トラフィック信号はどのように機能するか（2019年）

交通信号機はどのように機能するか？

大都市に住んでいるなら、あなたの最も一般的なフラストレーションの一つである交通渋滞について、かなり正確に推測できます。都市部での運転では、移動そのものが目的地よりも価値があることはめったにありません。ほとんどの場合、私たちはただ目的地に行きたいだけです。交通渋滞はフラストレーションの原因となるだけでなく、環境にも影響を与えます。アイドリングしているすべての車両は、大気質に影響を与えます。渋滞にはまり、長い車の列の後ろに座っていると、交通の悩みを解決する方法について考えを巡らせがちです。しかし、密集した都市部での交通管理は、数多くの相反する目標と課題を抱えた非常に複雑な問題です。それらの課題の中で最も基本的なものの一つは、車両、自転車、歩行者を含む複数の交通の流れが、安全に、そしてうまくいけば効率的に、互いの進路を横断する必要がある交差点で発生します。長年にわたり、誰が行くべきで誰が待つべきかを管理するために、単純な標識からロータリーまで、多くの方法を開発してきましたが、交差点で優先権を制御する最も一般的な方法の一つが交通信号機です。

都市と人間の解剖学の間には多くの良い類似性があり、道路も例外ではありません。高速道路は、大容量で単一の主要な目的地を持つ大動脈のようなものです。小さなコレクター道路は、容量は大きくないものの、すべての個々の家やビジネスに接続する毛細血管のようなものです。そして、その中間に、適切に名付けられた動脈道路があり、都市中心部を結ぶ中容量の接続です。ランプ、オーバーパス、アクセス道路の代わりに、動脈道路は地表交差点を使用し、一度に少数の交通の流れしか通過できません。これは、明白な理由から「中断された交通流」と呼ばれます。ほとんどの場合、これらの交差点が道路の最大スループットの限界となります。つまり、車線数を増やしたり、制限速度を上げたりしても、道路全体の容量には影響しません。安全にポイントAからポイントBまで移動できる車両の数を増やす唯一の方法は、交差点の効率を向上させることです。さらに、これらの交差点は、事故の大部分が発生する場所です。これらの理由から、交通技術者は、交差点の設計と、それを可能な限り安全かつ効率的にする方法について、多くの思考と分析を行っています。

交差点を通る交通の流れを制御すること、つまり優先権の割り当ては、非常に大きな課題であり、スペース、コスト、進入速度、サイクル時間、視距離、交通の種類と量、そして習慣、期待、反応時間などの人的要因を含む、数多くの相反する考慮事項の妥協をほぼ常に必要とします。交差点は厳密に標準化されている必要もあり、見慣れない交差点に来たときでも、車両と歩行者の注意深く混沌としたダンスにおける自分の役割をすでに知っている必要があります。スループットの観点からは、理想的な交差点は流れの中断を一切引き起こさないでしょうが、すべての都市ブロックにハイファイブインターチェンジを設置することはできません。一方、単純な標識は費用対効果が高く、追加のスペースを必要としませんが、交差点を通過するすべての車両に中断を引き起こすため、大量の交通量を処理できません。

交通信号機がこれほど人気がある理由がわかります。それらはすべての交通問題の万能薬ではありませんが、私たちが以前に議論した考慮事項の非常に良いバランスを提供します。比較的低コスト、最小限のスペース要件、そしていくつかの中断があるだけで大量の交通量を処理できることです。その最も単純な形態では、交通信号機は交差点の各車線に面した3つのライトのセットです。ライトが緑色のとき、その車線は横断する権利があります。ライトが赤色のとき、それらは権利がありません。琥珀色のライトは、信号が緑色から赤色に変わろうとしていることを警告します。この基本的な機能を超えて、交通信号機はあらゆる種類の状況に対応するために、数え切れないほどの複雑さを帯びることができます。米国の典型的な交差点を見て、それらがどのように機能するかを見てみましょう。

交差点への各アプローチには、車両が移動できる3つの方向があります。右折、直進、左折です。右折と直進は通常、単一の動きとしてグループ化されるため、典型的な四つ角交差点には8つの車両の動きと4つの歩行者の動きがあります。これらの動きは、交通信号のフェーズにグループ化できます。たとえば、反対側の進入路での左折の動きは、同時に競合なく進行できるため、単一のフェーズにグループ化できます。交通技術者は、リングアンドバリアダイアグラムを使用して、信号のさまざまなフェーズがどのように動作することが許可されているかをスケッチします。これは、例の交差点のリングアンドバリアダイアグラムです。最初のフェーズは主要道路の左折、次に主要道路の車両と歩行者の直進、交差点をクリアするための「バリア」、次にマイナー道路の左折、マイナー道路の車両と歩行者の直進、そして最後にサイクルが再び始まる前の別の「バリア」です。交通技術者は、さまざまな交差点構成と各動きの交通量を処理するために、無数のフェーズ配置を使用しています。保護左折と非保護左折のどちらを使用するかという単純な決定でさえ、かなりの分析と考慮が必要です。

もう一つの重要な決定は、各フェーズのシーケンスがどれくらいの時間持続するかということです。理想的には、緑色のライトは、赤色のライトの間に蓄積されたキューをクリアするのに十分な長さ持続するはずです。これは常に可能とは限りません。特に忙しい交差点のピーク時には。交差点が飽和しているこれらのケースでは、起動時間とクリアランス時間（交差点が最大限に活用されていない期間）を最小限に抑えるために、各フェーズの緑色のライトが延長される場合があります。琥珀色のライトは、ドライバーが警告を認識し、快適な速度で車両を減速させて停止するのに十分な長さ持続する必要があります。制限速度の10 mph（または16 km/h）あたり1秒というのが一般的な経験則ですが、交通技術者はアプローチの勾配やその他の地域の考慮事項も、黄色信号のタイミングを設定する際に考慮に入れます。北米のほとんどの場所では、黄色信号の全期間中に交差点に入ることが許可されています。これは、交差点をクリアするためにすべてのフェーズが赤信号になる時間が必要であることを意味します。このクリアランスインターバルは通常約1秒ですが、制限速度と交差点のサイズに基づいて調整される場合があります。

これまでのところ、設定されたタイミングシーケンスの信号についてのみ話してきましたが、今日のほとんどの交通信号はそれよりも洗練されています。アクチュエイテッド信号制御とは、外部からの入力を受け取り、その情報を使用して、その場でライトのタイミングとシーケンスに関する決定を下すことができる信号を指す用語です。これらのタイプの信号は、交通検出システムからのデータに依存しています。これらの検出器は、ビデオカメラやレーダーであることもありますが、最も一般的なのは、道路表面に埋め込まれた誘導ループセンサーです。これらは基本的に大型の金属探知機であり、車やトラックが存在するかどうかを測定するだけで、ループをトリガーするには小さすぎる自転車、スクーター、オートバイにとっては迷惑になることもあります。センサーの種類に関係なく、すべてが近くにある機器キャビネットにデータをフィードします。あなたは、その目的を理解せずに、これらのキャビネットを何百も見たことがあるでしょう。

このキャビネットの中には交通信号コントローラーがあり、基本的に検出器からの情報に基づいて、各ライトがいつ、どれくらいの時間持続するかを決定するようにプログラムされた単純なコンピューターです。アクチュエイテッド制御により、交通信号は交通負荷の変動を処理する上で、はるかに柔軟性があります。たとえば、近くの道路が閉鎖され、通常はそれほど高い需要がない信号に交通が迂回された場合、閉鎖前に再プログラムが必要になる可能性があります。アクチュエイテッド制御を備えたライトは、追加の交通量を検出し、それに応じてフェーズを調整します。コンサートやスポーツゲームのような特別なイベントも同様で、不規則なスケジュールで巨大な交通需要を生み出し、主要な観光地での季節的な交通量の変化も同様です。アクチュエイテッドシステムは、反対方向で誰も横断していないのに長い信号で待たされるのを防ぐこともできます。最後に、アクチュエイテッド制御は、特定の種類の車両と直接通信する赤外線または音響センサーのような特殊な検出器を使用して、緊急車両や公共交通機関に優先順位を与えることで役立ちます。

しかし、アクチュエイテッド制御が複雑さの終わりではありません。結局のところ、それは依然として各交差点を孤立したエンティティとして扱いますが、実際には各信号はより大きな交通ネットワークのコンポーネントです。そして、交通ネットワークの各コンポーネントは、システム内の他のコンポーネントに影響を与える可能性があり、時には大きな影響を与えます。主要道路上に並んで配置された2つの信号の古典的な例を考えてみましょう。一方の信号が緑色になっても、次の信号が緑色にならない場合、車が渋滞する可能性があります。十分に渋滞すると、交差点で複数のサイクルを通過することなく、その先のライトがクリアされるまで待つことになります。これは誰にとってもフラストレーションのたまる経験です。信号が意図せず、しかし大幅に、隣接する信号の容量を減らしています。この問題の解決策の一つは、信号協調です。これにより、ライトは自分の交差点で待っている交通量だけでなく、近くの信号の状態も考慮に入れることができます。これは、比較的マイナーだが頻繁な横断道路がある長いコリドーで非常に一般的な構成です。主要道路上の信号は、交通技術者がプラトゥーンと呼ぶ大きな車両グループが、中断なくコリドーをすべて通過できるようにタイミングが調整されています。このタイプの信号協調は、交差点を通過できる交通量を大幅に増やすことができますが、実際には、私道やビジネスのような他の交通中断源がない道路区間でのみ機能します。プラトゥーンが一緒にいられない場合、信号を協調させる利点のほとんどは失われます。

効率性の明らかな次のステップは、交通ネットワーク内のほとんどまたはすべての信号の協調です。これは、適応型信号制御技術（ASCT）の仕事です。適応型システムでは、個々のライトグループの代わりに、検出器からのすべての情報が中央システムにフィードされ、機械学習のような高度なアルゴリズムを使用して都市全体の交通流を最適化できます。これらのタイプのシステムは、渋滞を劇的に削減できますが、主要な都市部での実装は始まったばかりです。センサーがますます普及し、コンピューティングパワーが増加するにつれて、交通管理は土木技術者からソフトウェア開発者やデータサイエンティストへとゆっくりと確実に委ねられるかもしれません。しかし、それはASCTシステムが都市全体の信号を制御している場合、恐ろしい考えであるセキュリティ脅威に対してより脆弱になる可能性があることも意味します。

中央集権化とは完全に反対の側では、多くの人が自動運転車が交通管理における次の革命であると信じています。すべての車両が道路上の他のすべての車両と通信および調整できれば、中断された交通制御は最終的に過去のものになる可能性があります。しかし、あまり期待しすぎないでください。密集した都市部では、交通渋滞はしばしば自己制限的です。特にピーク時には、道路上にいる1人に対して、他の多くの人が仕事中または自宅で、外出する前に渋滞が解消されるのを待っています。この潜在的な需要は、容量が増加するとすぐに、より多くの交通量で満たされ、以前と同じレベルの渋滞に戻ることを意味します。現在または将来、どのように対応するにしても、交通は都市部における最大の課題の一つであり続け、交通信号はその解決策の一つであり続けるでしょう。ご訪問ありがとうございました。ご意見をお聞かせください！