德國現(xiàn)代有軌電車平交口綠燈間隔時間計算

虞笑晨

（德國達姆施塔特工業(yè)大學(xué)，德國達姆施塔特 64289）

1 德國有軌電車平面交叉口綠燈間隔時間計算要點

1.1 過渡信號 （英語：transition signal；德語：übergangsignal）

所謂過渡信號，指的是交叉口信號燈從綠燈變成紅燈或從紅燈變成綠燈的變化過程中增設(shè)的過渡信號[2,3,7,,8]。對于德國“綠燈——黃燈——紅燈——紅黃燈——綠燈”這種信號順序來說，黃燈和紅黃燈就是最常見的過渡信號。

黃燈（英語：amber signal；德語：Gelbzeit）

黃燈是信號燈從綠燈轉(zhuǎn)變到紅燈時所增設(shè)的過渡信號[8,9]。首先在這里要說明的是對于黃燈的意義在德國甚至歐洲是如此規(guī)定的：表示即將亮紅燈，車輛應(yīng)該停止。除非黃燈剛亮?xí)r，已經(jīng)接近停車線、無法安全制動的車輛，可以開出停車線。無論是對黃燈的設(shè)置還是對黃燈意義的規(guī)定都與車輛動力學(xué)息息相關(guān)。當(dāng)車輛靠近停車線時，黃燈亮起，此時理論上機動車駕駛者會做出兩種判斷：其一，當(dāng)車輛已經(jīng)十分靠近停車線，由于慣性作用，車輛不可能在停車線之前停車，駕駛者會選擇在黃燈期間繼續(xù)行駛通過停車線以及交叉口；其二，當(dāng)車輛距離停車線足夠遠時，駕駛員會選擇減速并在停車線內(nèi)停下。誠然，根據(jù)車輛距離停車的距離以及交叉口幾何，會出現(xiàn)兩種情況，一種叫“決策區(qū)域”，即駕駛者無論選擇停車還是繼續(xù)行駛都是可行的；另一種叫“尷尬區(qū)域”，即無論駕駛員做出任何決斷都是錯誤的[1]。尤其是后者，既給駕駛者判斷和駕駛帶來困難，也給交通安全帶來較大隱患。為了消除這種隱患，德國規(guī)定最小黃燈時間的設(shè)定必須滿足下式：

式中：tG——黃燈時間，s；

tRe——交通參與者對信號燈變化的做出判斷的反應(yīng)時間，s；

vzul——交叉口限速，m/s；

bv——剎車減速度，m/s2。

通過上述理論以及上式可以看出，在德國，黃燈信號的設(shè)置與交叉口限速有關(guān)。在德國信號控制規(guī)范[3]中對于不同的交通參與者以及不同的最大時速給出了相應(yīng)的黃燈時間，見表1。本文中就汽車和有軌電車所需的黃燈時間作個比較，并對此差異給出相應(yīng)的解釋。

觀察表1中的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)有軌電車所需的黃燈時間明顯大于普通車輛，以50 km/h限速為例，兩者差距達到3 s之大。在給出解釋之前，先以50 km/h為例，將德國信號控制中規(guī)定的黃燈時間值用上述的理論公式進行推導(dǎo)：

表1 德國信號控制規(guī)范中規(guī)定的車輛和有軌電車黃燈時長[3]

從公式的推導(dǎo)中發(fā)現(xiàn)，對于同樣限速的汽車和有軌電車采用不同的黃燈時間主要由駕駛員反應(yīng)時間和車輛剎車減速度決定，而后者占主要因素。對于反應(yīng)時間設(shè)定的不同，是源于有軌電車司機經(jīng)過嚴格培訓(xùn)能更加迅速對信號燈做出反應(yīng)這樣一個背景出發(fā)的[4]；對于減速度的計算值是，出于相對一個比較客觀的車輛動力學(xué)性能，普通汽車的減速度在4.0～3.5 m/s2，而有軌電車考慮其鐵路性能以及站立乘客的安全其減速度一般小于1.5 m/s2，在實際運營過程中根據(jù)有軌電車生產(chǎn)廠家的設(shè)定一般為1.2 m/s2左右。所以可見，如果在實際生活中有軌電車司機并不能很及時對信號燈做出反應(yīng)的話，那理論上需要更多的黃燈時間來保證安全。

紅黃燈（英語：red-ambersignal；德語：Rot-Gelbzei）t

紅黃燈（同時亮）是在信號燈從紅燈轉(zhuǎn)變到綠燈時所設(shè)的過渡信號[8,9]，德國交通信號控制規(guī)范[3]規(guī)定紅黃燈時間一般為1 s。紅黃燈一方面可以讓駕駛員為即將來到的綠燈做準(zhǔn)備以減少綠燈初期損失，另一方面，和國內(nèi)常用的紅燈倒計時相比，因其時間極短避免了因為紅燈倒計時駕駛員長期準(zhǔn)備而造成的搶行。考慮車輛動力學(xué)的因素，因此紅黃燈對于自行車和機動車都設(shè)有紅黃燈信號。

但是，對于有軌電車德國規(guī)定不設(shè)紅黃燈時間，即紅黃燈時間為0 s。其理由可以追溯到[4]，因為一方面有軌電車司機都經(jīng)過嚴格培訓(xùn)，所以能夠即使對各種信號變化做出反應(yīng)；另一方面有軌電車司機長期在某路段運營，對每個交叉口的信號控制相位、紅綠燈時長以及交叉口交通流相當(dāng)熟悉，可以比較準(zhǔn)確推測交通信號燈變化情況。出于這兩個方面的原因，因此德國不再對有軌電車設(shè)立紅黃燈信號。

1.2 綠燈間隔時間（英語：intergreen time；德語：Zwischenzeit）

綠燈間隔時間是相互沖突的上一股交通流的綠燈結(jié)束時刻和下一股交通流的綠燈開始時刻之前的時間間隔[2,3,7]。綠燈間隔時間是調(diào)節(jié)交叉口安全性和通行能力的重要手段，所以尋求一個“正確”的綠燈間隔時間對交叉口信號控制來說是重中之重。如果綠燈間隔時間過短，造成上一股車流還未駛出交叉口，下一股沖突車流就進入交叉口而導(dǎo)致交通沖突甚至事故；相反，如果綠燈間隔時間過長，一方面會導(dǎo)致交叉口通行能力的大幅度降低，另一方面也會導(dǎo)致駕駛員錯誤地高估交叉口的“安全性”，從而因搶行造成可能引發(fā)的交通事故。既然綠燈間隔時間如此重要，那如何去確定一個“正確”的綠燈間隔時間呢？

根據(jù)德國交通信號控制規(guī)范[3]，綠燈間隔時間在具體計算時，可以表述為前一股交通流的最后一輛車車尾剛駛過沖突點，恰好此時，控制下一股車流（沖突車流）的信號燈綠燈亮起，下一股交通流的第一輛車（車頭）在不飽和交通流的情況下，不減速（以原速）地到達沖突點，其設(shè)計理念也可以用下式[3]和圖1來解釋：

式中：tz——綠燈間隔時間，s；

tü——通過時間/過渡時間，s；

tr——清空時間，s；

te——駛?cè)霑r間，s。

圖1 德國綠燈間隔時間計算圖例[3]

下面對綠燈間隔計算中每一個參數(shù)的基本概念作個解釋：

通過時間/過渡時間tü：德國的綠燈間隔時間考慮了極限的情況，即駕駛員在接近交叉口時，恰好黃燈亮起，然而此時要在交叉口前剎車從車輛動力學(xué)角度出發(fā)已經(jīng)不可能，他只能按照原來的速度繼續(xù)駛過交叉口。從這個角度分析，通過時間應(yīng)當(dāng)與黃燈時間相一致或者相近。

清空時間tr：清空時間是指綠燈結(jié)束時上一股車流最后一輛車車位以清空速度通過沖突點（清空距離Sr）所需要的時間。其中清空時間由基本清空距離，即清空車輛從停車線到?jīng)_突點的距離S0，和（虛擬 /計算）車身長度 lFZ組成，公式[3]表達即為：

駛?cè)霑r間te：駛?cè)霑r間是指綠燈開始時下一股車流第一輛車以駛?cè)胨俣萔e通過駛?cè)刖嚯xSe，即從停車線到?jīng)_突點的距離，所需要的時間。其計算公式[3]可以表達為：

上述的繁復(fù)的公式和解釋是德國綠燈間隔時間方法的基本理論和方法，那么對于有軌電車這種行駛于道路上的軌道交通，在規(guī)范中有三個明顯不同于道路交通的特殊數(shù)值和規(guī)定，以便于符合有軌電車的特殊屬性：

（1）和限速有關(guān)的通過時間/過渡時間：由于有軌電車減速度較小，因此對于不同行駛速度（限速）所需要的黃燈時間從車輛動力學(xué)角度來說相差甚遠，并且在實際運營過程中，根據(jù)運營條件的不同對有軌電車在不同路段的限速也確實存在較大差異，因此在綠燈間隔時間計算中所設(shè)定的通過時間/過渡時間tü應(yīng)由有軌電車限速來決定，具體數(shù)值見表2。

表2 綠燈計算中通過時間/過渡時間tü與有軌電車限速之間的關(guān)系[3]

（2）虛擬車身長度：有軌電車的車身長度遠大于道路交通。因此在計算中有軌電車所使用的虛擬車身長度LFz是15 m，而對于道路交通車輛虛擬長度僅僅只有6 m，見圖2。

（3）在交叉口前停站：有軌電車通常會在交叉口前停站，因此無論在有軌電車清空還是在有軌電車駛?cè)霑r，都要考慮有軌電車從停滯加速到限速的過程。尤其是對于有軌電車清空的情況，因為在停滯狀態(tài)下的清空過程需要更多的清空時間。因此當(dāng)有軌電車在交叉口前停站時，計算要繁復(fù)很多，必須要考慮有軌電車是否在交叉口范圍內(nèi)能夠達到限速。

圖2 德國有軌電車綠燈間隔時間計算示意圖[4]

對于有有軌電車參與的綠燈間隔時間的所有計算公式和設(shè)定的計算數(shù)值都在表3中列出。

表3 有有軌電車參與的綠燈間隔時間計算公式和數(shù)據(jù)匯總[3]

可見，要真正確定有有軌電車參與的綠燈間隔時間并非一件易事，即使通過這些繁瑣地公式，但對于一些在實際運營中遇到的特殊情況以及在理論計算過程中所設(shè)定的數(shù)值，還存在靈活性和特殊性，對此在規(guī)范文獻里和學(xué)術(shù)界都還有額外的批注和探討，這也是有軌電車特殊的鐵路屬性所導(dǎo)致的，其中有三點值得關(guān)注：

其一，在感應(yīng)信號控制和公共交通信號優(yōu)先時，經(jīng)常會使用“絕對優(yōu)先”的控制方式來實現(xiàn)有軌電車的公交優(yōu)先。因為絕對優(yōu)先控制方式的存在，所以只有當(dāng)有軌電車取消請求后（即通過停車線后）綠燈才會結(jié)束轉(zhuǎn)向紅燈。在這種情況下為了減少交叉口通行能力的損失，可以在計算綠燈間隔時間中不考慮通過時間/過渡時間。但是如果取消通過時間/過渡時間的話，一定要注意強制取消信號優(yōu)先的情況。所以為了避免強制取消優(yōu)先造成的安全問題，建議在有軌電車優(yōu)先的邏輯程序中考慮強制取消和綠燈間隔時間計算的問題[3]。

其二，從表3中的計算公式中可以發(fā)現(xiàn)，有軌電車在運營中所需要的綠燈間隔時間和所需要的黃燈時間和道路交通是不一樣的。所以一般情況下，有軌電車和普通社會車輛是用兩個信號燈組（signal group）來控制的。但如果因為一些特殊原因，必須要用道路交通的信號燈組去控制有軌電車時，有軌電車的駕駛員必須“擁有和道路交通相一致的駕駛行為”[3]，即當(dāng)有軌電車靠近交叉口時，有軌電車駕駛員必須減速到20～30 km/h左右，以便在此時此刻信號燈發(fā)生變化時（從綠燈變?yōu)榧t燈）有軌電車能夠及時在停車線前剎住車，因為有軌電車停車所需的時間和距離都較大，如果此時信號燈未發(fā)生變化，則有軌電車可以重新加速，繼續(xù)駛過交叉口。在這種信控方式下，一方面有軌電車減速會產(chǎn)生時間和能源損耗，另一方面駕駛員有較大責(zé)任，對信號燈的信息做出正確地判斷。

其三，即計算中所設(shè)定的15 m的虛擬/計算車身長度能滿足實際要求嗎，尤其對于像德國45m長的有軌電車。這個問題是爭議最多也是很多讀者可能有疑問的地方。這個15 m的虛擬車身長度承接于1992版的德國信號控制規(guī)范[1]，一方面因為當(dāng)時的有軌電車并沒有今天的長度，另一方面根據(jù)當(dāng)時實際情況觀察和大量數(shù)據(jù)處理，考慮到交叉口通行能力的需要，15 m是一個比較合適的長度。當(dāng)然在有些文獻中[5]提出，計算車身長度應(yīng)至少達到一半的實際車身長度，但不應(yīng)超過25 m，否則對整個交叉口的通行能力影響過大，從這個分析出發(fā)，15m的長度僅僅適用于最多30 m長度的有軌電車，也就是上世紀的有軌電車的長度。對于這類爭論，德國達姆施塔特應(yīng)用科技大學(xué)的Prof.Follmann教授給出一個較好的解釋：交通工程學(xué)和其他結(jié)構(gòu)類的土建工程最大的不同點，就是交通參與者對交通安全的影響，因此如果當(dāng)有軌電車車身的大部分已經(jīng)駛過沖突點后，只要道路交通駕駛員注意力集中，是不會直接沖撞有軌電車的，前提當(dāng)然是有軌電車能夠充分地被注意到，而這15 m的長度正提供了這種“提醒”功能；此外，即使對普通道路交通來說，德國采用的虛擬車身長度也僅僅6 m，這也比大型車輛短很多，所以說這個虛擬車身長度是實驗統(tǒng)計的結(jié)果。對此，筆者特意在德國達姆施塔特市的很多交叉口特意實地觀察了有軌電車交叉口運營情況，可以說15 m的虛擬車身計算長度在實際情況中是安全可靠的。

無論從實際有軌電車和交叉口幾何出發(fā)，還是從德國規(guī)范出發(fā)，可以看出有軌電車所需要的清空時間明顯要大于道路交通，尤其當(dāng)其在交叉口前停站時，因而在規(guī)范中針對這種清空提出了很多有利于其安全的計算數(shù)值（如15 m的虛擬車身長度）。但是從實際運營情況來看，很多事故發(fā)生在綠燈亮起有軌電車駛?cè)虢徊婵诘那闆r，這和沈陽有軌電車運營事故報告的情況也是相符的，究其原因是因為其較小的減速度和固定的運行軌道，導(dǎo)致駕駛員看到危險時無法及時避讓。

出于這樣的實際情況和交通工程學(xué)分析，對于計算有軌電車駛?cè)氲木G燈間隔計算時，很多專業(yè)人士提出一個不成文的準(zhǔn)則：當(dāng)有軌電車駛?cè)霑r，最好整個交叉口呈現(xiàn)一個“完全空曠”的狀態(tài)，即所有沖突車流已經(jīng)全部駛出交叉口，這樣有軌電車可以毫無阻礙的駛?cè)虢徊婵冢@就要求在計算時可以在德國規(guī)范中所提出的方法基礎(chǔ)上適當(dāng)給予“附加時間”，以便滿足有軌電車的特殊特性。當(dāng)然因為這條不成文的原則并未寫入德國信號控制規(guī)范，因此在德國交叉口綠燈間隔時間計算中并未使用，但對交通工程的設(shè)計人員在實際處理交叉口信號控制方案時（如附加值）給予了很好的指導(dǎo)。

2 德國控制方法對中國適用性的探討

2.1 過渡信號

過渡信號中黃燈是從車輛動力學(xué)角度設(shè)置的，從國內(nèi)普遍的交叉口信控來看，一方面大多交叉口信號燈在黃燈前都有3～4 s的綠閃時間，甚至還配有綠燈倒計時，他們完全可以起到提示作用，另一方面有軌電車在城市內(nèi)限速一般在50 km/h以下，因此有軌電車黃燈時間保持和原來對社會車輛的時長不變（一般3 s左右）完全是可行的，但其前提是在有軌電車司機培訓(xùn)中必須明確讓司機了解有軌電車的特殊屬性，所以必須在綠閃時做出相應(yīng)的反應(yīng)。否則，到黃燈時再做出反應(yīng)會措手不及。

過渡信號中的紅黃燈在國內(nèi)的使用本來就不普及，如上海張江、沈陽渾南等有軌電車運營地區(qū)的交叉口沒有紅黃燈，所以有軌電車不使用紅黃燈的問題也就不存在了。

2.2 綠燈間隔時間

首先德國交叉口（綠燈間隔時間）的控制方法屬于“信號組控制方式”（signal group control），因此對于每個信號燈組控制的車流必須計算校核其綠燈間隔時間，通過校核以后的結(jié)果將生成一個綠燈間隔矩陣，這個矩陣保證著清空車流和駛?cè)胲嚵髦g的安全。同時因為由于交叉口幾何的不同以及交通參與者的屬性不同，所以根據(jù)這個矩陣原理，有可能直行的對向兩個車流的綠燈開放時間會不同，見圖3。

圖3 綠燈間隔時間矩陣示例[3,8]

而中國大部分交叉口屬于“相位控制方式”（phase control），即在一個相位內(nèi)所有的交通參與者一起開放一起結(jié)束，而相位之間插入一個“全紅相位”作為綠燈時間保證來保證交通安全，而“全紅相位”的時長往往根據(jù)交警經(jīng)驗在2～3 s作用，所以交叉口的綠燈間隔時間處于一種“經(jīng)驗控制”和“模糊控制”的狀態(tài)，其安全通常依靠交通參與者之間的相互避讓來保證。由于有軌電車引入后，很多特殊屬性使得這種純經(jīng)驗的“全紅相位”并不能通過有軌電車駕駛者和其他交通參與者自行操縱來保障交通安全，所以還是很有必要引入德國這種計算的方法。

但是要引入這個方法必須突破兩方面的障礙，一則是交通工程學(xué)和信號控制理念方面的更新，即相關(guān)設(shè)計、管理人員要足夠意識到通過計算確定綠燈間隔時間的重要性和必要性，因為畢竟其計算時比較繁復(fù)的；二則是要求信號機從硬件設(shè)備角度信號機能夠處理這樣一個矩陣，否則即使有計算結(jié)果也很難在現(xiàn)實中實現(xiàn)。

另外，德國的綠燈間隔時間計算方法屬于“通行能力最大化”，從第三章中的理論就可以看出，上一股車流剛通過沖突點后下一股車流就到達沖突點，所以計算的是極限狀況，幾乎沒有冗余度留下。但是在從目前中國交叉口情況觀察來看，其交通流還是處于比較混沌的狀態(tài)，并且交通參與者還存在一定陋習(xí)，所以在使用德國方法時建議加入一定的附加值，以保證安全。尤其是對有軌電車駛?cè)耄驗樵谟熊夒娷囻側(cè)霑r德國方法充分考慮了其停車加速這種情況下的“緩慢”，從安全角度來說這種計算是利于通行能力而不利于安全的，所以在轉(zhuǎn)用德國方法到中國背景下適當(dāng)摻入冗余度筆者認為還是需要的。

至于規(guī)范中提及，當(dāng)有軌電車的綠燈總在其取消請求后才被截斷時，可以在計算時綠燈間隔時間的時候，通過時間tü設(shè)置為零并且將其納入信號邏輯中，以防止強制取消請求帶來的安全隱患。但這種方法在實際工程中很少使用，其理由很容易理解，一則，有軌電車絕對優(yōu)先在繁忙的城市交通中并不能總被保證，所以經(jīng)常會出現(xiàn)請求還未取消，有軌電車的綠燈必須被截斷；二則，綠燈間隔時間關(guān)系到交通安全，將其寫入邏輯程序既增加了程序的設(shè)計難度，也增加了安全隱患，因為這是有實際工程背景意義的，在信號控制中處理綠燈間隔的信號機和邏輯程序的信號機是兩套獨立系統(tǒng)，在德國處理綠燈間隔的信號機類似硬件系統(tǒng)，通過和其關(guān)聯(lián)的另一個系統(tǒng)完成一個自鎖系統(tǒng)，以保證信號處理的正確性以及其關(guān)聯(lián)的安全性。所以如果將綠燈間隔時間寫入邏輯程序，會容易造成安全隱患。

雖然在德國信號控制規(guī)范中也從綠燈間隔時間及黃燈時長等角度闡述了共用信號的優(yōu)缺點，但在德國現(xiàn)今有軌電車運營當(dāng)中很難見到這種現(xiàn)象。共用信號從綠燈間隔時間計算角度來說也存在一定安全隱患，因為德國綠燈間隔時間的計算中選取的是每個信號燈組下最不利車流組合的情況，即最長的清空距離和最短的駛?cè)刖嚯x的組合，其直接受車道分布等影響。眾所周知，當(dāng)今新建的有軌電車大多都有獨立軌道，因此用車輛的車道代替有軌電車的軌跡存在一定安全隱患。所以建議只有對于混合路權(quán)的有軌電車，如上海張江有軌電車，使用共同的信號燈從綠燈間隔時間計算的角度來說相對比較安全。當(dāng)然，是否如此做必須由信號燈管理運營部門，即交警，根據(jù)實地綜合因素考慮決定。

3 建議和總結(jié)

有軌電車在中國銷聲匿跡多年以后以一種全新的模式重新出現(xiàn)在中國繁忙的大街小巷，其本身是具有現(xiàn)實和進步意義的。然而新生事物的產(chǎn)生和發(fā)展必然是曲折的，經(jīng)歷一個“適應(yīng)期”是難免的。就以本文論述對象（有軌電車的平面交叉口信號控制）來說，因為有軌電車特殊的鐵路性質(zhì)使其在參與道路交通時問題頻發(fā)，一些以前就已經(jīng)存在的問題因為有軌電車的出現(xiàn)更加凸顯。對此筆者想主要想對我國有軌電車平面交叉口綠燈間隔時間提出一個建議：應(yīng)當(dāng)將有軌電車交叉口信號控制安全問題提上議事“日程”，并從交通工程學(xué)角度認真分析思考。因為在中國只要一提及有軌電車，便先想到“信號優(yōu)先”的話題，似乎“信號優(yōu)先”成了有軌電車的代名詞，而安全問題完全被認為是因為交通參與者違規(guī)或操作不當(dāng)造成的，只要交通參與者稍加注意或者遵守應(yīng)有的駕駛行為就完全可以避免。其實不然，交通安全不能僅僅依靠交通參與者的操縱，而要從交通工程學(xué)的層面提供一定的保障。何況，沒有交通安全，有軌電車信號優(yōu)先是徒勞也是沒有意義的。

如今，全國各個城市的有軌電車項目都在上馬，例如珠海、上海松江、蘇州等等，盡管有軌電車信號控制只是很小的一個部分，但也關(guān)系著“國計民生”和其本身的發(fā)展。如何展現(xiàn)一個安全、高效的真正具有“現(xiàn)代”意義的有軌電車是值得思考的問題。

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