中華大學

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中華大學碩士論文

市區過飽合交通之號誌時相與時制整合設計之研究

Study of Signal Phase and Timing Design Integration for Urban Oversaturation Traffic

系所別：運輸科技與物流管理學系碩士班學號姓名：M09914005 陳宇騰

指導教授：張建彥博士

中華民國 102 年 7 月

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摘要

在今日的城市路網中，在交通的尖峰期間有些特定路段通常會造成所謂的”過飽和”交通狀況，當幹道處於交通過飽和狀況時，號誌設計需要考量的要素比起獨立的單一路口更為複雜，因為必須考慮到幹道上游與下游的交通狀況，因此對於都市幹道而言如何設計出最佳的號誌時制計畫來緩和交通過飽和狀況並使號誌運作達到最佳效用是當前很值得關注與研究的問題。

在號誌設計的過程中，時相的設計是最初步也是最重要的一環，因為只有在搭配最佳時相計畫的前提下，時制的最佳化設計才有意義，但以往有關過飽和號誌控制的相關研究大多著重於號誌時制之最佳化，對於時相設計的部分通常沒有給於同樣的重視，導致時制產生的結果可能受限於時相安排的缺失而難以達到真正最佳化的效果。

本研究提出號誌設計動態程序，透過號誌路口群組的概念來設計市區過飽和幹道的號誌時制，並對號誌之時相與時制設計進行整合，而非傳統上只對單一獨立路口進行號誌時制的最佳化，號誌的設計目標是讓幹道上的過飽和群組路口之車輛通過量達到最大化。

研究成果可以提供交通實務者在處理市區過飽和幹道時，在追求車輛通過量的目標下，得到一個整合時相與時制設計的最佳號誌方案，從而達到改善過飽和交通的目標。

關鍵字:過飽和、號誌控制、路口群組、時相、時制

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ABSTRACT

Oversaturation traffic conditions usually happens on the urban networks cities.When an arterial is in the oversaturated condition the, the signal design need to be considered more complex than that of an isolated intersection because of the consideration for upstream and downstream traffic conditions.

Therefore, the optimal signal plan to reduce oversaturation condition and achieve the best performance is an important issue for the arterials. In the signal timing design, the phase design is the first and also the most important step. The optimal signal timing should be meaningful. However, most research of oversaturation signal control only focused on the signal timing optimization under the best-phase plan, Rare studies focused on phase design. Result is in signal timing may be limited by the lack of phase design and difficult to achieve real optimization.

This study designs a dynamic procedure of signal design.Through the concept of signalized intersection grouping for oversaturated signal timing, and integration of phase and timing design, the tradition signal design single isolated intersections is improver. The goal of the signal design is to maximize volume throughout of oversaturation group intersections.

The study results can provide an integration of optimal phase and timing design for the improvement oversaturated traffic conditions.

Keywords: Oversaturation、Signal Control、Intersection Grouping、Phase、Timing

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誌謝

研究所兩年的時間轉眼間就這樣過去了，從剛踏進運管系到論文完成，口試完成的那一刻現在回想起來依然是記憶猶新，在中華大學的這兩年相對於人生來說雖然短暫，但卻是一段寶貴的回憶。

在這兩年內首先要感謝指導教授張建彥老師，讓我從剛開始對於交通知識的一知半解，經過老師這兩年的指導後得到了許多學習收穫，在碩班短暫的兩年時光中老師除了在論文指導上給予我諸多指點，同時也教導了我做研究應有的理念與態度，讓我這兩年除了在專業知識上增進，也學會課本上許多沒敎的東西，此外也要感謝本校卓裕仁老師及交通大學黃銘崇老師，在論文口試時所給的諸多寶貴意見，使我的論文能更加完整與縝密。

論文的完成還須感謝系辦助理美玲姊，經常於忙碌之餘後還幫我解惑許多關於論文的大小問題，並以過來人之經驗提供我許多寶貴建議，使我論文可如期完成，此外也要謝謝研究室夥伴的幫忙與照顧，多虧你們的陪伴讓我在這兩年碩班生活過的歡笑不斷且多彩多姿。

當然，也要感謝我的父親、母親與妹妹，讓我在兩年的日子裡能專心研究，也能在遇到瓶頸時，能給予適當鼓勵與支持，使我能振作精神來逐一克服困境，更重要的是要謝謝女友孟華在這幾年的支持與適時地給我打氣，最後再次感謝碩士班兩年來所有幫助過我的人，能在經過兩年求學生涯後得到美好的成果，是一件值得高興的事，

但這只是漫長人生旅途中的一個過程，在未來，希望能以己所學來學以致用於職場工 作中，在證明與肯定自我的過程中不讓自己人生留任何遺憾。

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表目錄

表 2-1 號誌群組劃分類型比較 ... 9

表 2-2 號誌群組劃分準則比較 ... 10

表 3-1 過飽和六時相與八時相 ... 28

表 3-2 採用的時相設計 ... 29

表 4-1 基準時相之次序 ... 39

表 4-2 實驗因子表 ... 40

表 4-3 OSI 指標之調整範圍 ... 41

表 4-4 單向輕度過飽和兩路口之時制(路口 1) ... 43

表 4-5 單向輕度過飽和兩路口之時制(路口 2) ... 43

表 4-6 兩路口過飽合路段之車輛通過總數 ... 44

表 4-7 單向輕度過飽和三路口之時制(路口 1) ... 45

表 4-10 三路口過飽合路段之車輛通過總數 ... 46

表 4-11 單向輕度過飽和四路口之時制(路口 1) ... 47

表 4-15 四路口過飽合路段之車輛通過總數 ... 49

表 4-16 雙向輕度過飽和二路口之時制(路口 1) ... 50

表 4-17 雙向輕度過飽和二路口之時制(路口 2) ... 50

表 4-18 二路口過飽合路段之車輛通過總數 ... 51

表 4-19 雙向輕度過飽和三路口之時制(路口 1) ... 52

表 4-22 三路口過飽合路段之車輛通過總數 ... 53

表 4-23 雙向輕度過飽和四路口之時制(路口 1) ... 54

表 4-27 雙向四路口過飽合路段之車輛通過總數 ... 56

表 4-28 單向中度過飽和二路口之時制(路口 1) ... 57

表 4-29 單向中度過飽和二路口之時制(路口 2) ... 57

表 4-30 單向二路口過飽合路段之車輛通過總數 ... 58

表 4-31 單向中度過飽和三路口之時制(路口 1) ... 59

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表 4-34 單向三路口過飽合路段之車輛通過總數 ... 60

表 4-35 單向中度過飽和四路口之時制(路口 1) ... 61

表 4-39 單向四路口過飽合路段之車輛通過總數 ... 63

表 4-40 雙向中度過飽和二路口之時制(路口 1) ... 64

表 4-41 雙向中度過飽和二路口之時制(路口 2) ... 64

表 4-42 雙向二路口過飽合路段之車輛通過總數 ... 65

表 4-43 雙向中度過飽和三路口之時制(路口 1) ... 66

表 4-46 雙向三路口過飽合路段之車輛通過總數 ... 67

表 4-47 雙向中度過飽和四路口之時制(路口 1) ... 68

表 4-52 單向重度過飽和二路口之時制(路口 1) ... 71

表 4-53 單向重度過飽和二路口之時制(路口 2) ... 71

表 4-54 單向二路口過飽合路段之車輛通過總數 ... 72

表 4-55 單向重度過飽和三路口之時制(路口 1) ... 73

表 4-58 單向三路口過飽合路段之車輛通過總數 ... 74

表 4-59 單向重度過飽和四路口之時制(路口 1) ... 75

表 4-63 單向四路口過飽合路段之車輛通過總數 ... 77

表 4-64 雙向重度過飽和二路口之時制(路口 1) ... 78

表 4-65 雙向重度過飽和二路口之時制(路口 2) ... 78

表 4-66 雙向二路口過飽合路段之車輛通過總數 ... 79

表 4-67 雙向重度過飽和三路口之時制(路口 1) ... 80

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表 4-70 雙向三路口過飽合路段之車輛通過總數 ... 81

表 4-71 雙向重度過飽和四路口之時制(路口 1) ... 82

表 4-76 單向過飽和狀況模擬結果表 ... 85

表 4-77 雙向過飽和狀況模擬結果表 ... 86

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圖目錄

圖 1-1 過飽和幹道之路口群組劃分圖 ... 3

圖 1-2 研究流程圖 ... 5

圖 2-1 過飽和交通產生 ... 7

圖 2-2 普通二時相 ... 12

圖 2-3 綠燈早開二時相 ... 12

圖 2-4 綠燈遲閉二時相 ... 13

圖 2-5 早開遲閉二時相 ... 13

圖 2-6 左轉保護三時相 ... 14

圖 2-7 輪放三時相 ... 14

圖 2-8 左轉保護四時相 ... 15

圖 2-9 輪放四時相 ... 15

圖 2-10 輪放左轉保護四時相 ... 15

圖 2-11 時相計畫資料庫 ... 16

圖 2-12 號誌設計之動態程序 ... 19

圖 3-1 車頭距準則範例 ... 24

圖 3-2 車流轉向比例準則範例 ... 25

圖 3-3 中央且快慢分隔路型 ... 26

圖 3-4 中央分隔路型 ... 26

圖 3-5 快慢分隔路型 ... 26

圖 3-6 中央標線分隔路型 ... 26

圖 3-7 無標線分隔 ... 26

圖 3-8 車道數範例 ... 27

圖 3-9 車流方向範例 ... 27

圖 3-10 臨界路段長度限制 ... 28

圖 3-11 Synchro 路網建構 ... 29

圖 3-12 Synchro 時制產製 ... 30

圖 3-13 HTSS 路口群組構建 ... 30

圖 3-14 HTSS 之時相與時制設定 ... 31

圖 3-15 HTSS 分析結果表 ... 31

圖 3-16 TOSI>0 & SOSI=0 狀況 ... 32

圖 3-17 策略 1 改善後 ... 33

圖 3-18 TOSI=0 & SOSI>0 ... 33

圖 3-19 策略 2 改善後 ... 34

圖 3-20 TOSI>0& SOSI>0 ... 34

圖 3-21 方案 3 改善後 ... 35

圖 3-22 號誌設計動態程序圖 ... 38

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圖 4-1 HTSS 分析結果表 ... 40

圖 4-2 TOSI>0&SOSI=0 ... 41

圖 4-3 實驗場景構建 ... 42

圖 4-4 兩路口過飽合路段之車輛通過總數 ... 44

圖 4-5 三路口過飽合路段之車輛通過總數 ... 46

圖 4-6 四路口過飽合路段之車輛通過總數 ... 49

圖 4-7 二路口過飽合路段之車輛通過總數 ... 51

圖 4-8 三路口過飽合路段之車輛通過總數 ... 53

圖 4-9 雙向四路口過飽合路段之車輛通過總數 ... 56

圖 4-10 單向二路口過飽合路段之車輛通過總數 ... 58

圖 4-11 單向三路口過飽合路段之車輛通過總數 ... 60

圖 4-13 雙向二路口過飽合路段之車輛通過總數 ... 65

圖 4-14 雙向三路口過飽合路段之車輛通過總數 ... 67

圖 4-16 單向二路口過飽合路段之車輛通過總數 ... 72

圖 4-18 單向四路口過飽合路段之車輛通過總數 ... 77

圖 4-19 雙向二路口過飽合路段之車輛通過總數 ... 79

圖 4-20 雙向三路口過飽合路段之車輛通過總數 ... 81

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第一章緒論

1.1 研究背景與動機

在今日的城市路網中，隨著人口密度與汽機車數量的增加，在交通的尖峰期間有些特定路段總是會有大量的交通壅塞狀況出現，會出現這種狀況通常是車流量已經大量超過道路容量，造成所謂的”過飽和”交通狀況，較嚴重甚至會造成道路中車流的停滯，這些過飽和狀況會造成路口長時間的控制失效，從而使幹道上路口的號誌運作失控，因此對於都市幹道而言如何設計出最佳的號誌時制計畫來緩和交通過飽和狀況並使號誌運作達到最佳效用是當前很值得關注與研究的問題。

號誌控制的主要目的在於提供一個安全、效率及順暢的交通環境，而其中最重要的部分即為時相的設計與時制的產生，基本上，時相之設計在於分派路口空間座標的路權，藉以規範不同空間向度車輛使用路口順序，而時制的產生則在於分派路口時間座標的路權，使車輛在時相的保障下能安全且有效率地通過該路口，過往有關過飽和號誌控制的相關研究大多著重於號誌時制之最佳化，對於時相設計的部分通常沒有給於同樣的重視，導致時制產生的結果可能受限於時相安排的缺失而難以達到真正最佳化的效果。

當幹道處於交通過飽和狀況時，號誌設計需要考量的要素比起獨立的單一路口更為複雜，例如:為了讓車流保持續進，以避免幹道下游切斷綠燈後卻從幹道上游湧入大量車流進入下游路口而造成號誌控制之失效，因此對處於過飽和交通狀況的市區幹道而言，只針對單一個獨立號誌化路口進行最佳化控制並不是一個適合的方式，因為這忽略了幹道上游與下游的交通狀況，較合適的方法應該是考量到幹道上游與下游的交通狀況從而對幹道進行路口號誌的群組劃分，然後再對群組路口進行號誌設計，在號誌設計的過程中，時相的設計是最初步也是最重要的一環，因為只有在搭配最佳時相計畫的前提下，時制的最佳化設計才有意義。

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因此，本研究的目標是設計一個號誌設計動態程序，透過號誌路口群組的概念來設計市區過飽和幹道的號誌時制方案，並對號誌之時相與時制設計進行整合，而非傳統上只對單一獨立路口進行號誌時制的最佳化，本研究提出的程序首先將對過飽和幹道依據建立的準則(如:車道數、路型、車流方向…等等)來進行群組的劃分，再將過飽合的群組路口劃分出來後，依據交通特性(車流流動方向之比例…等)來選擇初步的時相計畫，然後進行時制產製並透過模擬軟體對結果進行評估，依據評估的結果來進行修正，從而選取最佳方案，設計的目標是讓幹道上的過飽和路段之車輛通過量達到最大化。

1.2 研究目的

本研究之目的是建構一個可以用來處理市區過飽和幹道的號誌設計動態程序，並整合時相與時制設計對過飽和幹道進行最佳的號誌控制，具體的目的如下:

(1) 對過飽和幹道進行號誌路口分群並整合時相與時制的設計，來構建一個號誌設計之動態程序。

(2) 透過本研究提出的動態程序對過飽和幹道進行號誌時制的有效設計，目標是使幹道上的過飽和群組路口之車輛通過量達到最大化

(3) 利用交通模擬軟體 Synchro 建構符合交通特性之路網，透過模擬實驗來驗證動態程序的效果與績效。

1.3 研究範圍與限制

一、研究範圍

本研究是以「市區過飽和幹道之群組路口」作為研究對象，過飽和幹道是由數個連續獨立的過飽和路口所組成，本研究將根據建立的分群準則來對過飽和幹道上之連續路口進行群組劃分，並對群組路口進行號誌時相與時制的整合設計，如圖 1-1 所示。

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圖 1-1 過飽和幹道之路口群組劃分圖二、研究限制

本研究只針對市區的過飽和幹道進行研究，在建構動態程序時不考慮行人的影響，

且提出的動態程序不適合用來處理非過飽和的交通狀況。

1.4 研究步驟與流程

研究步驟可以分為以下幾項:

1. 確認研究目的

確認本研究之研究主題與問題的研究範圍，並定義研究之目的。

2. 文獻回顧

回顧過飽和交通控制的相關研究來定義過飽和的壅塞程度與控制策略，且歸納了號誌群組劃分準則與時相和時制之設計準則。

3. 建立過飽和幹道之號誌路口群組劃分準則

透過相關文獻之回顧歸納劃分過飽和幹道上路口之群組的準則。

4. 過飽合時相設計程序分析

參考國內外對號誌時相之設計準則的相關文獻，，來設計專門針對過飽合交通狀況的時相計劃。

5. 探討時制求解與調整模式

在本研究中是以最大車輛通過量為號誌設計目標，因此將以此設計目標作為前提，

來探討時制求解與調整之模式。

6. 建立號誌設計動態程序

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將路口分群準則結合時相設計與時制求解跟調整模式，成為一個適合用來設計過飽和群組路口號誌時制計畫的動態程序。

7. 實驗設計

透過實驗設計的方式來進行模擬，來對本研究提出的號誌設計動態程序進行驗證。

8. 提出結論與建議

對模擬結果進行分析後，整理出結論並提出相關的建議。

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圖 1-2 研究流程圖建立過飽和幹道之號誌路口群組劃分準則

過飽合時相設計程序分析

探討時制與調整求解模式

建立號誌設計動態程序

實驗設計

提出結論與建議模擬結果探討確認研究目的

文獻回顧

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第二章文獻回顧

本研究的文獻回顧分為以下五個部分:過飽和交通狀況的定義與號誌設計目標;

號誌群組劃分準則;號制路口之時制計畫設計;在過飽和交通狀況下的號誌控制之相關研究;小結。

2.1 過飽和交通狀況之定義與號誌設計目標

在針對過飽和交通狀況進行號誌控制之前，需要先判斷幹道交通是否為過飽和，

因此如何透過量化標準來定義過飽和交通是必須的，在判定路口為過飽和後，因為過飽和期間號誌控制的目標與一般的交通狀況是不同的，因此需要特別進行設計，以下將分為兩部分來進行說明(一)過飽和交通狀況之定義；(二) 幹道過飽和時的號誌設計目標。

(一) 過飽和交通狀況之定義

過飽和的交通狀況，可以定義為”當交通需求大量超過道路容量時”所發生的交通壅塞狀況，Pignataro 等人【22】把過飽和定義為:會有等候車隊的存在且持續增加並造成負面的影響，Zhang 等人【29】將號誌控制交叉路口之飽和度定義為交叉路口處各時相飽和度中的最大值，而時相飽和度的定義是號誌週期到來的車輛數除以時相有效綠燈時間內的最大通行能力(車輛數)，當時相飽和度大於 1 時，則認為該路口處於過飽和交通狀況。

在這裡將各種過飽和交通狀況的做出一個整理，當路網或是交叉路口發生以下的交通運作行為時，我們可以稱這些交通狀況為過飽和交通:

 在連續的時相中，在所有試圖平衡綠燈時間的方式已經被嘗試之後，綠燈時相依然不足夠服務所有的到達車輛。

 到達車輛超過了最大的車輛通過量。

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 構成一個有害的車隊，尤其當這個危害是涉及到安全時(例如:車隊回堵到公路的主要道路上)或是因為車隊回堵通過一個上游的交叉路口而遭到交通阻塞的風險。

 交叉路口中有顯著的汽車駕駛人比例需要超過一個週期才能完成他們的移動。

 在交通工程師已經盡可能調整增加綠燈時間後，持續增加的剩餘車隊仍然至少需要超過一個移動才能通過路口。

圖 2-1 過飽和交通產生

這些過飽和的交通狀況它們彼此是相關的，在大多數的實際狀況中，上述的這些狀況很可能在觀察的過飽和路口上同時發生，我們可以觀察上述的過飽和交通狀況都有一個共同點，就是剩餘等候車隊會持續增加，所有關於過飽和交通狀況的判斷，都是已經盡可能改善路口的綠燈時比之後才做出的判定。

何志宏【4】提出了一個以「路網平均飽和度」與「過飽和路口數佔研究路網總路口數的比率」等兩項指標將過飽和交通路網依嚴重程度劃分為五個等級；其中過飽和交通由低至高可界定如下：

1. 近飽和路網：即指研究路網內的所有路口中，計有1/4 至1/2 的路口數已達飽和水準(V/C >= 0.95)，但研究路網的平均飽和度仍小於1.0。

2. 飽和路網：即指研究路網內所有路口中，有超過1/2 的路口已達飽和水準(V/C

>= 0.95)。

資料來源:【24】

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3. 輕度過飽和路網：即指研究路網內所有路口中，有超過1/4 的路口達到過飽和水準(即V/C >= 1.05)。

4. 中度過飽和路網：即研究路網內所有路口中，有1/2 至3/4 的路口達到過飽和水準(V/C >= 1.05)。

5. 高度過飽和路網：即研究路網內所有路口中，有超過3/4 的路口達到過飽和水準 (V/C >= 1.05)。

(二) 幹道過飽和時的號誌設計目標

幹道連鎖控制與獨立路口號誌控制不同之處在於幹道是由多個獨立路口所組成的，其各路口之車流將會大幅影響其相鄰路口之到達車流，因此若依照獨立路口之號誌最佳化方式來對各幹道進行號誌化控制，由於未考慮到鄰近路口的交通狀況而導致上游路口之車流到達路口的特性發生變化，容易造成下游路口之車輛回堵上游，或是下游綠燈時間大幅浪費等情形發生，因此各獨立路口之單獨最佳化並不代表幹道整體最佳化，所以構建的設計模式之目標式須以整體幹道的過飽和路口來看待。

Liu 等人【28】對於過飽和幹道號誌控制使用動態線性規劃來進行時制的調整並以臨近路段之離開路口車輛數總和最大化為目標式，美國運輸部門的聯邦公路管理局 (Federal Highway Administration)針對飽和狀況下號誌時制之研究【24】提出過飽和幹道之號誌控制及車隊管理在一般狀態時通常都是以最小負效用指標為目標式，例如:

延滯的最小化、最少的停等次數等，但若是道路已經處於過飽和的狀況，則應該以車輛離開幹道系統控制範圍的最大化為主要目標。

Erming 等人【26】對於兩路口連鎖控制最佳化之研究，以一主要控制路口為另一路口與其連鎖之最佳化控制，其中所使用之求解為多目標規劃，因此具有兩個目標式，分別為:路口的車輛通過量最大化、控制範圍內車輛總通過時間最小。

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許勝翔【12】構建一套台灣交通狀況之混合車流過飽和路段號誌最佳化模式，針對過飽和狀況，以最大車輛通過數為目標式，追求盡快紓解車流；於車輛於路段行駛之通過量以速度-密度方程式決定；於混合車流處理方法除了利用機車流量轉換成小客車當量數外，亦利用各混合車流進入需求比例、車道限制等關係推算各車種之實際通過比例，並加入具備左轉時相之車道溢流方程式，最後利用基因演算法進行模式之求解。

2.2 號誌群組劃分準則

號誌群組的劃分依據研究目的可以分為不同的類型，各類型的劃分準則又會因為研究者自身的標準而有所不同，以下將透過文獻回顧對群組劃分類型與準則進行歸納。

(一) 群組劃分類型

綜觀國內外有關號誌路口群組劃分之研究大致上可以分為兩大類，分別為:號誌路口切割型、群組路口連接型，在表 1.4.1 中對兩種類型進行比較，並歸納出兩種類型各自的優缺點。

表 2-1 號誌群組劃分類型比較

劃分類型

劃分方式優點缺點代表作

者號誌

路口切割型

先將路網視為一大群組在依準則切割

1.概念簡單

2.路口劃分處理時間少

1.可能導致將具有連鎖效益的相鄰路口劃分為不同群組

2.因群組內要符合每一項準則，可能導致群組內路口數目過少

MUTCD Pinnell

Pline 林良泰群組

路口連接型

先將路口視為獨立路口再依連鎖指標連接

1.可以將真正具有連鎖效益的路口連接在一起 2.群組內明顯有幹道或是封閉網路系統存在

1.各項準則的連鎖指標值難以制定 2.準則間的權重值難以制定 3.連鎖指標的門檻值難以制定

Yagoda Chang

Kell 陳秀華

資料來源: [紀允晴 10]

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(二) 群組劃分準則

回顧國內外對於群組劃分準則之研究，群組劃分準則大致上可以分類為 7 個準則項目，這些準則依據研究者本身的基準或是針對的研究方向而在定義上有稍許的不同，林良泰並將過去過內外有關群組劃分準則依定性與定量準則整理如表 2-2 所示。

表 2-2 號誌群組劃分準則比較

準則

作者

號誌群組劃分準則

瓶頸路口臨界路段

長度

基本車流參數

車流流動方向比率

路型車道數車流方向

Walinchus Stockfish Yagoda Al-khalili Pinnell MUTCD Chang 何志宏陳秀華 Kell Pline 曹壽民林良泰

標註: :定性準則 :定量準則資料來源: [林良泰 7]

2.3 號制路口之時制計畫設計

號誌設計在國內外已有相當多的相關研究，有專門針對時相計畫來進行最佳設計的研究、也有對時制長度進行最佳化計算的研究，也有些研究是透過一些模式與程序來同時整合時相與時制的設計，在本章節對時相計畫與時制的設計準則進行了歸納整理，並回顧了關於時相與時制整合式之研究。

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(一)號誌時相設計之準則

時相的產生是在設計號誌時制計畫中最初步的一項工作，交通工程手冊一書中【1】

對時相之定義為「將週期分為幾個部分，以指示交通之行或止，稱之為時相」，時相的設計與產製有目前有幾種設計方式，邱大恭【9】以數學規劃的方式、張家祝及張開國二人【11】共同發展之圖解法，及賴靜慧【13】藉由SOAP84套裝軟體的分析，或是透過經驗豐富的設計者來進行時相的產製，因此採用任何解析方法來計算週期長度與綠燈分時等時制參數之前，須先以專業判斷的方式來決定號誌的時相計劃，時相計劃主要在考量那些轉向流動需要保護與保護多久，有關時相設計之基本規範，我國「道路交通標誌標線號誌設置規則」【2】規定如下：

1.有下列情形之一者，可使用二時相：

(1)設置於三岔路口者。

(2)設置於左轉車輛不多之四岔路口者。

(3)設置於無行人專用時相之四岔路口者。

(4)設置於設有行人專用號誌之非交岔路口者。

2.有下列情形之一者，可使用三時相或四時相：

(1)設置於五岔路口者。

(2)設置於左轉車輛特多之四岔路口者，但該路口宜有左轉專用設施配合。

(3)設置於行人特多須使用行人專用時相之交岔路口者。

3.設置於道路錯綜、交通繁複之交叉路口者，視需要可使用五時相以上號誌，

並得視交通情況將不必要之時相予以跳越。

另外，行車管制號誌設置於左轉車輛較多，且兩向交通流量懸殊之交岔路口者，可使用綠燈早開或綠燈遲閉等方式處理。以下逐一介紹各種常用時相之使用時機與特色:

1.普通二時相:

乃是所有時制計畫之基本時相方案，此種佈設方法為路口最常用的時相設計，通常使

(22)

12

用在左轉流量較低或屬單行道之路口，其主要原則在於將通行路口之時間權利交互分配給兩相交方向之車流。在交通需求量偏低或轉向比例不高時，轉向車輛可自由利用衝突流向之間距進行轉彎行為，惟若其衝突點易隨流量之增加而增多，因而造成行車安全上的威脅。

圖 2-2 普通二時相 2.綠燈早開二時相（Leading Phase）:

 優點：早開可增加容量、減少衝突、駕駛者可較快反應等。

 缺點：可能會使直進車因誤判而進入此時相、可能會減少對向直行車輛的通過時間等。

圖 2-3 綠燈早開二時相

3.綠燈遲閉二時相（Lagging Phase）:

 優點：兩直進方向(Movement)同時開始，比較符合常理，對行人與左轉車有較好的隔離，亦可同時配合行人清道號誌的使用。

(23)

13

 缺點：在遲閉的開始時段(Interval)可能會有衝突產生，如無左轉專用道則會造成直行車的阻礙；故只適合定時或T 字型路口之觸動控制，並不適合十字型路口之觸動控制使用

圖 2-4 綠燈遲閉二時相 4.早開遲閉二時相（Leading & Lagging Phase）:

指在同一時相內同時具有早開和遲閉的時相。

圖 2-5 早開遲閉二時相 5.左轉保護三時相:

通常係在特定之幾何型式(如Y 字型路口)下或是有較高左轉需求時使用，有時會配合左轉早開(Leading)方式。本時相設計方式之重點係在於針對某一左轉流量較大方向賦予一專用時段，以減少車輛的延滯與衝突。在兩相交方向之車流特性迥異時，不失為一良好的設計方式，如幹道與支道相交時，即可採用此種時相設計。

(24)

14

圖 2-6 左轉保護三時相 6.輪放三時相（Three-Phase SeParate Movement）:

本時相設計方式之觀念與左轉保護三時相較為類似，其不同點在於針對相交方向中，流量較大且轉向比例偏高之流向係採取輪放方式之時段分配，不過此種時相設計方式一般較少被使用。

圖 2-7 輪放三時相 7.左轉保護四時相:

本時相設計方式之重點在於將兩相交方向之左轉車流均給與一個專用時段來加以保護，以隔離所有交通衝突點。在交通需求量甚高或左轉比例偏高時，常採用此種時相設計方式，以免因左轉車流不易找尋間距而增加車輛延滯，一般兩幹道相交時，

此為最常採用之時相設計方式。

(25)

15

圖 2-8 左轉保護四時相 8. 輪放四時相（Four-Phase SeParate Movement）:

圖 2-9 輪放四時相 9. 輪放左轉保護四時相:

圖 2-10 輪放左轉保護四時相

以上關於時相設計的準則通常只能適用在一般的交通狀況中，遇到較為特殊的案例則需要依據設計者的經驗從幾個判斷的"基準"來針對不同的交通狀況進行特殊的時相設計，由於時相設計是一件複雜且需要豐富經驗的任務，因此有些研究提出了所謂的時相設計自動化概念，WANG 等人【18】建立了一個時相計畫資料庫，包含 14 個時相計畫以及對應的使用規則，系統會從資料庫依據最相似的交通狀況來提供符合設計者要求的最初時相計畫，這個程序的重點在於它能根據過往的歷史數據，來提供交通工程實務者一個較適合的初步時相計畫，如圖 2-11。

(26)

16

圖 2-11 時相計畫資料庫

資料來源: [WANG等人 18]

(27)

17

(二)號誌時制設計之準則

進行號誌時制設計之首要步驟便是針對研究範圍內之號誌化路口依據其交通特性與需求予以分析歸類，以便設置最佳化時制計畫，將號誌化路口透過適當的系統歸類，可使號誌設計令車流更加順暢，亦可降低路口延滯、停等次數及提升路段行駛效率。一般而言交叉路口依其交通特性，基本上可分成獨立路口控制、幹道系統控制、

網路系統控制等幾類，以下將進行說明【6】。

 獨立路口控制：

獨立路口定義為該路口車流之到達型態不受其上下游路口號誌之影響。因此，獨立路口控制應用於路口各運行方向的車流到達狀況，不受鄰近號誌系統之影響，

因此並無需與其他鄰近號誌控制策略有若關連。獨立路口控制之主要方式必頇考量獨立路口各方向車流所需之路燈時間及路口之週期長度使整個獨立路口達到最小總延滯、最大路口容量、最少潛在衝突車流或績效指標值(Performance Index, PI)最小，然而上述之目標難以同時兼顧，因此決定時制計畫之配置並非易事，

一般而言多採用重複計算及經驗判斷以獲得最佳時制計畫。

 幹道系統控制：

路口號誌控制系統之設計是以兼顧安全與效率作為主要目標，但在多路口之幹道或路網系統中，各路口皆獨立運作時，會導致道路上之車輛遭遇到過多的燈號轉換，除了使車輛頻頻停等外，也無法達到續進的目標，對於用路者而言型車舒適度也會降低。

幹道號制時制設計的方法由理論層面而至電腦軟體程式之應用，已陸續發展且被廣泛的使用。林良泰【6】認為幹道號誌時制設計準則分有下列三種：

1. 最大綠燈帶寬法

最大綠燈帶寬法係以求得幹道雙向綠燈帶寬和最大為目標之號誌時制，目的是期望以號誌控制之方法促進在綠燈帶寬內行進之車輛能續進於幹道系統。但以最大

(28)

18

綠燈帶寬為設計基準之號誌軟體如：PASSERⅡ與MAXBAND 等均有綠燈帶寬不存在之現象，此現象亦為最大綠燈帶寬法之缺點。

2. 最小負效用法

最小負效用法之目的為使幹道系統中的負效用績效為最小，如延滯值最小、停等次數最少、等候線長度最短、耗油率及空氣污染程度最低等。以最小負效用法為設計理念之號誌軟體如TRANSYT-7F及SIGOPⅢ等。

3. 帶寬及負效用聯合求解法

最大綠燈帶寬法可能導致支道產生過高之延滯，而最小負效用法則無法產生幹道之續進帶寬，為了使號誌時制能夠兼顧幹道續進帶寬最大及總延滯最小之理想目標，因而發展出聯合求解法之觀念，運用此概念之方法有：

(1) 兩段式求解法

即先以上述兩幹道號誌時制設計準則其中之一的原始輸出結果資料作為另一幹道號誌時制設計準則執行時之起始輸入值，來求取最佳解。舉例而言，先以最大綠燈帶寬法之PASSERⅡ或MAXBAND軟體得到之原始輸出結果作為最小負效用法之號誌軟體TRANSYT-7F 或者SIGOPⅢ之起始輸入值，以求得延滯最小化之時制最佳解；反之亦然。

(2) 整合性求解法

整合性求解法為應用各號誌軟體之設計基本觀念並加以整合後，設計為另一號誌軟體程式。

 網路系統控制

網路系統係由路網中某些相鄰之號誌化路口組合而成，而這些路口之各方向之車流型態較為一致，無法以單一走向將其劃分為幹道，如此會破壞其完整性。因此將可將車流型態有高度相關之路口視為同一系統加以控制。在相關的研究中，最

(29)

19

直接的方式便是針對網路系統進行群組劃分，將整體網路系統劃分成數個子系統，

分別針對各個子系統求解時制計畫後，再利用群組間時差作子系統間之調整。網路系統控制之重點是考量網路中各路口之影響，以達到整體網路系統績效最佳，

而非各路口自身績效之最佳。

(三)號誌化路口的時相與時制整合設計

路口號誌化控制之主要目的，乃在於提供一個安全、效率及順暢的交通環境，而其中最重要的部分即為時相的設計與時制的產生，由於號誌的時相計畫設計是一個需要豐富經驗的工作，因此設計者在他們變成專家之前往往需要多年的實作工程經驗，

雖然在交通工程手冊之類的資料中有提到設計的規則與其優點，但那些規則只是一般的指導方針，不足以用來產生一個廣泛多變化的時相設計，對於調整時制這些書籍中也沒有提供任何建議，以往有關於交通號誌的設計，大多著重於時制產生的最佳化，

對於時相的設計部分，則往往未能加以重視並考量，導致時制產生的結果，受限於時相安排的缺失，而難以達到真正最佳化的效果。

圖 2-12 號誌設計之動態程序

WANG 等人【18】提出了一個號誌設計時的整合程序，設計者首先依據路口的交通狀況並透過經驗或是圖解法、數學規劃法等方式來決定初步的時相設計，之後依據路

資料來源: [WANG 等人 17]

(30)

20

口的交通流量透過公式或是模擬軟體來取得初步的時制，在此階段可以評估此時的設計是否符合要求，一般來說符合要求的標準有兩個:(1)在臨近路段中的服務水準(延滯)達到平衡、(2)交叉路口整體的平均服務水準提高或延滯降低，如果符合要求則認為這是適合的號誌時制計畫，也就是達到最佳化，如果不符合要求，則依據設計者的經驗、公式、軟體模擬來調整時制的長度，並將新設計的時制計畫透過模擬進行評估，

如果時制長度已經達到最小或是最大值並且沒辦法調整，則修改最初的時相計畫，重新進行一次流程。

2.4 在過飽和交通狀況下的號誌控制之相關研究

1. 許勝翔【12】構建一套台灣交通狀況之混合車流過飽和路段號誌最佳化模式，針

對過飽和狀況，以最大車輛通過數為目標式，追求盡快紓解車流，利用基因演算法進行模式之求解。

2. 吳育婷等人【5】提出一個多時相適應性號誌控制系統，在過飽和交通狀況下，

追求車輛通過量的最大化，最小綠燈與最大綠燈非為固定之預設值，而是隨著車流狀況而變動，最小綠燈避免車輛二次停等、最大綠燈避免空放綠燈造成路口容量浪費，模式亦考慮路口間的車輛續進，以避免下游切斷綠燈後，上游卻湧入大量車流進入下游路段的狀況。

3. 林建廷【8】嘗試以動態最佳化的方式求解過飽和狀況下的時制計劃，首先乃透

過剩餘等候長度建立延滯前後期關係之狀態空間表示式(state sPace

rePresentation)，而後建立目標函數，形成動態最佳化問題，進而求取滿足目標函數下之最佳時制計劃。

4. Zhang【29】過對過飽和交通狀況下的獨立交叉路口，並提出一個比傳統 Webster 模式更優異的計算方式，透過對綠燈時間的有效分配，使其週期綠燈時間得到較大的效用，減少了車輛的平均延滯時間，避免了由於衝突時相階段交通流動互鎖導致的綠燈時間無謂消耗。

(31)

21

5. Erming.et.al.【26】對於兩路口連鎖控制最佳化之研究，以一主要控制路口為另一路口與其連鎖之最佳化控制，其中所使用之求解為多目標規劃，因此具有兩個目標式，分別為:路口的車輛通過量最大化、控制範圍內車輛總通過時間最小。

6. Lo.et.al.【19】應用了細胞傳送模式(CTM)來控制過飽和交通路網，在各時間階段的細胞中之車輛數被監控，這個資訊提供給模式來最佳化整體路網的號誌，它能產生沒有週期規劃的可變綠燈時比。

7. Li.et.al.【17】提出一個對過飽和獨立交叉路口的交通適應控制策略(TACOS)，這是一個混合最佳化和應用規則的控制策略，它可以選擇在候選時相中的任何時相且根據事先調整的規則和最佳化目標給這個時相一個非固定的綠燈時間，目標是最大化車輛通過量和控制等候車隊長度。

8. Michalopoulos.et.al.【21】提出一個效率高的兩階段時制方式，這個方式稱為”bang-bang control”，目標式為交叉路口最小延滯，車隊長度以及進出的車流量相等為其限制式，對於被控制的號誌，他們的方式是試圖在過飽和期間對臨近路段的時制交換找到一個最佳化的調換點。

9. Ye.et.al.【27】提出一個應用模糊邏輯的號誌控制器，在過飽和交通狀況下使用鄰近的交叉路口的交通資訊來避免壅塞，模糊控制器根據對交通狀況的評估來決定是否延長、提早切斷、或是結束一個號誌時相

10. Gazis 和 Potts【15】研究了在過飽和交叉點的延滯最小化問題，他們建議最小化延滯的演算法應該在非尖峰期間來被使用，一旦號誌變成飽和即改變成最大容量演算法。

11. Chang.et.al.【23】提出一個在壅塞或是過飽和期間的獨立號誌時制設計的新策略，

發展一個巨觀且決定論的模式，最佳化控制時制應該被設計用來控制過飽和期間交通的最小延滯，一個最佳化的動態理論已經被發展用來解答像是週期鍊的問題。

12. Byungkyu.et.al.【14】提出一個程序，藉由使用一個基因演算法來試圖最佳化週

(32)

22

期長度、時相時比、時相次序、與同步時差，目標函數數值使用介觀模擬器取代一個明確的決策目標函數來被評估，這個程序考慮最佳化路網中各交叉路口的四個參數，在該文獻中比較了基因演算法方式與使用了 CORSIM 的 TRANSYT-7F 最佳化評估。

13. Lieberman.et.al.【20】建構了一個控制策略，他們稱為 IMPOST，實施在臨近道路上用來計量了進入壅塞交叉路口中的交通量，目標是系統車輛通過量的最大化，

充分的使用了儲存容量來控制等候車隊的增加，且公平的服務直行與左轉的交通移動。

2.5 小結

大部分的過飽和相關研究結論都是建議在過飽和狀況中號誌設計的首要目標功能應該不再是對延滯或是一些相關的參數最小化，目標應該是透過最佳的綠燈時段分配、時相的最佳設計與次序、適當的管理策略來使車輛通過量能達到最大，這代表對臨近路段提供了額外的綠燈時間，或是讓臨近道路有更多的容量，所以在對過飽和交通狀況下的號誌路口進行時制與時相設計時，綠燈時段的有效使用使路口的車輛通過量達到最大化是設計的主要目標。

目前對於過飽和控誌的相關研究，主要是透過交通模擬軟體或是演算法來對號誌時制進行最佳化，且多數的研究成果都是應用在單一獨立過的飽和路口，對於過飽和幹道的相關研究幾乎都是用號誌控制器來進行適應性號誌控制，但這種方式成本額貴且忽略了時相的設計，少部分的研究則是建構了時制的最佳化演算方式但同樣忽略了時相的最佳化，因此並不是一個完整的處理方式，所以建構一個整合時相與時制的號誌動態設計程序是有必要的。

(33)

23

第三章研究方法

根據文獻回顧之探討，號誌時相與時制的整合需要考量到許多要素，且針對過飽和幹道的處理方式與單一獨立路口也有相當的差異，因此在本章節將對程序構建中所需要使用的模式與概念進行說明，並加以整合。

3.1 過飽和標準與群組劃分準則

(一)判斷目標幹道是否為過飽和狀況之標準

本研究在判斷路口是否為過飽和交通狀況的依據是參考何志宏【4】所提出的「路口平均飽和度」，即V/C >= 1.05，V值是路口的流量(Pcu/每小時)，C值則為路口的實際容量，透過以上標準來判斷路口是否有達到所謂的過飽和標準，但在市區幹道中，

可能並非所有路口都達到所謂的V/C值>= 1.05這個標準，因此將整條幹道都視為過飽和交通狀況，以幹道整體來進行號誌時制的設計的做法是有待商議的，較適合的處理方式應該是將幹道上的眾多路口依據不同的準則與交通狀況進行群組的劃分，將幹道上的過飽和群組路口與非過飽和群組路口分別進行處理，有關群組路口的劃分準則將在稍後作詳述。

(二)過飽和幹道群組劃分準則

目前國內外關於路口群組的劃分準則研究眾多，本研究參考國內外對於路口群組劃分之相關準則，建立 7 項劃分準則，分別為:車頭距範圍、車流轉向比率、路型、

車道數、車流方向、群組路口數限制、臨近路段長度限制，茲分述如下:

1. 過飽和車頭距準則:

當路口之路段處於過飽和交通狀況時，會產生一個所謂的剩餘車隊，過飽和車頭距準則之意義為確保上下游路段的車隊是處於同樣的密集狀態，作為判斷兩路口是否相關之基礎，其公式如下:

(3.1)

1800*1.05

(3.2)

(34)

24

3600/(1800*1.05)=1.9(秒)

：過飽和車頭距(sec/pcu) ：每小時時間(秒) ：過飽和流率(pcu)

的計算方式是以理想的飽和流率(1800)*前述的過飽和標準(V/C 需大於 1.05)，

故在判斷兩相鄰上下游路段是否需是為同一群組時，應注意到過飽和車頭距須小於 1.9 秒，反之當路段的 1.9 時，該路口則需視為另一個群組來做處理，如下圖 3-2 所示。

圖 3-1 車頭距準則範例 2. 車流轉向比率準則

流動方向比率之意義為某路段車流於臨近路口時，各流動方向之車輛數佔路段總車輛數之比率，其值越大時表示流動方向之上下游路段之間的關係越密切，反之則相關性越低，因此在判斷兩相鄰路段是否需劃分為同一群組時，應加以考慮車流流動比率大小，本研究參考林良泰【7】所提出的車流轉向比率準則，其關係式推導如下:

(35)

25

( ) × ( )

()

(3.3)

：路段總車輛數(pcu) ：路段容量(pcu)

：i 流動方向之車輛數(pcu)

：臨界車流流動方向比率

圖 3-2 車流轉向比例準則範例 3. 路型

不同的路型對於多車種所組成之車流運行狀態具有明顯影響，例如快慢分隔路型之直行車輛較不易受機車干擾，因此同群組之路型應當以相同為宜，國內道路之路型一般可分為下列五種路型，如下圖所示:

(1)中央且快慢分隔

(36)

26

圖 3-3 中央且快慢分隔路型 (2)中央分隔

圖 3-4 中央分隔路型 (3)快慢分隔

圖 3-5 快慢分隔路型 (4)中央標線分隔

圖 3-6 中央標線分隔路型 (5)無標線分隔

圖 3-7 無標線分隔

4. 車道數

不同的車道數對於多車種所組成之車流運行狀態具有明顯影響，例如單向三車道以上之道路，靠內側之車輛亦較不易受慢車道上機車之影響及道路兩側路邊停車與商業活動之干擾，因此同群組之車道數應當以相同為宜，如下圖所示:

(37)

27

圖 3-8 車道數範例 5. 車流方向

就交通控制之觀點而言，不同車流方向之道路系統可使用不同的控制目標，例如:

單行道系統通常以續進帶寬最大化為其目標函數，而雙向道系統則可以負效用最小化為其控制目標，因此，車流方向為制定群組劃分之組要因素，如圖 3-8 所示:

圖 3-9 車流方向範例 6. 群組路口數限制

目前對於路口群組限制國內外並無相關的指標可以參考，考量到當群組中的路口數量越多時，由於需要考慮到上下游帶來的影響，號誌的設計困難度與變數將大幅增加，因此本研究將最大路口群組數訂立為 4。

7. 臨界路段長度限制

臨界路段長度為群組劃分時之重要參考依據，Pinnell【7】認為若某路口與相鄰號誌化路口之距超離過 2000 英呎(610 公尺)，即視為獨立路口，本研究將以 Pinnell 提出的準則做為群組劃分時的臨界路段長度限制，如圖 3-10:

(38)

28

圖 3-10 臨界路段長度限制

3.2 時相與時制之設計

(一)時相產製

對於過飽和交通狀況下的時相計畫產製，在這裡本研究使用一個所謂的”時相重複”(Phase Reservice)概念，來設計兩個專門特殊的時相設計，所謂的”時相重複”，

指的是在一個週期中給予較壅塞的時相提供超過一次以上的綠燈時間，從而達到紓解流量的目標，設計的兩個時相計畫一個是用來處理雙向的過飽和交通，這邊命名為過飽和六時相，一個是專門用來處理單向的過飽和交通，命名為飽和八時相，如表 3-1 所示。

表 3-1 過飽和六時相與八時相

過飽和六時相過飽和八時相

時相順序

(39)

29

而在動態程序中，時相是依據交通的狀況從幾個基準時相計畫中來做選擇，因此在這裡，除了設計的過飽合六時相與八時相，加入了常見的簡單兩時相、左轉保護四時相、輪放三時相，總共 5 種時相計畫來作為時相產製之基準設計，如表 3-2 所示。

表 3-2 採用的時相設計

簡單兩時相左轉保護四時相輪放三時相

時相順序

(二)時制產製

對於號誌時制的產製，本研究是透過號誌模擬軟體 Synchro 來進行模擬，在構建道路的幾何設計之後，輸入設定的時相計畫與路口流量、轉向比率等數據，透過模擬程序來產生，如圖 3-11 所示。

圖 3-11 Synchro 路網建構

Synchro 所產製的號誌時制，是一個尚未經過效用評估與調整的初步結果，這邊可以視為是選擇當前時相計畫所能得到的初步最佳解，也就是初步的最佳號誌方案，

如圖 3-12 所示。

(40)

30

圖 3-12 Synchro 時制產製

3.3 時制的評估與調整

(一)時制評估

考量到過飽和交通特性，將以路口群組中所有路口之車輛通過數總和最大作為號誌效用的評估標準，因此將透過公路交通系統模擬軟體 HTSS 來進行號誌時制的評估，

首先建立群組路口的數量與幾何架構，並決定模擬的時間長度與次數，如圖 3-13 所示，在建立群組路口的幾何架構後，依序輸入時相計畫次序與號誌時制之長度，如圖 3-14 所示，最後進行模擬。

圖 3-13 HTSS 路口群組構建

(41)

31

圖 3-14 HTSS 之時相與時制設定

在模擬結束後，將會產生分析表，如圖 3-16 所示，包含了各路口車道之流率、

停等延滯、服務水準、停等長度…等分析結果，由於本研究是以群組路口之車輛通過數最大做為評估指標，所以將採用分析表中的流率作為評估之依據，換言之，也就是群組路口中各節線的流率數(輛/小時)加總作為評估的標準。

圖 3-15 HTSS 分析結果表 (二)時制調整

對於時制的調整，參考 Liu.et.al.【29】提出的過飽和精確指標(oversaturation severity index) ，這裡簡稱為 OSI 指標，並配合三種基礎策略來對號誌進行調整，

OSI 指標可以進一步被區分為 TOSI 跟 SOSI 兩種指標，TOSI 是由於剩餘車隊產生而造成的數值，換言之產生的危害影響是屬於時間特性，SOSI 的危害影響是由車輛溢流所造成的數值，換言之是屬於空間特性，簡單來說，TOSI 與 SOSI 可以透過以下

(42)

32

的公式被計算:

TO I 紓解剩餘等候車隊的綠燈時間

總可用綠燈時間 (3.4) O I 由於下游車流溢流導致上游路口不能使用的綠燈時間

總可用綠燈時間 (3.5) 本研究參考 Hu.et.al.【30】提到的三個基礎策略，針對不同的過飽和交通狀況來對號誌時制進行調整。

基礎策略 1 綠燈延長 TOSI>0 & SOSI=0

正數的 TOSI 數值代表在當前路段上於週期末端會存在一個剩餘車隊，剩餘車隊指的是無法在一個週期紓解的車輛，SOSI 為 0 代表在下游路段中仍有多餘的可用空間，如下圖 3-16 所示。

圖 3-16 TOSI>0 & SOSI=0 狀況

因此在處理這個 TOSI>0 & SOSI=0 狀況時，策略是延長目標時相的綠燈時間，

將剩餘車隊進行紓解，調整的綠燈時間可以被計算如下:

∆𝑔_𝑛, 𝑇𝑂 𝐼_𝑛,∗ 𝑔_𝑛,

(3.4)

∆𝑔_𝑛,是在路口 n 中對時相 i 調整的綠燈時間，𝑇𝑂 𝐼_𝑛,是在路口 n 中時相 i 的 TOSI 數值，𝑔_𝑛,是在路口 n 中時相 i 的綠燈時間，正值的∆𝑔_𝑛,指的是綠燈延長，負值代表綠燈減少，透過延長或是減少綠燈時間，接續的紅燈號誌開始時間將被更動，這裡以一個兩路口範例進行說明，假設上游路口的𝑇𝑂 𝐼_𝑛,為 0.33，𝑔_𝑛,為 60 秒，同時下游路

(43)

33

口有足夠的容納空間，透過公式(3.4)的計算，可以得知延長上游路口 19 秒的綠燈時間能將路段上的等候車隊全數紓解，改善後的結果如同下圖 3-17 所示，而在三路口與四路口群組的做法，則從最上游的路口重複同一步驟至最後一個路口。

圖 3-17 策略 1 改善後

基礎策略 2 紅燈延長 TOSI=0 & SOSI>0

如果當前路口的 SOSI 數值大於 0，這代表下游等候車隊溢出回堵到上游路口且產生不可用綠燈時間，但當 TOSI 是 0 時，所有被正在被紓解的等候車輛等同於減少了綠燈時間，如圖 3-18 所示。

圖 3-18 TOSI=0 & SOSI>0

消除下游溢出車輛的方法是透過延長紅燈來限制上游流量，紅燈延長可以被計算成如下:

∆𝑟_𝑛, 𝑂 𝐼_𝑛,∗ 𝑔_𝑛,

(3.5)

(44)

34

∆𝑟_𝑛,是在路口 n 中對時相 i 調整的紅燈時間，且 𝑂 𝐼_𝑛,是在路口 n 中時相 i 時的 SOSI 數值，正值的∆𝑟_𝑛,指的是紅燈延長，負值代表紅燈減少，注意到透過調整紅燈時間，接續的綠燈其開始時間將延遲，這裡以一個兩路口範例進行說明，假設上游路口的 𝑂 𝐼_𝑛,為 0.25，𝑔_𝑛,為 60 秒，透過公式(3.5)的計算，可以得知延長上游路口 15 秒的紅燈時間能將從下游溢堵的車流紓解，而在三路口與四路口群組的做法，則從最下游的路口重複同一步驟至上游路口。

圖 3-19 策略 2 改善後

基礎策略 3 下游紅燈減少: TOSI>0& SOSI>0

更嚴重的狀況是 TOSI 與 SOSI 都大於 0，在這種狀況中，在當前路口因為下游路口的車輛溢出導致一部分的綠燈時間是不能使用的，同時，在當前路口的可用綠燈時間不足以紓解等候車輛，換言之，會存在一個剩餘的等候車隊，如下圖 3-20 所示。

圖 3-20 TOSI>0& SOSI>0

(45)

35

處理這種狀況的其中一個方法是結合以上兩種方式，換言之，延長在目標路段的綠燈時間且同時延長上游路段的紅燈時間，另一個方法是透過減少下游路口的紅燈時間來增加下游容量，透過減少下游紅燈，上游路口的正值 TOSI 與 SOSI 數值可能被減少為 0，下游的紅燈減少可以被計算成如下:

∆𝑟_{𝑛+ ,} 𝑂 𝐼_𝑛,∗ 𝑔_𝑛,

(3.6)

換言之，清除上游路口的 SOSI，但一旦 SOSI 被清除，一部分的不可用綠燈時間會變成可用且可以被使用來紓解剩餘等候車隊，這裡以一個兩路口範例進行說明，假設上游路口的 𝑂 𝐼_𝑛,為 0.6，𝑔_𝑛,為 60 秒，透過公式(3.6)的計算，可以得知減少上游路口 36 秒的紅燈時間能將從下游溢堵的車流紓解。

圖 3-21 方案 3 改善後

在以上三個策略中，延長綠燈(策略 1)是用來增加容量，延長紅燈(策略 2)是用來限制交通到達，且減少下游紅燈(策略 3)是用來清除下游回堵車輛(透過提早紓解下游路口的等候車隊) ，透過考慮最大/最小綠燈與支道儲存容量限制式，那些策略可以直接被應用 2 路口群組上，但對於 3 路口甚至於 4 路口，我們需要考慮到上游到下游的影響，以及可能會同時發生三種狀況的可能性，因此需要依據群組的狀況來多次調整。

(46)

36

3.4 動態程序構建

針對號誌設計動態程序的構建，將應用到前述提到的模式與概念，並加以整合，

以求在追求最大車輛通過量的前提下，針對過飽和群組路口設計出適合的號誌時制計畫，動態程序的流程步驟如下所述。

(1) 判斷是否達到過飽和

動態程序的第一步，是要判斷當前的交通是否為過飽和狀況，依據「路口平均飽和度」的定義是路口中的V/C值需要 1.05。

(2) 對幹道進行路口群組劃分

由於目標幹道上，並非所有路口的 V/C 值都超過 1.05，因此需要針對幹道進行群組路口的劃分，專門處理幹道中的壅塞部分，因此可以透過本研究提出的路口分群準則進行群組劃分，而非將整條幹道為整體來做處理。

(3) 選擇最初時相計畫

依據構建的基礎時相設計，從中選擇符合目標群組路口交通狀況的時相計畫，本研究建構的基礎時相設計共有 5 種，包括:簡單兩時相、左轉保護四時相、輪放三時相、過飽和六時相、過飽和八時相。

(4) 產生初步最佳號誌時制

配合 Synchro 號誌模擬軟體，將流量、轉向比、幾何路型與選擇的時相計畫輸入，

透過模擬來產生一個當前的初步的號誌時制，產生的時制計畫我們可以把它視為當前的最佳方案。

(5) 評估當前號誌時制計畫

透過 HTSS 模擬分析軟體，分析當前的最佳號誌時制，由於研究的目標是車輛通過輛最大化，因此評估標準是以分析表中群組路口節線上的流率作為判斷標準。

(6) 調整時制

透過 OSI 數值與調整策略來配合 HTSS 分析表中的停等長度，針對 Synchro 產製的初步時制計畫進行時制調整。

(47)

37

(7) 評估新的號誌時制計畫

將調整過的號制時制計畫，再次進行 HTSS 的模擬分析，得到時制調整過後的車輛通過數。

(8) 時制調整前後之方案比較

以群組路口的車輛通過數為判斷標準，比較方案調整前後的車輛總數結果後，選擇有較大車輛通過量之方案，即為當前時相的最佳號誌時制計畫。

(9) 所有可能時相是否均已考慮

在得到當前時相的最佳號誌時制計畫後，評估是否有其它的可能時相計畫，如果有將再次進行動態程序進行方案設計。

(10)各時相之最佳方案比較

比較各種不同時相計畫下的最佳時制計畫所產生的車輛通過數量，選擇有最大車輛通過量的時制計畫方案。

(11)最佳方案產生

在嘗試過各種不同的時相組合後所選出的時制計畫方案，是我們認為的最佳號誌方案，不但考慮到時制同時也考慮了時相。

綜合以上的流程步驟，我們可以將其整合成一套專門用來設計市區過飽和幹道之號誌的動態設計程序，號誌的設計目標，將追求車輛通過量的最大化，詳細的程序結構如下圖 3-22 所示:

(48)

38

圖 3-22 號誌設計動態程序圖所有可能時

相是否均已調整時制

否

是

各時相之最佳方案比較

最佳方案產生確認最佳號誌時制計畫時制調整前後方案比較

評估時制計畫透過模擬軟體產生

最佳的時制計劃選擇初步的時相計畫

判斷是否為過飽和交通狀況

對幹道進行群組劃分

產生新的時相計畫

(49)

39

第四章實驗設計與結果分析

在本章節將透過實驗設計來對構建的號誌設計動態程序進行模擬測試，目的是希望透過實驗測試來確認動態程序的有效性，實驗方式則是參考動態流程步驟，建立各實驗因子來進行模擬測試，從而評估號誌設計動態程序的有效性。

4.1 實驗因子與場景構建

(一)實驗因子

實驗因子的部分，可以分為流量、路口群組數、時相計畫、過飽和狀況等 4 個項目，過飽和程度是以流量來做區分以及否有發生下游車流的狀況來做區隔，分別為 2000pcu、2200pcu、2400pcu 做為測試，路口群組數是以 2 路口、3 路口、4 路口群組三種組合來做測試，時相計畫是以前述提到的 5 種基準時相來做使用，分別針對 5 種時相計畫來進行測試，過飽和狀況是以幹道上的過飽和車流是屬於單向或雙向來做區別，如下表 4-1 所示。

表 4-1 基準時相之次序

簡單兩時相左轉保護四時相輪放三時相

時相順序

過飽和六時相過飽和八時相

時相順序

(50)

40

本研究的實驗因子水準數如下表 4-2 所示，各項目的水準數經過模擬可以產生 90 種模擬情境。

表 4-2 實驗因子表

由於動態程序中的調整模式需要有實際的 TOSI 與 SOSI 數值才能透過公式進行時制調整之計算，但因實驗是採用模擬的方式，所以本研究在 TOSI 與 SOSI 數值的計算上，採用簡易的一個範圍值來做評算，透過 HTSS 模擬軟體來得到各過飽和路段的等候車隊長度，也就是下圖 4-1 HTSS 分析表中所示的各節線之”停等長度”，來決定 TOSI 與 SOSI 佔可用綠燈的百分比，並參考上述提到的三種基礎策略進行時制調整。

圖 4-1 HTSS 分析結果表

這邊以一個 TOSI>0&SOSI=0 的兩路口群組來作說明，假設 HTSS 模擬的分析表顯示上游路口有大量的停等車隊，且下游路段有足夠的容納空間時，代表可以用基礎策略 1 給予上游過飽和路段當前時相更多的綠燈時間，如下圖 4-2 所示:

因子流量

(PCU/小時) 路口群組數時相計畫過飽和狀況

水準 2000(無溢流) 2200(無溢流) 2400(有溢流)

2 3 4

普通二時相左轉保護四時相

輪放三時相過飽和六時相過飽和八時相

單向雙向

水準數 3 3 5 2

(51)

41

圖 4-2 TOSI>0&SOSI=0

而綠燈延長的秒數，也就是∆𝑔_𝑛,，原始計算公式是 𝑇𝑂 𝐼_𝑛,∗ 𝑔_𝑛,，但由於實驗是透過模擬的方式，因此在 TOSI 與 SOSI 的計算上，這裡我們沒辦法得到一個實際的數值，所以在實驗設計中，如表 4-3 所示，TOSI 與 SOSI 所佔可用綠燈的百分比在本研究中設定為 10%、20%、30%，依據停等長度佔節線長度比例來做決定，佔 1/3 以內用 10%來做調整、1/3~2/3 以內用 20%，2/3 以上則用 30%來進行調整，目的是在於證明透過 OSI 值調整並改善時制的可行性。

表 4-3 OSI 指標之調整範圍 OSI 指標類型等候車隊佔路段長度之比例

TOSI SOSI

0~1/3 10% 10%

1/3~2/3 20% 20%

2/3~3/3 30% 30%

(二)場景構建

在實驗測試中的模擬場景中，由於在這裡已經假設模擬測試的群組路口是處於過飽和交通狀況，因此動態程序中關於過飽和的判斷與群組劃分的部分在實驗設計中可以選擇忽略，直接從時相選擇開始進行測試，支道上各轉向的流量數是測試流量的

(52)

42

10%，各時相的最短綠燈時間設定為 9 秒，最長綠燈時間設定為 120 秒，全紅時間為 2 秒，黃燈時間為 3 秒，車道數為 2 車道，有一個 50 公尺的左轉間格，各支道路段的長度為 500 公尺，幹道的上下游路段也是 500 公尺，幹道中的其餘路段則設定為 300 公尺，如下圖 4-3 所示:

圖 4-3 實驗場景構建

在實驗因子與場景完成後，分別以各路口群組在不同過飽和程度下透過動態程序設計之號誌計畫得到的車輛通過總數來決定最佳號制方案，實驗因子表中的模擬測試，

可以概分為三種模擬狀況，以流量作為區分的標準，分別為:輕度過飽和狀況(2000 h/pcu)、中度過飽和狀況(2200 h/pcu)，重度過飽和程度(2400 h/pcu)，，下面章節將分別詳述。

4.2 輕度過飽和狀況模擬測試

(1) 單向輕度過飽和程度模擬

根據不同的路口群組數量，依據 5 種基礎時相，將透過 Synchro 所產製的初步時相利用調整模式進行時制調整，來比較在單向輕度過飽和程度的交通狀況下的各時相最佳號誌方案，下列各表顯示各群組路口在不同時相方案下的時制調整前後比較，並以各號誌方案的群組路口車輛通過量來做為最佳號誌選擇的依據。

中 華 大 學

中 華 大 學 碩 士 論 文

市區過飽合交通之號誌時相與時制整合設計 之研究

Study of Signal Phase and Timing Design Integration for Urban Oversaturation Traffic

系 所 別：運輸科技與物流管理學系碩士班 學號姓名：M09914005 陳 宇 騰

指導教授：張 建 彥 博 士

中 華 民 國 102 年 7 月

摘 要

ABSTRACT

Keywords: Oversaturation、Signal Control、Intersection Grouping、Phase、Timing

誌 謝

目錄

表目錄

圖目錄

第一章緒論

1.1 研究背景與動機

1.2 研究目的

1.3 研究範圍與限制

1.4 研究步驟與流程

第二章 文獻回顧

2.1 過飽和交通狀況之定義與號誌設計目標

2.2 號誌群組劃分準則

2.3 號制路口之時制計畫設計

2.4 在過飽和交通狀況下的號誌控制之相關研究

2.5 小結

第三章 研究方法

3.1 過飽和標準與群組劃分準則

(3.1)

(3.2)

(3.3)

3.2 時相與時制之設計

3.3 時制的評估與調整

(3.4)

(3.5)

(3.6)

3.4 動態程序構建

第四章 實驗設計與結果分析

4.1 實驗因子與場景構建

4.2 輕度過飽和狀況模擬測試

中華大學

中華大學碩士論文

市區過飽合交通之號誌時相與時制整合設計之研究

系所別：運輸科技與物流管理學系碩士班學號姓名：M09914005 陳宇騰

指導教授：張建彥博士

中華民國 102 年 7 月

摘要

誌謝

第二章文獻回顧

第三章研究方法

第四章實驗設計與結果分析