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臺北市智慧信號燈設置之研究
摘要
一、前言
交通擁堵是城市中常見的問題，信號燈設計缺乏彈性或設計不合理，會引發空氣污染排放、駕駛人出行時間浪費等問題，這都是城市交通相關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，然后按照預定時間表，每天周期性地執行固定配時方案。而周期性配時方案通常依據過去的高峰、低谷交通流量設計。實際上，各縣市交通部門會不定期檢討和調整既有配時方案，通常在重要瓶頸路段、易擁堵路口或交通特性發生變化時，需要進行信號燈配時重整作業，調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生突發交通事件時，由于信號燈設計缺乏彈性，交通狀況會迅速惡化。交通控制中心只能通過路況監視器觀察現場車流走向，或依靠民眾自行通報（針對未安裝路況監視器的路段），再由中央電腦手動連線或派人到現場手動調整，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。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，針對重點區域道路走廊與部分路口引入智能化信號燈控制系統，依據車輛行駛時間、停車等待長度、車流量、行人流量等因素，自動化、智能化地調節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%，并且每年節能減碳成效約可帶來近6000萬元新臺幣的經濟效益。
鑒于此，臺北市在2023年持續擴大建設規模，規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年實施智慧動態信號燈控制策略計劃。由于臺北市各區域交通特性不同，所采用的調控策略也有所差異。本文以臺北市大同區規劃范圍為例，通過制定最優的智能化干道信號燈控制策略，將路網車流路徑推進行為納入配時優化設計，提升道路車流連續通行效率，提高路口或走廊的效率，進而緩解區域擁堵。
圖 1 臺北市智慧號志路口分布圖
二、區域交通特性
臺北市大同區以東西向干道民族路、民權路、民生路及南京西路，南北向干道環河北路、重慶北路、承德路及中山北路形成交通路網。該區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置潮汐車道，提高進出城車流疏導效率；民權西路及重慶北路設置公交專用道，提升大眾運輸車流運行效率。此外，計劃范圍北側有花博園區、大龍峒保安宮及臺北市立美術館等景點，南側則有寧夏夜市、迪化街、馬偕醫院、中山商圈等重要出行吸引點，周邊路段路邊臨時停車、公交停靠需求大，容易影響道路車流運行效率。鄰近捷運紅線的圓山站、民權西路站、雙連站及中山站有大量行人通行需求，多處路口設置了行人專用相位。
圖 2 大同區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）
早高峰時段關鍵路徑及轉向如圖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臺北橋進入民權西路。
圖 3 平日晨峰時段整體關鍵路口及路徑
2.1.2平日晚高峰時段（17:00-20:00）
晚高峰時段關鍵路徑及轉向如圖4所示。主要車流包括民權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往環河北路的車流。此外，在承德路及重慶北路也可觀察到大量轉向車流前往新北市方向。
圖 4 平日昏峰時段整體關鍵路口及路徑
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
臺北市大同區主要交通流量來自新北市及士林、北投地區的通勤車流，具有出發時間集中、行駛方向一致等特點，給沿線路口信號燈配時設計帶來困難。新北市通往臺北市大同區的車流匯集了來自三重、新莊、蘆洲等區域的車輛，經臺北橋進入計劃范圍的民權西路。根據2021年度臺北市交通流量調查，早上高峰方向分布因子達79%，如圖5所示。
市區路網高峰時段車流方向性明顯，車流轉向量大且復雜，當下游路段擁堵時，擁堵會向上游路段擴散。因此，有效掌握市區路網關鍵路徑交通狀況及動態信號燈群組間的協同運作至關重要。通過交通調查資料、配時方案及道路幾何分析，研究不同時段的關鍵路徑，通過路徑疏流截流控制策略，提升路徑車流連續通行效率。
圖 5 臺北橋尖峰車流方向性
2.2.2左轉交通需求高
車流在接近路口時的轉向行為分為直行、右轉、左轉及回轉四類，其中左轉對市區信號燈控制路口的服務水平影響最大。當車流在路口左轉時，需要考慮對向行人、對向直行車輛和右轉車輛，所以當路口左轉比例達到一定程度時，需采用早開、遲閉或左轉保護相位，以提升左轉安全性，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。路口左轉比例高的問題常出現在市區重要干道交會路口，以民權西路/承德路口為例，如圖6所示，由北往南的車流多選擇在民權西路左轉進入市區方向，且由南往北的車流也多選擇從該路口左轉前往新北市，該路口南北向左轉車流約占18-22%。若路口時間分配不當，會導致左轉車隊向上游堵塞，形成道路瓶頸。
圖 6 民權/承德路口尖峰時段轉向比
2.2.3次要路口轉向需求高
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向需求，從而形成路段瓶頸點。以民權西路/中山北路口禁止左轉為例（圖7），周邊路口的轉向比例偏高，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/農安街口。
圖 7 次要路口轉向車流說明
三、智慧信號燈系統控制策略
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，并將路網車流路徑推進行為納入配時優化設計。本部分將分別對動態信號燈控制群組劃分、策略規劃、邏輯設計與運作成果進行說明。
3.1動態信號燈控制群組劃分
在制定動態控制策略時，首先要確定控制群組劃分。路口群組劃分過程與準則依據交通部運輸研究所《臺灣地區先進交通管理系統（ATMS）中城市交通信號燈控制邏輯標準化與系統建設標準作業程序的研究——定時式/動態式控制邏輯標準化》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，同時結合現狀配時，考慮路口間時段型態劃分、周期內容一致性、干道綠燈配合情況等，進行動態信號燈群組劃分作業。計劃范圍內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，設置路口車流轉向量偵測器，實時偵測車流變化。
圖 8 動態號誌控制群組劃分示意圖
3.2動態信號燈控制策略規劃
控制范圍的道路以路網形態為主，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，其車流轉向量大且復雜，一旦發生擁堵回堵，容易向上游擴散。所以在考慮控制范圍內關鍵車流路徑時，除了要提高干道本身的連續通行效率，還需兼顧轉向路徑的優化，才能有效降低整體路網的擁堵程度。
3.2.1干道交會路口時比分配
控制范圍內各主要干道交會路口都是關鍵擁堵點。為使干道交會路口的動態配時內容符合實際車流狀況，需要考慮路口及路段車流運行情況，逐周期進行動態時比秒數計算，如圖9所示。控制策略說明如下：
（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與綠燈開啟秒數的綜合結果。為有效分配各相位綠燈時間，需計算各相位綠燈秒數與對應流向實際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效率較差。例如深夜時段綠燈閑置秒數較高，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。
（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，如上游路段交通量、速度、行駛時間等。在關鍵路口動態時比分配時，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；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，分配給需求較高的方向使用。
圖 9 干道交會路口(點)控制策略規劃
3.2.2干道次要路口聯動配合
當干道交會的關鍵路口進行時比調整后，沿線次要路口也需要協同考慮，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主控路口的時比分配結果，對次要路口采取時相聯動配合方式，共同增加時比秒數。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，以提升整體干道的連續通行效果。由于干道時比秒數增加必然會縮短支道相位時比秒數，因此在動態配時設計及實際運行調校時，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)控制策略規劃
3.2.3關鍵車流路徑群組間協同運作
控制范圍為市區路網形態，高峰時段車流方向性明顯，車流轉向量大且復雜，當下游路段擁堵時會向上游路段擴散。因此，有效掌握市區路網關鍵路徑交通狀況及動態信號燈群組間的協同運作至關重要。動態信號燈群組間控制策略說明如下：
（1）路徑下游控制群組
關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，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
當關鍵路徑下游持續擁堵回堵時，若上游路段持續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、中山北路南向左轉、民族西路東向的車流。若該關鍵路徑發生回堵擁堵，民族東路/林森北路（下游路段）需增加東向時比秒數，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，協同運作以緩解整體關鍵路徑車流，改善路徑行駛時間擁堵狀況。
3.3動態信號燈控制邏輯設計
依據上述動態信號燈控制策略規劃內容，進行動態控制邏輯設計，整體控制邏輯流程如圖12所示。本系統動態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的策略配時參數，包括周期、相位編號、各相位的步階秒數、時差、最小綠燈、最大綠燈等內容。在整體路網控制中，首先考慮區域協同控制的交界路況和關鍵路徑的行駛時間信息，當路徑擁堵達到閾值時，相應信號燈群組將執行對應的控制策略配時。主控路口通過AI CCTV偵測器統計路口轉向量，轉換為交通量，并計算各相位綠燈使用率。系統每個周期接收上游路段信息，當達到擁堵閾值時，調整相位綠燈使用率或相位秒數。根據綠燈使用率計算結果，生成主控路口最佳時比分配，同步計算次要路口的時比內容。最后，將計算結果下載至現場控制器，進行動態配時調整，若出現異常情況則自動降級恢復預設定時運行。
圖 12 整體控制邏輯流程圖
3.4動態信號燈控制運作成果
3.4.1系統執行紀錄檢視
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（協控路口）、中山北路/農安街（協控路口）等三處路口在早高峰時段的配時控制結果。表1為三處路口在早高峰時段周期200秒的時比秒數變動幅度設定值，各相位均設有上下限綠燈秒數限制，幅度變化由人工預先設定，再根據實際運行結果和現場車流觀察進行微調。微調作業以整體路段為觀察對象進行調整，避免上游路口秒數增加導致下游回堵的情況發生。
表 1 三處路口時比秒數變動幅度設定值說明
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），時比變動運作結果與現場車流趨勢相符。
表2 動態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行秒數低于 TOD 設定秒數，綠底為該時段平均執行秒數高于 TOD 設定秒數。
3.4.2動態信號燈執行績效初步評估
本計劃在2023年度完成了路網中38個路口的系統建設工作。初步評估，平日整體路網行駛時間改善約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。預計2024年度完成整體路網67個路口的動態信號燈功能建設，屆時路網運行可進行整體考量，全面呈現績效，有效提升路段連續通行效率。
四、結語
臺北市自2019年起引入智能化信號燈控制系統，行車時間約可改善7-15%，路口延誤減少10-20%，并且每年節能減碳成效約可帶來近6000萬元新臺幣的經濟效益。然而，當時的調控策略多以單一干道調控為主。本次在2023-2025年執行智慧動態信號燈控制策略計劃，調控范圍從原先的單一干道擴展到整體路網，需要同時兼顧東西向與南北向車流。針對臺北市大同區區域范圍的行駛時間初步績效與后續規劃如下：
（1）平日整體路網行駛時間改善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個路口的系統建設，同步進行系統參數和策略的調整，并持續完成剩余29個路口的系統建設，確保動態信號控制能夠準確應對不同時段的交通需求，預計可改善整體路網行駛時間5-8%。
在連續兩年引入智慧信號燈控制取得顯著效果的基礎上，臺北市將在未來繼續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
來源：交通實務公眾號
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