城市十字路口交通信号灯系统的优化设计.docx

目 录
摘要 1
1. 绪论 2
1.1 课题研究背景 2
1.2 国内外交通信号灯系统的研究现状 2
1.2.1 国外交通信号灯系统的研究现状 2
1.2.2 国内交通信号灯系统的研究现状 3
1.3 课题的主要研究内容 5
1.4 本章小结 5
2. 现有交通信号灯系统存在的不足 5
2.1 调研分析 5
2.2 现有交通信号灯系统存在的不足及分析 6
2.2.1 等待时间过长 6
2.2.2 行人擅闯红绿灯行为 7
2.2.3 缺乏眼疾人士便利措施 8
2.2.4 灯杆高度设计不合理 10
2.2.5 现有信号灯系统的供能系统不合理 10
2.3 本章小结 10
3. 系统优化设计 11
3.1 优化交通等待时长 11
3.1.1 等待时间计算 11
3.1.2 便捷按钮设计 12
3.2 联动感应门设计 13
3.3 为眼疾人士提供便利设计 13
3.3.1 红绿灯形状的设计及原理 13
3.3.2 SMI眼动仪的使用 14
3.3.3 LED显示屏设计 20
3.4 灯杆高度设计 21
3.5 供电能源优化 21
3.5.1 风光互补系统介绍 21
3.5.2 风能及太阳能电量的计算 23
3.5.3 太阳能方向的选择 24
3.6 本章小结 24
4. 系统的效益分析 25
4.1 环保效益 25
4.2 社会效益 26
4.3 经济效益 26
4.4 本章小结 26
5. 总结 26
谢辞 28
参考文献： 29
附录 30

城市十字路口交通信号灯系统的优化设计

摘要：为了建设方便、安全、高效率、低碳环保的多元化城市交通系统，本文根据人因工程学方面的知识，针对现有交通信号灯的不足，通过改善等待时长、防止行人闯红灯、为眼疾人士提供便利、更舒适的观察红绿灯以及低碳环保等方面，设计出便捷按钮，联动感应门，以及改变红绿灯形状、从人因角度测量灯杆高度和采取风光电能相结合等措施，实现了对现有交通信号灯系统的优化改进。
关键字：红绿灯；交通系统；人性化；改进

Optimization of urban traffic lights system on intersection

Abstract: In order to build convenient, safe, high-efficiency, low-carbon, environmental friendly urban transport systems, based on the knowledge of human factors engineering, in connection with the deficiencies of the existing traffic lights, this paper optimized the waiting time, designed a convenient button, linkage induction door to prevent pedestrian from running the red light, it’s easy for colour blindness to change the shape of traffic light ,measure the lamp pole height in human factors engineering to make people more comfortable to watch the traffic light , used the wind/solar hybrid generation system instead of electricity to save energy, and took other measures to improve the existing traffic lights system.
Keywords: traffic lights, transportation system, humanity, improvement

1. 绪论
1.1 课题研究背景
根据调查显示，像巴黎纽约这种大城市在高峰时期的行车速度超慢，大约为16千米/小时，而公共汽车与之相比速度更慢。而在日本东京市内，早高峰时段的速度只有9千米/小时，最低的时刻只要4公里/小时，所以才会有走路比开车还快的情况发生，调查还显示，日本经济损失严重，交通拥挤发挥了一定作用，其数值高达90000多亿人民币，因为日本的市中心机动车大部分时间都在十字路口上。而和日本相似的是，经济和科技比较发达的美国经济损失也颇为厉害，其数值曾高达2370亿美元，其中，几乎一半的交通事故都发生在路口。在我国国内的许多大城市（人口超过一百万），由于每一年的交通拥堵而带来的经济损失高达1600亿元，约占国内生产总值的3.2%。城市交通不仅影响我国经济的快速发展，而且还对正常的发挥城市功能起到一定作用，故为构建和谐美好的城市，我们应当及早采取有效合理的办法加以治理[1]。
显而易见，使得路面通行能够有效畅通，是处理交通拥堵最有用的办法，所以必须建设很多路桥。但是这需要很高的资金耗费并且对城市空间有着严格的要求。所以在现有情况下，只有提高交通管理水平，改善管制方法，合理充分利用道路能力才能解决交通问题。
目前国内使用的十字路口信号控制器一般有三种：英国的SCOOT系统、澳大利亚的SCAT系统和日本的京三系统。这三种控制器均采用自适应控制和定时控制。但是实践证明，中国的混合交通的特性以及连续流与间断流的协调控制、公交优先控制这些需求使得这三种控制器无法很好的满足我们的要求。因此对如何设计适合中国的混合道路交通的交叉口信号，是我们不得不去进行控制研究的首务之急[2]。
1.2 国内外交通信号灯系统的研究现状
1.2.1 国外交通信号灯系统的研究现状
交通信号控制系统代表着当今时代的科技水平，它是与科学的发展，科技的进步是相辅相成的。随着信息通讯技术的快速进步，交通信号灯控制系统也有了飞速的发展，其发展历程大致如下：
1）1968年，第一代交通信号控制系统应运而生，它是由TRRL所提出的一种优化交通控制法来运行的，在离线状态下也可实现，其主要是通过和TRANSYT的结合才得以实施的。上世纪60年代提出的“最优系统仿真技术”是TRANSYT的前身，当时由于计算机技术不发达，水平不高，所以离线控制是它不能不实行的一种办法。
2）第二代交通信号控制系统的标志是SCOOT和SCATS的应用，其主要得益于上世纪80年代线控制的计算机技术的发展，其运算速度及用量均能满足我们的需求。SCOOT的控制模式主要为集中式，沿袭了以前的控制理论及方法，其基础为数学模型，从而利用数学模型在计算机上进行信号检测，优化及信号灯时间配置。SCATS的控制模式主要为阶梯式，它是一种新型的分布模式，具有利用启发式原理进行信号时间配置及决策的优点，但缺点是多元化和传统技术的控制模式未能考虑，还有结合人工智能技术等问题。
3）1983年，美国提出了一款新型的智能控制系统：OPAC,这个系统被称为第三代交通信号灯控制系统。在上世纪90年代初进行了试运行。它以动态规划的优化控制策略为原理，利用离散时间周期dypic滚动优化方法和分散的结构来减少通信量，分布式并行处理，以分散风险，从而使得改善过程中约束条件最少。
4）最新一代的智能交通控制系统已经取得了一系列的成功。其控制应用了尖端技术人工智能与知识工程。基于专家系统的控制和模糊控制都是属于智能控制的，当然神经网络控制和基于遗传算法的控制也是构成智能控制的一部分，所以智能控制是由这四个控制部分构成的。其特点是控制算法逼近非线性函数的能力非常强，不需要非常精确的数学模型，相对于复杂的难以建立较好的数学模型的交通信号灯，这无疑是一个很好很有效的方法。Agent智能控制当前正在被美国和荷兰研究应用于UTC中，其应用原理主要是对所控制的地域进行信号灯控制。Agent不但拥有丰富的交通管理经验，更可贵的是还具有不断学习和更新本区域交通流信息的能力。单独的Agent其囊括的信息是不完整的，但Agent会通过各种途径比如说通讯层来进行信息的交互，它能有效协调交通网络中的资源，从而能够达到原定目标和结果不会矛盾，智能控制最优化。在巴塞罗那，这种控制系统以及取得了很好的实验结果，应用于实际的时间应该也很近了。
随着社会的发展，车辆的增多，城市交通系统的规模开始变得更为的复杂，原有的方法以及不能够更好的满足我们的需求，所以新的集成控制策略应运而生。Multial、gorithmics和 RT-TRACS是比较有代表性的综合控制策略。利用集成控制策略可以通过基本控制层实现不同的有机整合和综合利用的控制方法[3]。
1.2.2 国内交通信号灯系统的研究现状
中国的交通管制直到二十世纪七十年代才开始，北京利用DJS-130机对道路上的协调控制进行了探索和研究，它与国外相比起步算是比较晚的。80年代后，我国通过两方面的仿真大力建设交通信号控制系统。一是引进和开发相结合，建立了城市交通控制系统；另一种是把更多的资源投入到交通信号控制技术的研究。目的主要是设计符合我国的交通信号特征的以混合交通为主的智能红绿灯控制系统。目前我国的交通控制的基本现状可由下面几个城市代表。
（1）南京城市交通控制系统
我国开发的首个实时自适应的南京城市交通信号系统（NUTCS）是"七五”国家重点科技攻关项目（编号2443）。在国家计划委员会和委员会的批准下，交通运输部和南京市公安部的合作下，最终成功完成，并赢得了国家级技术奖。NUTCS满足了低密度的国内网络，空间大小悬殊，道路交通混合的特点，并结合技术优势SCOOT和SCATS，同时运用两级控制结构（区域控制路口）来控制。并且如果有需要，还可以增加一个中心级，从而形成了三级分布式阶梯控制。控制方式有三种：实时自适应控制，定时控制和联动控制电缆。其功能包括警戒，消防，救援，公交信号，人工指定。功能强大，工作灵活可靠。
其缺点主要有两点：一是机动车和非机动车控制模型有待进一步提高，车流量过大相互制约了系统操作；另外一点就是优化目标的不完全，除了行车耽误、停车频率和堵塞度，还应该考虑到如何将道路能力加以提高。
（2）海信HiCon交通信号控制系统
青岛海信科技股份有限公司开发的HiCon控制系统是一套完整的智能交通解决系统，包括了从交叉口信号机、通讯服务器，地方控制服务器、中央限定服务器。其硬件和软件主要有：HSC-100交通信号机、Hicon交通信号控制系统软件、CMT交通信号机以及其他保护工具的软件。
对于混合交通流的控制，建立了一个混合控制模型；采用多级分布式控制结构：网络控制层，中央控制层，通信层和交叉层；其算法体系有：地方调和控制算法、感触式协调控制算法、路人二次过街算法、城市快速入口协调控制算法和突发事件检测算法。满足国家最新标准并且支持NTC/IP等开放协议。
（3）深圳市SMOOTH交通信号控制系统
SMOOTH同样采用了分布式控制模式，它拥有三层体系结构，大型数据库，可以实现多服务器协同处理。采取更灵活的控制策略，平峰时期能有最大的通行能力，高峰时段的拥堵降到最低，从而更好的适应深圳市高饱和度和高复杂度的交通需求。该系统将规律和变异随机组合，吸取katnet系统自动识别交通状态的优点，SCOOT系统“临近预测”的战略优势和SCATS系统战略控制相组合，从而实现单点控制，自适应控制和网络协调控制的综合控制法来协调多目标决策。数据表明，通过使用该系统，深圳市的交通延误已大大减少，道路通行能力和交通拥堵有很大的改善和进步。
还有一点，天津大学将自学习智能原理第一次应用于他们自己所研究的智能控制系统（TLCS），SUATS（上海交通大学研制的舒达）的自适应实时控制能力很强，可以和SCOOT电网运行；Inte-llific交通控制系统（浙大研制）可以很好的应用于大中型城市交通复杂路况，“准用户最优交通分配理论”和“新型广义路阻理论”被吉林大学团队创造性提出。该技术拥有着完全的自主产权，这种混合交通自适应控制系统是最适合中国实行车辆诱导及交通控制的一体化发展，它使得中国国内不再受国外垄断；而中科院的王飞跃教授团队，专注于研究城市路网和高速路网控制，独立开发了一系列软件，如“绿色GreenPass-iTop智能交通平台软件“，“绿色交通控制中心软件”等；而同济大学的团队根据目前中国混合交通流的现状，独立开发了先进的交通控制管理系统（TJATCMS），这个系统特别适合我国的混合交通现状，它能实现单点和区域协调控制，同一控制间断和连续的交通流，实现了行人过街和公交优先行驶等策略的智能化控制[4]。
1.3 课题的主要研究内容
本课题根据现有交通情况，提出应对交通信号灯系统进行优化改进，研究的主要内容有如下五点：
（1）安装按钮—优化交通等待时长
（2）安装联动感应门—阻止行人违规擅闯行为
（3）改变红绿灯形状—为眼疾人士提供便利
（4）改变红绿灯灯杆高度—更舒适的观察红绿灯
（5）使用风能互补系统—更加节能环保
1.4 本章小结
本章主要介绍了随着城市化加快和机动车的日益普及，因此，越来越多的人因为交通拥堵，交通事故，环境污染和燃料消耗而深受其害。在其中，交通信号灯起了较大的"作用”。为了更好的协调控制连续流和间断流，实行公交优先控制等策略，设计出适合中国的混合道路交通的交叉口信号灯系统就成为我们不得不去进行控制研究的首务之急。另外，本章还介绍了国内外交通信号灯系统的研究现状，涉及到一些具有代表性的信号控制系统的使用情况，同时还介绍了本文的主要研究内容将从五个方面进行。
2. 现有交通信号灯系统存在的不足
2.1 调研分析
为使研究更有可行性的必要，去上海、杭州等地做了问卷调查，问卷表见附录，共设置了8个问题，其中问题1-7（Q1-Q7）是单选题，问题8（Q8）是“你觉得现在的红绿灯存在哪些缺陷？请注明缺陷的地方”，发放调查问卷总共800份，其中有效调查问卷686份，根据收集回的调查问卷统计结果如表1所示。
如表1所示，60%的人觉得目前的红绿灯时间设置不合理，36%的人在步行或开车时遇到红灯会闯红灯，58%的人觉得有必要改变目前的红绿灯设置，52%的人觉得目前的红绿灯设置混乱，58%的人觉得有必要为红绿色盲患者改变红绿灯的颜色和形状，75%的人遇到过红绿灯故障而影响指挥交通的情况，62%的人的红灯等待时间的忍耐时间为62%。

表1 调查问卷统计表

A
B
C
Q1
42
6%
415
60%
229
33%
Q2
289
42%
246
36%
151
22%
Q3
401
58%
78
11%
207
30%
Q4
356
52%
29
4%
301
44%
Q5
399
58%
178
26%
109
16%
Q6
512
75%
174
25%

Q7
228
33%
428
62%
30
4%
Q8
1.红灯等待时间过长，绿灯时间太短，有时来不及通过
2.在某些路段安装的红绿灯太过密集，没有必要
3.有时要等单向加转弯的两个红灯，等待时间太久
4.红绿灯应每个都配有时间显示，让车辆和行人做好准备，心里也有个数
5.建议根据时间和路况调整红绿灯时间
2.2 现有交通信号灯系统存在的不足及分析
根据调研分析，得到了目前红绿灯系统大致存在的不足，接下来将会从这些不足进行详细分析。
2.2.1 等待时间过长
专注于交通运输研究的同济大学教授李克平，他认为行人肆意闯红灯现象的主要原因是红灯等待时间太久，从而导致行人难以忍受70-90秒限度。从另一方面来讲，就是说红灯设置的时间大于90秒时，树立在那的信号灯就完全起不到任何作用[5]。
而对于信号灯的设计，许多发达国家会想到行人可接受等待时间，故他们会做相应的等待时间的调查统计。统计数据显示，德国的耐力是60秒，而英国的耐力只有45秒。如果红灯的等待时间的太长，超过行人最大的耐力，那么行人闯红灯现象也会频频发生。为此，德国红灯被设定为统一标准，行人的等待时间都不超过60秒，此举的主要目的是减少行人违章闯红灯现象。而在此比较之下，中国人的忍耐最大限度会不会太好？那么我们国人的等待时间最长是多少呢？谁也没有真正做过相关的调查[6]。居于此特在中国多个城市进行了问卷调查分析，由上表1分析显示，中国人的忍耐极限为45-60s，而大多数地方将时间设置成80s以上，由此可见目前中国的红绿灯的时间设置是非常不合理的。
许多专家认为，行人因素应该更多的被考虑到红绿灯的设置时间里。“红绿灯的红灯时长设计，一定要考虑到行人最长的忍耐时间，‘最好的等待时间’的提出就是说把等待红灯的时间保持在最好的等待时间差之内。如果不这样做的话，既要让行人遵守交通规则，又要让他们超过忍耐最大限度，这样是非常困难的。” 专注于心理研究的著名中科院专家孙向红博士如是说。
行人的心理因素应该被更多的考虑到很多首要的交通路段的红绿灯时间设定中，而非单纯的只考虑到机动车。而我们需要向发达国家学习的经验之一，就是红绿灯的时间间隔应该是根据行人的最大忍耐限度来设定的[7]
2.2.2 行人擅闯红绿灯行为

图1 行人闯红灯
几乎所有中国人看到“中国式过马路”这个词汇嘴角都会微微上扬，打它刚一发明出来，大家对它就像见到老朋友一样，有种十分熟悉的感觉。这个词是什么意思呢？顾名思义，中国人过马路很普遍的一个惯性就是在过马路的时候，几乎不管红绿灯，一个人闯红灯，大家也许不会跟着，但是当一群人一起闯的时候，大家就都无所谓了，如图1所示。
对于这些现象的普遍发生，有专家学者对此进行相应的研究和解决办法：
1）对行人的交通安全意识必须加强宣传教育，改良和预防其违规心理。侥幸心理普遍存在违规行人身上，这也说明了他们对安全的认识不强，所以应该加强安全教育。通过多种多样的教育宣传，在大家的交通安全意识强化的同时，行人的违规心理的承受极限也会得到提高，这样就可以使得人人都会树立交通法制观念，自然而然的遵守交通法规。
2）加强行人违章管理和处罚，从法律层面加强约束力。车辆违章会被扣分，但是行人违章却没有任何的处罚和管理。社会的管制是有限的，在没有法律层面的约束时，行人拥有了过度的自由，这势必会影响到交通秩序和规范。所以，建立一套健全的行人违章的管理条例是非常有必要的，在一些重要的道路交叉路口、事故多发事段采取更为严厉的管理模式。非重点事段可以采取警告为主，主要出发点还是以纠正为主，重在营造一个大家都遵守法律遵守规则的和谐社会。处罚措施不仅可以是罚款，还可以与义务劳动结合，纠正行人的违规心理。
3) 进一步发展和完善道路交通技术，重视和改善行人交通设施。具体措施如下：①交通分离的实施，在人流量大的地方，实施人行天桥或地道的建立。②防护栅栏设置在道路中间，使违法成本太高，客观上不具备违章条件，即使主观上有意愿，违章行为也很难发生。③在不影响交通的前提下，延长人行横道时长，使车辆和行人出行时间分布合理。随着机动车数量的增加，不少道路为了方便机动车在交叉口处进行了拓宽，延长了行人通过交叉口的时间。许多的路口的人行横道通行的时间很短，在有限的时间内，人们尤其是老年人和儿童往往不能完全通过马路[9]。
与中国相比，国外很多城市对于闯红灯者采取的措施就相当严厉了，比如说当行人在新加坡首次闯红灯就要被罚1000元人民币，第二次，第三次再继续的话，最重的处罚可以判处六个月到一年的监禁。而在美国很多城市也是采取罚款措施，虽然相对来说罚款金额很小，但其个人信用中会被写上这些处罚记录，一生都逃脱不了。而在德国，只要有一次闯红灯就会被记录在案，这样你就不能和其他人一样可以分期付款，你需马上支付，同样你也不能和其他人那样获得比较长的时间向银行贷款，而且银行贷款利率也要比别人高，所以一般很少有人会去闯红灯[10]。
也许罚款措施在一定程度上能够减少行人擅闯红灯的现象，但是并不能从根本上杜绝该类现象发生，因此我觉得还是要采取一定强硬措施，有效制止行人擅自闯红灯现象。
2.2.3 缺乏眼疾人士便利措施
中国有多少色盲呢？据不完全统计，截止2014年，中国有将近6500万色盲患者，人数的增加让我们不能不考虑一个问题，如何帮助色盲人士安全过马路？这对于我们来说是一个亟待解决的问题。
日本东京附近的靠近邮局的十字路口目前已经换上新的实验交通灯，此交通灯可以帮助色盲人士更好地观察到红绿灯的状态。差异较正常的交通灯是红色的，而且它使用LED高光灯，并设计有禁止“X”标志，可以更好地为色盲人士服务。如图2所示。

图2 日本实验型红绿灯
日本著名九州大学教授落河太郎研制成功的“X”标识的并且其LED超过普通4倍，高于平常的灯亮度的交通灯，正常人看大约为粉红色，100米以外为红色。另一方面，“X”标志可以更好地使色盲识别。一月，福冈市福冈县路东地区开始试点实验，东京慈惠医院附近的路口也将于近期设置该交通灯进行实验，日本交通安全协会计划开展试点1个月，希望能够尽快普及[11]。
而在香港的街头更是能随处看到为眼疾人士设置的无障碍措施。图3所示为香港的红绿灯柱上暗藏着的一个专为眼疾人士设计的小机关。当你将手触摸到按钮盒底部时，可以感受到一个很明显的螺纹圆柱体。如果红灯亮起时，它会保持静止；而此时是绿灯时，它会飞速旋转。过马路的眼疾人士如何判断目前红绿灯的颜色，就只用把手放在螺纹体上感觉有没有旋转。同时，信号灯在变为绿色时，语音播报器还会发出“绿灯请慢行”的提示音，提醒眼疾人士此时可以安全过马路了，如图4所示。语音提示器的作用有很多，既可以提示过往的眼疾人士更安全的过马路，又可以温馨提示那些闯红灯人，起到警告的效果。 

图3 香港残疾人士按钮 图4 香港语音提示器
香港的信号灯设计与内地相比有很大的不同，香港的交通信号灯更人性化更科学，一方面与他们错综复杂的地形有关，另一方面也是人文社会的体现。内地也应该多多关注残障人士，在红绿灯的设计上为眼疾人士提供一份便利。
2.2.4 灯杆高度设计不合理
车辆高度不同，司机身高区别及观察角度不同，会影响到在看红绿灯时，容易引起观察不舒适，视觉疲劳，还有可能造成视线障碍。如图5所示，当小轿车前方有一辆大货车时，小轿车的驾驶员是完全看不到红绿灯的标示的。经常有人反映交通灯灯杆设置是不合理的，这辆车的驾驶员的视线被前面汽车挡住后就不知道此时是红灯还是绿灯，然后就一股脑的跟着前面的大车跑，结果到小车转向的时候就成了绿灯变成了红灯从而导致“被动违章”，并且如果大车在遇到红灯突然停车，小车与大车车距又过短时，会很容易造成连环事故。

图5 现有指示灯杆
2.2.5 现有信号灯系统的供能系统不合理
目前交通信号灯的发光体一般为白炽灯，低压卤钨灯，其功率不高能耗又大，造成了巨大的资源浪费。但在我们眼里，交通灯一旦无法正常工作，大多认为是信号灯本身出现问题，而事实上，信号灯出故障的几率很小，不能正常运行的最主要原因都是因为供电不足所引起的，而据报道很多红绿灯都是从附近居民处“借电”[12]。红绿灯如果不亮，那么交通秩序将无法得到控制，车辆和行人都不会再有任何约束，会更加容易造成交通事故。因此我们需要一个高效可靠的供能系统来保证红绿灯系统的正常运行。
2.3 本章小结
本章主要介绍了通过调查问卷分析到的现有交通信号灯系统存在五个不足，分别为：红灯等待时间过长、行人肆意的闯红灯现象、没有给眼疾人士特殊的照顾、红绿灯灯杆高度设置不合理以及红绿灯供能系统没有达到节能减排的作用。
3. 系统优化设计
3.1 优化交通等待时长
3.1.1 等待时间计算
（1）根据行人的忍耐极限优化红绿灯时间
交通信号周期太长是红灯等待时间太长的主要原因，它已经影响到行人的最大忍耐限度。正如我们的问卷调查可以看出行人对红灯的等待时间的忍耐限度一般为45~60秒，所以红绿灯的红灯等待时间的设定不应该超过60秒，否则就会导致有行人忍受不了过长的等待时间而选择闯红灯。但对于一些比较宽的马路，在高峰时期其60秒的红灯时间是不合适的，因此对于这种特殊情况，应该将其高峰时间段的红灯等待时间设置在90秒到120秒之间，非高峰时段的等待时间还是60秒，这样在一定程度上可以有效避免交通拥堵的现象发生。
（2）根据经济环保优化红绿灯时间
据研究表明，车辆在启动未行驶的状态下所排放的尾气比汽车正常行驶时更多，并且在其他因素相同的情况下，正常行驶车辆需要消耗10升汽油，则堵车状况下会消耗12升。因此，我们希望，红灯和绿灯时间配置能更为合理，以最大限度地保证整个周期最优，从而减少车辆处于启动却还没发动的情境。
根据《道路交通自动控制》，关于红灯和绿灯的最佳周期公式为：
（3-1）
公式（3-1）中 :  C为周期时间。L为一个周期内的总损失时间。每一相位（同时启动和终止的若干股车流叫做一个相位）的损失时间I=启动延迟时间-结束滞后时间；而整个周期的总损失时间为各个相位总损失时间的和加上各个绿灯间隔时间R。（通俗地讲，启动延迟时间即司机看到绿灯到车子启动的反应时间，结束滞后时间即绿灯关闭到最后一辆车通过的时间。）即，q为相应相位的车流量，s为相应相位的饱和车流量。（当车辆以大致稳定的流率通过路口时，该流率即该相位的饱和车流量）。
首先，忽略黄灯的南北向和东西向，进行红灯绿灯时间分布。单位时间定为信号灯转换的一个周期，同时假定车流量是稳定而均匀的并且不考虑转弯的情况。
设E是车辆在东西方向单位时间内到达交叉口的辆数；S是车辆在南北方向单位时间内到达交叉口的辆数。假设一个周期，东西方向为红灯和南北方向为绿灯时间为R，那么在这一时期，东西方向绿灯和南北方向的红灯时间就是1-R.
我们目标是需要确定交通信号灯的控制方案，也就是确定R。衡量串行效率的主要指标即单位时间内滞留在十字路口时的所有的车辆停留时间。停留时间是由两部分组成：车辆等红灯的时间，司机重新启动看到绿灯亮的时间，这都可以通过试验确定。
最后，对于任意给定的R（0<R<1），计算所有车辆在路口滞留的总时间。假设一个周期内，东西方向的车辆为E辆，该周期内东西方向红灯概率为R，停车等待的车辆即为E*R辆。车辆等待信号灯改变的时间最短为0（刚停下就转到了绿灯），最长为R（刚转红灯），据此等待平均时间为R/2。所以东西方向车辆在一个周期内的等待时间总和为， 同理可得，南北向行驶的所有车辆在一个周期中等待时间的总和为。
以惠南镇宣黄公路和南团公路的交界处为例，测得的数据为如表2所示,其中实际车流量和饱和车流量为测得的数据，而总损失时间是要根据当地实际情况统计各个相位总损失时间的和加上各个绿灯间隔时间而算出的，在此基础上就能根据公式3-1算出最佳周期，而最佳绿灯时间即为最佳周期减去所有车辆在路口滞留的总时间。
表2 红绿灯时间设置表

3.1.2 便捷按钮设计
根据人因工程，从人的心理因素的情绪层面考虑，为减少车辆、行人等待时间不适宜而引发人们不良的情绪从而对人们的工作、学习、生活产生消极影响，在行人较少的十字路口的红绿灯柱上设置一按钮。如果行人过马路，按下按钮，亮的红灯会自动变为绿色，同时在行人安全过马路时也可以让司机知道有人过马路。这样不仅可以减轻行人与司机在马路上时神经紧张的脑力活动，更大大地提升了马路上的安全等级。
用SolidWorks绘图软件设计的效果图如图6所示。

图6 便捷按钮 图7 联动感应门
3.2 联动感应门设计
为了能有效降低行人擅闯红灯过马路的行为，结合人因工程相关知识，设计出在斑马线的两头都设立联动感应门，类似于地铁的感应门。当红灯亮起的时候，感应门关闭阻止行人的通行；而当红灯变绿灯后，感应门响应打开，行人此时可以顺畅通过。相较于红外线感应更加的效果显著。感应门的设计高度不需要太高，足以不让行人跨过即可，具体设计的高度参照人因工程学里面对于人体测量的数据，大致为1.2m左右，如图7所示。
该感应门两侧要有一定长度的栅栏，阻止行人通行，否则作用微弱。
3.3 为眼疾人士提供便利设计
3.3.1 红绿灯形状的设计及原理
盲人过马路时是非常困难的，因为他们不知道交通灯要等多久。应该在交通信号灯内装上语音播报器，为盲人过马路提供声音信号（根据人因方面的知识，提供低刺激的提示音），减少他们由于看不见交通信号灯而发生的交通意外。
对于色盲人群，他们无法正确辨别颜色，但是却可以识别形状。交通灯的形状是根据国内外的研究成果而设计的，相同的面积和不同的形状，其设计出的标志是有所区别的，同样其被分辨的程度也有很大不同。
对不同形状的标志牌面容易辨认的顺序是：三角形、正方形、圆形。锐角三角形的形状，虽然有不能容纳更多图像信息的缺点，但它是最引人注目和易于识别的，国内外都使用它作为一个警告标志。圆形识别性不好，但在同样条件下，在视觉上显得稍大，看得也更清楚；圆形在人的视觉中较同样面积的方形，约大十分之一；圆形很容易从周围其他带角的东西中区别开来，比如街上的物体，使人们能迅速做出判断，所以，“禁止”、“强制”意义的都用圆形标志。方形可利用面积大，有足够的空间写文字，画箭头的符号和图像，给人一种安全感，这样的方形符号所表达的就是提示意义。
根据以上分析，把红灯设计成三角形用以警示，黄灯设计成认同度高的圆形，而绿灯则设计成平和的四方形。这样的改进就可以照顾到色盲人群了，如图8所示。

图8 形状识别式红绿灯
3.3.2 SMI眼动仪的使用
改变形状后的红绿灯是否真的比不改形状的红绿灯更加引人注目？下面用SMI眼动仪对它进行分析对比。
实验用的两个视频除了红绿灯形状不一样外，其他均一样。邀请了十几位同学做试验观察两个视频，由于我们学校的实验器材限制，不能多个人同时测，所以只能一个一个地进行，最后将所有的数据进行汇总平均，得到大致情况。
（一）眼动仪使用步骤
（1）设备连接
A.将头盔的USB插口接入SMI眼动仪主机。
B.启动SMI眼动仪（笔记本）。
C.将右眼镜片插入眼部摄像机支架。
D.被试者戴上头盔。
（2）眼动调整
A.启动I ViewX程序。
B.调整支架位置（左右、上下），获得完整的眼睛图像，图像最好在画面正中。
C.调整眼部摄像头焦距，获得清晰的眼部图像。
D.让被试向左上、右上、左下、右下看，在这四个部位都有较好的视线捕捉效果（黑白十字交叉线清晰可见）。
E.调整场景摄像机位置和焦距，使定标所需范围清晰可见。
（3）眼动定标
眼动定标很重要，每一个人进行实验时都需要提前进行眼动定标，这是为了追踪到每个人的眼动轨迹，以方便后面实验的操作。
设置：在setup菜单中选Calibration，用5点定标，选上Audio Feedback on next point。
开始定标：在Calibration菜单中选start或按F5，也可以点击主面板上最左侧按钮开始定标。
5点定标过程如下：
a.计算机屏幕从中央开始，依次出现左上、右上、左下、右下五个位置提示
b.将激光笔按提示分别指到该位置附近
c.被试者看激光笔亮点所指位置
d.测试者用鼠标将红色十字线拖到激光笔亮点位置。这时红色十字线变成方框，测试者应快速按下F6或空格
e.当五个点的均定标结束时，即可开始实验记录
(4)数据记录
A．开始记录：可在Recording菜单开始，也可点击面板上的录制按钮
B．保存数据：可在file菜单中，保存数据或清除已记录的数据，只有执行了以上操作才可以继续记录
C．在setup菜单Hardware选项Advance中选择右眼进行追踪
(二)BeGaze软件分析
将两个已成功完成并能追踪其眼动轨迹的实验视频（同一个人测试的，前者为观察红绿灯形状没有改变的视频，后者为观察改变红绿灯形状的视频）导入BeGaze软件，表3为两个视频的基本信息情况，显而易见，两个视频均采用右眼观察,其fixation（注视点）、saccade（扫视点）、blink（眨眼）等事件均可以了解到，数据能够显示是同一个人测试，其眨眼频率几乎都相等。
表3 视频基本信息
形状不变的红绿灯
形状改变的红绿灯
Property
Value
Property
Value
Length
00:00:35:498
Length
00:00:36:818
Sampling rate
50HZ
Sampling rate
50HZ
Eyes
Right
Eyes
Right
续表3
Number of Samples
1778
Number of Samples
1844
Number of Fixations
51
Number of Fixations
32
Number of Saccades
42
Number of Saccades
25
Number of Blinks
32
Number of Blinks
31
Tracking Ratio
84.57%
Tracking Ratio
65.84%

（1）AOI Editor
点击AOI（Area Of Interest兴趣区域） Editor工具按钮，可在实验视频上编辑兴趣区域，每个兴趣区域可单独命名并选择对应的颜色，区域可用各种形状勾勒。
由于本次实验材料是动态视频，所以在设置每个兴趣区域的时候，都要根据实际情况设置某个时刻区域是否可见（通过Detailed Properties设置框中的Visible属性的True或者False更改），同时调节X4的step size，这样每当在视频窗口按右箭头，软件自动跳过相应的帧数，这样既能保证效率，又能保证视频兴趣区域和画面内容的重合程度。
将两个视频的兴趣区域都划分为五个部分，分别为叶片、太阳能、红绿灯、按钮和联动门，见图9所示。

图9 兴趣区域划分
（2）Scan Path
点击Scan Path（扫视路径图）工具按钮，点击播放按钮，软件将回放眼睛运动的路径和在每个位置停留的时间等，每个fixation事件采用一个圆圈代表，圆心就是凝视的位置，半径的大小表示时间长短，从中截取的一段如图10所示，具体情况可详见Scan Path视频。
从两个视频播放来看，很明显大家普遍关注形状改变的红绿灯多一些，因为扫描轨迹在此停留的时间要比最初的红绿灯长。

图10 Scan Path图
（3）Focus Map
同样点击Focus Map（注视图）工具按钮时，可以用注视图显示结果，眼睛注视过的地方就变得透明度高，没有注视过的地方透明度低，图11所示为红绿灯形状不改变的注视图，图12为红绿灯形状改变的注视图。

图11 形状不变的Focus Map图

图12 形状改变的Focus Map图
从两个focus map视频播放来看，明显形状改变的红绿灯呈现透明度的地方比形状不变的红绿灯多。由此可见，大家对改变形状后的红绿灯有更多的兴趣。
（4）KPI
在KP