示该方向车流需求较低，可减少时比秒数，分配给需求较高的方向使用。
图 9 干道交会路口(点)控制策略规划
3.2.2干道次要路口联动配合
当干道交会的关键路口进行时比调整后，沿线次要路口也需要协同考虑，以提升整体路段车流通行效率。本计划针对干道次要路口的控制策略是依据主控路口的时比分配结果，对次要路口采取时相联动配合方式，共同增加时比秒数。如图10所示，重庆北路/民族西路为主控路口，当重庆北路时比增加时，重庆北路沿线次要路口同步配合增加时比秒数，以提升整体干道的连续通行效果。由于干道时比秒数增加必然会缩短支道相位时比秒数，因此在动态配时设计及实际运行调校时，需要考虑支道最小绿灯时间及行人专用（早开）相位保护等因素，避免造成支道车辆二次停车等待及行人安全等问题。
图 10 干道次要路口(缐)控制策略规划
3.2.3关键车流路径群组间协同运作
控制范围为市区路网形态，高峰时段车流方向性明显，车流转向量大且复杂，当下游路段拥堵时会向上游路段扩散。因此，有效掌握市区路网关键路径交通状况及动态信号灯群组间的协同运作至关重要。动态信号灯群组间控制策略说明如下：
（1）路径下游控制群组
关键路径的拥堵多源于下游路段拥堵回堵，需要有效增加下游群组时比秒数，通过下游疏流提升路径车流疏导效率。
（2）路径上游控制群组
当关键路径下游持续拥堵回堵时，若上游路段持续增加时比让车辆进入下游路段，会导致路段启动延误增加，车流回堵加剧，甚至造成路口溢流。因此，路径上游控制群组采取截流控制手段，有助于下游路段的疏导，并改善路段车流进入下游路段的效率。
以早高峰时段民族西路往东方向关键路径为例（图11），此时民族西路东向汇集了承德路南向左转、中山北路南向左转、民族西路东向的车流。若该关键路径发生回堵拥堵，民族东路/林森北路（下游路段）需增加东向时比秒数，提升路径车流疏导效率，同时上游路段民族西路/中山北路、民族西路/承德路两处路口，需对民族西路东向车流相位采取截流控制，协同运作以缓解整体关键路径车流，改善路径行驶时间拥堵状况。
3.3动态信号灯控制逻辑设计
依据上述动态信号灯控制策略规划内容，进行动态控制逻辑设计，整体控制逻辑流程如图12所示。本系统动态时比控制运作原则是基于既有时段划分及周期不变，每个周期开始时查询时段及相应的策略配时参数，包括周期、相位编号、各相位的步阶秒数、时差、最小绿灯、最大绿灯等内容。在整体路网控制中，首先考虑区域协同控制的交界路况和关键路径的行驶时间信息，当路径拥堵达到阈值时，相应信号灯群组将执行对应的控制策略配时。主控路口通过AI CCTV侦测器统计路口转向量，转换为交通量，并计算各相位绿灯使用率。系统每个周期接收上游路段信息，当达到拥堵阈值时，调整相位绿灯使用率或相位秒数。根据绿灯使用率计算结果，生成主控路口最佳时比分配，同步计算次要路口的时比内容。最后，将计算结果下载至现场控制器，进行动态配时调整，若出现异常情况则自动降级恢复预设定时运行。
图 12 整体控制逻辑流程图
3.4动态信号灯控制运作成果
3.4.1系统执行纪录检视
本部分以中山北路/民族西路群组为例进行说明，展示民族西路/中山北路（主控路口）、民族西路/林森北路（协控路口）、中山北路/农安街（协控路口）等三处路口在早高峰时段的配时控制结果。表1为三处路口在早高峰时段周期200秒的时比秒数变动幅度设定值，各相位均设有上下限绿灯秒数限制，幅度变化由人工预先设定，再根据实际运行结果和现场车流观察进行微调。微调作业以整体路段为观察对象进行调整，避免上游路口秒数增加导致下游回堵的情况发生。
表 1 三处路口时比秒数变动幅度设定值说明
表2为民族西路/中山北路（主控路口）3月13日早高峰时段的运作状况。该路口在07:00-08:00民族西路东向车流量大且方向性明显，时比秒数主要增加在民族西路东西向（第3相位），减少中山北路南北向（第1相位）及中山北路南向迟闭（第2相位），时比变动运作结果与现场车流趋势相符。
表2 动态号志控制实际运作纪录(民族西路/中山北路为例)
注：表格红底为该时段平均执行秒数低于 TOD 设定秒数，绿底为该时段平均执行秒数高于 TOD 设定秒数。
3.4.2动态信号灯执行绩效初步评估
本计划在2023年度完成了路网中38个路口的系统建设工作。初步评估，平日整体路网行驶时间改善约1.75%，假日约7.27%，整体改进幅度约4.51%。截至目前，路网中尚有29个未上线路口，本次初步绩效分析未剔除未上线路口。预计2024年度完成整体路网67个路口的动态信号灯功能建设，届时路网运行可进行整体考量，全面呈现绩效，有效提升路段连续通行效率。
四、结语
台北市自2019年起引入智能化信号灯控制系统，行车时间约可改善7-15%，路口延误减少10-20%，并且每年节能减碳成效约可带来近6000万元新台币的经济效益。然而，当时的调控策略多以单一干道调控为主。本次在2023-2025年执行智慧动态信号灯控制策略计划，调控范围从原先的单一干道扩展到整体路网，需要同时兼顾东西向与南北向车流。针对台北市大同区区域范围的行驶时间初步绩效与后续规划如下：
（1）平日整体路网行驶时间改善1.75%，假日行驶时间改善7.27%，整体行驶时间改善4.51%。
（2）目前已完成38个路口的系统建设，同步进行系统参数和策略的调整，并持续完成剩余29个路口的系统建设，确保动态信号控制能够准确应对不同时段的交通需求，预计可改善整体路网行驶时间5-8%。
在连续两年引入智慧信号灯控制取得显著效果的基础上，台北市将在未来继续在有需要的路口实施智慧信号灯，期望全面提升台北市信号灯路口的自动化与智能化水平，改善交通拥堵状况，提高路口疏导效率，增强路口交通安全。
五、参考文献
