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交通信号专业基础知识
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一,交通信号 概述
交通信号一般指 在道路上用来传送 交通管理 信息的光、电波、声音以及动作等。
道路交通常用的信号
有手势信号和灯光信号。
手势信号是由交通管理人员通过手臂动作显示的,灯光信号则是由道路交通信号灯
显示的。
交通信号的作用是分配给互相冲突的 交通流 以有效的通行权，使交通流运行安全和延迟最少。
历史
上第一个交通信号灯于 1868 年出现在 英国 的伦敦，它源于 铁路信号 ，是由绿灯与红灯构成的二色信号汽灯，
限于夜间使用。
1918 年美国 纽约 采用了世界上最早的红黄绿三色信号电气照明灯，后被世界各国普遍采用。
1968 年联合国 《道路交通和道路标志、信号协定 》，对各种信号灯的含义作了规定。
绿灯是通行信号，
面对绿灯的车辆可以直行、左转弯和右转弯，除非另有一种标志禁止某一种转向。
左右转弯车辆都必须让合法
地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通过。
红灯是禁行信号。
因为在可见光中红光的电磁波最长，
易于为人们在较远距离外辨认，为保证 交通安全 ，所以采用红灯为禁行信号。
面对红灯的车辆必须在交叉路
口的停车线后停车。
黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全
停车时，可以进入交叉路口。
在某种情况下，为了分离各种不同方向的交通流并对其提供独立的通行时间，可以用带箭头的灯来代替
普通的绿信号灯。
箭头信号灯有两种，一种是单独的绿箭头信号灯，面对这种信号灯的车辆只可沿着绿箭头所
指示的方向行驶；另一种是带红灯的绿箭头信号灯，面对这种信号灯的车辆在不妨碍那些合法地在人行横道上
行人和正在合法地通过交叉路口的车辆通行的情况下可以沿着箭头指示的方向行驶。
目前，安装在交叉路口的交通信号灯多为自动控制的信号灯，有的是固定周期，有的是变周期。
用信号
灯控制一个交叉口 通的方式叫点控制；将一条道路上几个交叉口的信号灯联系起来，协调运转，这种控制
交通的方式叫线控制；用计算机控制几条道路上的若干个交叉口的信号灯，使之协调运转，这种方式叫面
控制
交通信号是指在道路上向车辆和行人发出通行或停止的具有法律效力的灯色信息，主要分为指挥灯信
号、车道灯信号和人行横道灯信号 。
交通信号灯 是指由红色、黄色、绿色的灯色按顺序排列组合而成的显示
交通信号的装置 。
我国对交通信号灯的具体规定简述如下：
1）指挥灯信号：
①绿灯亮时，准许车辆、行人通行，但转弯车辆须不准妨碍直行的车辆和被放行的行人通行。
②黄灯亮时，不准车辆、行人通行，但已越过停止线的车辆和已进入人行横道的行人可以继续通行，在不
妨碍被放行的车辆和行人通行的情况下，右转弯的车辆和T 型路口右边无横道的直行车辆可以通行。
③红灯亮时，不准车辆、行人通行，车辆应停在停车线外。
右转弯的车辆和T 型路口右边无横道的直
行车辆，在不妨碍被放行车辆和行人通行的情况下，可以通行。
④绿色箭头灯亮时，准许车辆按箭头所示方向通行。
⑤黄灯闪烁时，车辆、行人须在确保安全的原则下通行；
2）车道灯信号：
车道灯信号是指绿色箭头和红色叉形灯；绿色箭头灯亮时，本车道准许车辆通行；红色叉形灯亮时，本
车道禁止车辆通行。
3）人行横道灯信号：
人行横道灯信号包括：
绿灯亮、绿灯闪烁和红灯亮。
绿灯亮时，准许行人通过人行横道；绿灯闪烁时，不准行人进入人行横道；红灯亮时，不准行人进入人
行横道。
二，交通信号控制 理论
交通信号控制 （Traffic Signal Control，TSC）是依据路网交通流数据，对交通信号进行初始化配时和
控制，同时根据实时交通流状况，实时调整配时方案，实现交通控制的优化。
交通控制从被控区域的最小
延误时间出发，获得最佳的配时方案，是系统化最优的思想。
为获得整个路口交通效益的最大，可采用两种方
法：
一是采用数学模型对交叉口各个方向的车辆到达作准确的预测，根据运筹学和最优化理论确定各个方向的
绿灯时间；二是采用智能控制的方法对交叉口进行控制。
由于城市交通系统具有随机性、模糊性、不确定性等
特点，很难对其建立数学模型。
计算机的出现和广泛应用促成了人工智能研究热潮的掀起，针对传统交通控制
系统的固有缺陷和局限性，许多学者把人工智能的实用技术相继推出并应用到交通控制领域。
以下内容为
交通信号控制领域专业词汇概念与解析：
1，信号相位
在空间上无法实现分离的地方（主要是在平面交叉口上），为了避免不同方向交通流之间的相互冲突，可
以通过在时间上给各个方向交通流分配相应的通行权。
例如，为了放行东西向的直行车流且同时避免南北向的
直行、左转车流与其发生冲突，可以通过启 亮东西 向的绿色直行箭头灯将路口的通行权赋予东西向直行车流，
启亮南北向的红灯消除南北向直行、左转车流对东西向直行车流通行的影响。
对于一组互不冲突的交通流同时获得通行权所对应的信号显示状态，我们将其称之为信号相位，简称为相
位。
可以看出，信号相位是根据交叉口通行权在一个周期内的更迭来划分的。
一个交通信号控制方案在一个
周期内有几个信号相位，则称该信号控制方案为几相位的信号控制。
图2-1 就是一个采用四相位信号控制
的控制方案。
一个路口采用几相位的信号控制应由该路口的实际交通流状况决定，十字路口通常采用
2～4 个信号相位。
如果相位 数设计 得太少，则不能有效地分配好路口通行权，路口容易出现交通混乱，交通
安全性下降；如果相位 数设计 得太多，虽然路口的交通次序与安全性得到了改善，但由于相位之间进行转换
时都会损失一部分通行时间，过多的相位数会导致路口的通行能力下降，延长司机在路口的等待时间。
第一相位第二相位第三相位第四相位
图 2-1 四相位信号控制方案实例
为了保证能够安全地从一个信号相位切换到另一个信号相位，通常需要在两个相邻的信号相位之间设置一
段过渡过程，例如对于图 2-1 所示的信号控制方案而言，从第一信号相位切换到第二信号相位，中间可能需
要设置东西向绿色直行箭头灯闪烁、东西向黄灯亮、路口所有方向红灯亮等过渡过程。
对于某一时刻，路口各
个方向各交通信号灯状态所组成的一组确定的灯色状态组合，称为控制步伐，不同的灯色状态组合对应不同的
控制步伐。
因此一个信号相位通常包含有一个主要控制步伐和若干个过渡性控制步伐。
控制步伐持续的时间称
为步长，一般而言主要控制步伐的步长由放行方向的交通量决定，过渡性控制步伐的步长取值为2～3 秒。
2，信号周期
信号周期是指信号灯色按设定的相位顺序显示一周所需的时间，即一个循环内各控制步伐的步长之和，用
C 表示。
信号周期是决定交通信号控制效果优劣的关键控制参数。
倘若信号周期取得太短，则难以保证各个方
向的车辆顺利通过路口，导致车辆在路口频繁停车、路口的利用率下降；倘若信号周期取得太长，则会导致司
机等待时间过长，大大增加车辆的延误时间。
一般而言，对于交通量较小、相位数较少的小型路口，信号周期
取值在 70 秒左右；对于交通量较大、相位数较多的大型路口，信号周期取值则在180 秒左右。
3，相位差
相位差又叫时差或绿时差，通常用 O 表示，相位差有绝对相位差和相对相位差之分。
1）绝对相位差
绝对相位差是指各个交叉口主干道协调方向的信号绿灯（红灯）的起点或终点相对于某一个交叉口（一般为
关键交叉口）主干道协调方向的信号绿灯（红灯）的起点或终点的时间之差，
2）相对相位差
相对相位差是指相邻交叉口主干道协调方向信号绿灯（红灯）的起点或终点之间的时间之差。
相位差是线控系统最重要的参数，它决定了系统运行的有效性。
在线控系统中，常常使用绝对相位差的概念，
即以一个主要路口的绿灯起始时间为基准，来确定其余路口的绿灯启亮时刻。
线控系统配时方案通常用时间—距
离图（亦称时距图）来描述。
4，绿信比 ，相位绿灯时间
绿信比是指一个信号周期内某信号相位的有效绿灯时间与信号周期的比值，用 λ 表示。
λ =
tEG
C
式中，tEG 表示有效绿灯时间。
某信号相位的有效绿灯时间是指将一个信号周期内该信号相位能够利用的通行时间折算为被理想利用时所对
应的绿灯时长。
有效绿灯时间与最大放行车流率（饱和流量）的乘积应等于通行时间内最多可以通过的车辆数。
有效绿灯时间等于绿灯时间与黄灯时间之和减去部分损失时间，也等于绿灯时间与前损失时间之差再加上后补偿
时间（后补偿时间等于黄灯时间减去后损失时间）。
tEG = tG + tY - tL = tG - tFL + tBC = tG - tFL + tY - tBL
式中，tG 表示绿灯时间；tY 表示黄灯时间；tL 表示部分损失时间；tFL 表示前损失时间；tBC 表示后补偿时间；
tBL 表示后损失时间。
绿信比是进行信号配时设计最关键的时间参数，它对于疏散交通流、减少车辆在交叉口的等待时间与停车次
数都起着举足轻重的作用。
某一信号相位的绿信比越大则越有利于该信号相位车辆的通行，但却不利于其它信号
相位车辆的通行，这是因为所有信号相位的绿信比之和必须小于 1。
5，绿灯 间隔 时间
绿灯间隔时间是指一个相位绿灯结束到下一相位绿灯开始的这中间一段时间间隔，用 I 表示。
设置绿灯间隔
时间主要是为了确保已通过停车线驶入路口的车辆，均能在下一相位的首车到达冲突点之前安全通过冲突点，驶
出交叉口。
绿灯间隔时间，即相位过渡时间，通常表现为黄灯时间或黄灯时间加上全红时间。
全红是指路口所有
方向均显示红色信号灯，全红时间是为了保证相位切换时不同方向行驶车辆不发生冲突、清除交叉口内剩余车辆
所用时间。
为了避免前一相位最后驶入路口的车辆与后一相位最先驶入路口的车辆在路口发生冲突，要求它们驶入路口
的时刻之间必须存在一个末首车辆实际时间间隔，这个时间间隔由基本间隔时间和附加路口腾空时间两部分构成。
其中，基本间隔时间是由车辆的差异性和运动特性决定的时间量，其大小一般取值为 2～3 秒；附加路口腾空时间
则是由路口特性决定的时间量，其大小大体上可以根据两股冲突车流分别从各自停车线到达同一冲突点所需行驶
时间差来确定。
在定时控制中，绿灯间隔时间可取为末首车辆实际时间间隔；而在感应控制中，如果在停车线前
埋设了检测线圈，则该线圈可以测量到前一相位最后车辆离开停车线与前一相位绿灯结束之间的时间差，从而可
以得到绿灯间隔的可压缩时间，因此此时的绿灯间隔时间可取为末首车辆实际时间间隔与绿灯间隔可压缩时间之
差，从而提高路口的通行能力。
6，损失时间 ，起动损失时间
损失时间是指由于交通安全及车流运行特性等原因，在相位可以通行的时间段内没有交通流运行或未被充分
利用的时间。
损失时间由前损失时间和后损失时间两部分组成。
前损失时间是指绿灯初期，由于排队车辆需要起
动加速、驶出率较低所造成的损失时间。
在绿灯初期车流量由小变大，由零逐渐上升到最大放行车流率。
后损失
时间是指绿灯时间结束时，黄灯期间停车线后的部分车辆已不许越过停车线所造成的损失时间。
后补偿时间是指
绿灯时间结束时，黄灯初期已越过停车线的车辆可以继续通行所带来的补偿时间。
后损失时间与后补偿时间之和
等于黄灯时间，恰恰也正反映了黄灯的过渡性与“两面性”。
在黄灯期间车流量由大变小，由最大放行车流率逐渐
下降到零。
损失时间等于绿灯显示时间与绿灯间隔时间之和减去有效绿灯时间，等于绿灯间隔时间与后补偿时间之差加
上前损失时间，也等于部分损失时间与全红时间之和。
l = tG + I - tEG = I - tBC + tFL = tG + I - （ G + tY - tL ）= tL + tR
式中，tR 表示全红时间。
对于一个信号周期而言，总的损失时间是指所有关键车流在其信号相位中的损失时间之和，用 L 表示。
而关
键车流是指那些能够对整个交叉口的通行能力和信号配时设计起决定作用的车流，即在一个信号相位中交通需求
最大的那股车流。
交叉口总的绿信比是指所有关键车流的绿信比之和，即所有关键车流的有效绿灯时间总和与信
号周期之比值，可以用公式表示：
n
k=1
k
=
C - L
C
利用图 2-2 可以直观地反映以上各时间参数及其相互关系。
损失时间
有效绿灯时间
后损失时间
前损失时间后补偿时间
时间
t0
t1 t2 t3 t4 t5
绿灯显示时间 绿灯间隔时间
图 2-2 获得通行权的车流在其相位期间通过交叉口的流量图示
图中，t0 对应绿灯启亮时刻，t2 对应放行车流率达到饱和流量的时刻，t3 对应黄灯启亮时刻，t5 对应红灯启
亮时刻。
在 t0 至 t2 时间段，即放行车流率未达到饱和流量期间，放行车流率曲线与时间轴围成的面积等于该时间
段内通过交叉口的车辆数，可以等效于以饱和流量放行时在 t1 至 t2 时间段内通过交叉口的车辆数，即等于以 t1
至 t2 为底、以饱和流量为高所构成的虚线框的面积，因此图中 t0 至 t1 的线段长为前损失时间。
类似可以推知 t3
至 t4 的线段长为后补偿时间，t4 至 t5 的线段长为后损失时间。
7，最短绿灯时 间
最短绿灯显示时间是指对各信号相位规定的最低绿灯时间限值，用 Gm 表示。
规定最短绿灯显示时间主要是为
了保证车辆行车安全。
如果绿灯信号持续时间过短，停车线后面已经起动并正在加速的车辆会来不及刹车或者使
得驾驶员不得不在缺乏思想准备的情况下来个急刹车，这都是相当危险的，很容易酿成交通事故。
在定时信号控制交叉口，需要根据历史交通量数据确定一个周期内可能到达的排队车辆数，从而决定最短绿
灯显示时间的长短；在感应式信号控制交叉口，则需要根据停车线与车辆检测器之间可以容纳的车辆数确定最短
绿灯显示时间的长短。
8，绿冲突
所谓 “绿冲突 ”是指信号控制路口不同交通流在绿灯放行期间产生的信号冲突。
交通流的“绿冲突 ”
给交叉口带来严重的安全隐患 。
因此， “绿冲突 ”检验是交叉口信号配时的安全保证。
通常，交通工程师在
做信号配时方案设计时，每次对一个信号相位绿信号的设置或调整都需要检查一遍是否与其他相位有冲突。
这
项工作随着信号相位的增多而变得愈加复杂，其中稍有不慎，便留下“绿冲突 ”的隐患。
因此，一个交叉
口的信号配时完成后通常需要由其他人检查，以尽可能避免 “绿冲突 ”。
9，全红状态
一些路口信号灯出现全红状态，主要为保证路口放行的车辆，在看到红灯后能平稳停下或全部驶离路口，而
其他方向车辆能够顺利起步通行，以避免部分闯黄灯车流和急于在变灯后第一时间通过的车辆互抢，发生碰撞事
故。
10，区域与子区
将区域控制下的路口按照交通负荷、邻近距离、交通流量流向之间的关系，把相邻的几个路口划分为一个
集合进行控制，这些路口周期长相等或成倍数关系， 一个子区要设置一个关键路口。
11，绿波
时
间
（S）
通过带宽B
通过带轨迹线
相位差OCB
相位差OC
ABCD
红灯绿灯
距离（m）
图 2-11 线控系统时间—距离图
图2-11中还给出了其它几个重要的概念：
1）通过带
在时间—距离图上画两条平行的车辆行驶轨迹线，并尽可能使两根轨迹分别靠近各交叉口该信号绿灯时间的
起点和终点，则两条轨迹线之间的空间称为通过带（或绿波带）。
无论在哪个交叉口，只要车辆在通过带内的时刻
机动车
备注
车型
换算系数
荷载及功率
小型载货汽车
1.0
载质量≤2 吨
中型载货汽车
1.5
2 吨<载质量≤7.0 吨
包括吊车
大型载货汽车
2.0
7 吨<载质量≤14 吨
特大型载货汽车
3.0
载质量>14 吨
拖挂车
3.0
包括半挂车、平板拖车
集装箱车
3.0
小型客车
1.0
额定座位≤19 座
大型客车
1.5
额定座位>19 座
到达，并以通过带速度行驶，就都可以顺利地通过各个交叉口。
2）通过带速度
通过带速度即车辆行驶轨迹的余切，它表示沿交通干道可以顺利通过各交叉口的车辆的平均行驶速度。
3）通过带宽度
上述两根平行轨迹纵坐标之差即为通过带宽度，它表示可供车辆使用以通过交叉口的时间。
12，交通流量
交通流量是指单位时间内到达道路某一截面的车辆或行人数量，用 q 表示。
到达交叉口的交通流量是指单位
时间内到达停车线的车辆数，其主要取决于交叉口上游的驶入交通流量，以及车流在路段上行驶的离散特性。
交
通流量通常随时间随机变化，且变化规律比较复杂，既包括规律性的变化，也包括非规律性的变化，换而言之，
交通流量在不同的时间段内将围绕某一平均值上下波动。
13，交通需求
单位时间内期望通过道路某一截面的车辆和行人数量。
14，小客车当量
以小客车为交通流量的基本计算单位。
为了准确地衡量交通量，使交通量具有可比性，必须分车型调
查，确定各车型间的关系，寻求其换算系数，把不同车型的交通量换算成标准车型的交通量，即交通当量。
表 1 交通量调查车型划分及车辆折算系数
摩托车
0.4-0.6
包括轻骑、载货摩托车及载货（
客）机动三轮车等
拖拉机
4.0
非机动车
车型
换算系数
包括人力三轮车、手推车
自行车
1
包括助动车
三轮车
3
畜力车
5
15，时间占有率
在观察时间内，车辆占有（行驶或停止）检测位置的时间与 总观察 时间的比例。
16，交叉路口饱和流量
饱和流量是指单位时间内车辆通过交叉口停车线的最大流量，即排队车辆加速到正常行驶速度时，单位时间
内通过停车线的稳定车流量，用 S 表示。
饱和流量取决于道路条件、车流状况以及配时方案，但与配时信号的长
短基本无关。
具体而言，影响道路饱和流量大小的道路条件主要有车道的宽度、车道的坡度，影响道路饱和流量
大小的车流状况主要有大车混入率、转弯车流的比率、车道的功能，影响道路饱和流量大小的配时方案主要指信
号相位的设置情况。
饱和流量值应尽量通过现场实地观测求得，但在某些情况下，尤其是在设计一个新的交叉口时，由于无法使
用实测的方法求得饱和流量值，此时可以使用一些公式或图表来近似求取道路的饱和流量值。
常用的计算方法有
韦伯斯特法、阿克塞立科法、折算系数法、停车线法、冲突点法等。
17，交叉路口通行能力
通行能力是指在现有道路条件和交通管制下，单位时间内一条道路或道路某一截面所能通过的最大车辆数，
用 Q 表示。
其中，“现有道路条件”主要是指道路的饱和流量，“交通管制”主要是指交叉口的绿信比配置，而
“能够接受的行车速度”对应于饱和流率。
通行能力与饱和流量、绿信比之间的关系可以用公式表示：
Q = S ⋅ λ = S ⋅
tEG
C
可以看出，交叉口各方向入口道的通行能力是随其绿信比的变化而变化的，是一个可以调节的参量，具有十
分重要的实际意义。
加大交叉口某信号相位的绿信比也就是加大该信号相位所对应的放行车道的通行能力，使其
在单位时间内能够通过更多数量的车辆，然而值得注意的是，某一信号相位绿信比的增加势必造成其它信号相位
绿信比的下降，从而导致其它信号相位所对应的放行车道的通行能力相应下降。
18，流量比
车道交通流量比是指道路的实际流量与饱和流量之比，用 y 表示。
y =
q
S
可以看出，车道交通流量比是一个几乎不随信号配时影响的交通参量，它在一定程度上反映了道路的拥挤状
况，是进行信号配时设计的一个重要依据。
临界车道组交通流量比又称相位交通流量比，是指某信号相位中车道交通流量比的最大值，即关键车流的交
通流量比。
将信号周期内所有相位所对应的关键车流的交通流量比累加，即为交叉口的总交通流量比，用 Y 表示。
交叉口的总交通流量比与临界车道组交通流量比是影响信号配时设计的两个重要因素，前者将决定信号周期大小
的选取，后者则决定各相位绿灯时间的合理分配。
19，饱和度
道路的饱和度是指道路的实际流量与通行能力之比，用 x 表示。
x =
q
Q
=
q C
y
λ
从上式可以看出，①当道路具有足够的通行能力即 Q > q 时，其饱和度 x < 1；当道路不具有足够的通行能
力即 Q ≤ q 时，其饱和度 x ≥ 1。
兼顾到路口通行效率与绿灯时间利用率，通常在交叉口的实际设计工作中为各条
道路设置相应的可以接受的最大饱和度限值，又称为饱和度实用限值，用 xp 表示。
饱和度实用限值一般设置在
0.9 左右。
实践表明，当饱和度保持在 0.8~0.9 之间时，交叉口可以获得较好的运行条件；当交叉口的饱和度接近
1 时，交叉口的实际通行条件将迅速恶化。
②加大交叉口某信号相位的绿信比也就是降低该信号相位所对应的放行
车道的饱和度。
当然，某一信号相位绿信比的增加势必造成其它信号相位绿信比的下降，从而将会导致其它信号
相位所对应的放行车道的饱和度相应上升。
因此，研究整个交叉口的总饱和度很关键。
20，交叉路口过饱和
交叉口的总饱和度是指饱和程度最高的相位所达到的饱和度值，而并非各相位饱和度之和，用 X 表示。
对于
某一确定的信号周期，当调节各个信号相位的绿信比使得各股关键车流具有相等的饱和度时，交叉口的总饱和度
将达到最小值，此时公式成立：
X = x1 =
y1
λ1
= x2 =
y2
λ2
= L = xn =
yn
λn
=
n
k=1
n
k=1
k
k
=
Y
C - L
C
式中，x1、x2、…xn 分别表示各关键车流的饱和度。
从交叉口总饱和度的定义可以推知，如果交叉口总的绿信
比小于交叉口的总交通流量比，则说明该交叉口的总饱和度必将大于 1，不具备足够的通行能力，也就是过饱和。
21，延误 时间
车辆的延误时间是指车辆在受阻情况下通过交叉口所需时间与正常行驶同样距离所需时间之差。
由于单位时间段内到达交叉口的车辆数和车辆到达交叉口的时间间隔是随机变化的，因此，在每个信号周期
内总有一部分车辆在到达交叉口停车线之前将受到红灯信号的阻滞，行驶速度降低，甚至被迫停车等待，并在等
候一段时间后通过起动加速，逐渐穿过交叉口。
图 2-3 描述了车辆在到达停车线前由于受到红灯信号的影响，逐
渐减速停车，并在等待一段时间后，加速起动通过交叉口的全过程。
行驶距离
V=VC
停车线位置附近
理想到达时间理想离开时间
V=VC
停驶延误时间
减速延误时间 加速延误时间
行驶时间
t1t2
t3
t4 t5 t6
图 2-3 交叉口受阻滞车辆的行驶时间－距离图示
图中，t1 对应车辆受红灯信号影响开始减速的时刻，t2 对应车辆若不受红灯信号影响正常行驶到停车位置的时刻，
t3 对应车辆经过减速实际行驶到停车位置的时刻，t4 对应车辆起动加速的时刻，t6 对应车辆加速到正常行驶速度
的时刻。
可以看出，在 t1 至 t3 时间段，车辆处于减速运动过程，t1 至 t2 线段长等于车辆以正常行驶速度从开始减
速的位置行驶到停车位置所需的时间，t2 至 t3 线段长即为车辆减速延误时间；在 t4 至 t6 时间段，车辆处于加速运
动过程，t5 至 t6 线段
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