臺灣引進平面輕軌號誌設計配合之探討

文 林胤宏

全文刊載於捷運技術半年刊第46期

 

一、前言

台灣傳統在進行道路工程與交通工程設計時,通常僅著重機動車輛之使用需求,目前唯一的路面大眾運輸工具-公車,絕大多數是與汽機車混合運行,較少有特殊設計考量。即使實施公車專用道之後,沿線之路口與號誌通常係沿用既有設計方式,僅在必要時,才透過新增時相及公車專用號誌燈頭的方式,將公車專用道車流,與其他汽機車車流作更有效率之區隔與管理。

 

當引進平面輕軌系統時,鋼輪鋼軌之輕軌電車在靜態與動態行駛方式,和傳統膠輪車輛之差異,若沒有事先加以預防處理,將可能導致潛在之安全衝突,因此既有以純機動車輛為主的道路設計與交通管理方法,在引進輕軌時將必須面臨調整,或是需要配合更細膩的設計手法,才能有效避免事故發生。因此在輕軌系統之先期規劃階段,就有必要先行檢討現行之相關法規與設計規範,以確保台灣未來平面輕軌完工通車之後,道路交通之安全與運作效率能獲得保障。

 

在規劃平面輕軌系統時,經常面臨以下的質疑:當輕軌電車行駛在台灣高機車混和比的道路上,可能會產生那些問題甚至事故?特別是台灣的用路人,不管是汽車、機車、自行車或行人,都沒有與平面輕軌一起共用道路空間的經驗,既有的道路設施與行車規範,必須作那些調整,才能避免事故的產生?

 

二、平面輕軌安全課題分析

實務上,平面輕軌電車可能行駛在混合路權(C型路權)或隔離路權(B型路權)軌道上,這兩種路權型式的主要差異,是在路段與其他車流的分隔方式。混合路權的軌道嵌入在道路鋪面中,允許輕軌以外的其他車輛行駛在輕軌車道上,而輕軌車道與鄰近車道之間,僅透過標線加以區隔,因此汽機車可以在輕軌車道及非輕軌車道之間變換車道。

 

相對地,隔離路權的軌道鋪設在輕軌專用車道上,透過抬高之地磚、道碴或草坪軌道,減少其他車輛行駛在該車道空間之可能性,並透過緣石、矮柱、柵欄、樹叢、或其他固定設施,將輕軌電車在路段的行駛空間,與其他車道之機動車輛完全隔離,因此非輕軌車輛在路口與路口之間,原則上是無法侵入隔離路權之輕軌車道的,即使在台灣高機車混和比的交通環境,也可達到類似的隔離效果。

 

根據美國有輕軌(或傳統路面電車)城市的營運經驗,所有與輕軌相關之事故中,92%發生在混合路權的路段上,但是這些路段僅佔所有平面輕軌軌道的38%【3】,因此混合路權相較於隔離路權,輕軌發生事故的機率降大幅增加。為了減少事故發生,歐洲國家在規劃新的平面輕軌系統,或在提升既有之路面電車系統時,均傾向採用隔離路權之型式,保留部分的道路空間,作為輕軌電車專屬之行駛空間。僅在必要的地區或路段,例如行人廣場、大眾運輸轉運廣場,才考慮採用混合路權之型式,而在這空間上與輕軌電車混合運行的,也限制為公車、行人、與必要之送貨車輛,儘可能避免一般機動車輛與輕軌電車混和行駛,此外再配合限制輕軌電車車速、確保穿越軌道處有足夠視距、利用鋪面區隔列車行駛範圍等方式,提升輕軌與其他用路人在這些空間混合運行時之安全。

 

隔離路權的輕軌軌道,依照現場狀況不同,可能設置在路中與路側。在都市內部,由於街廓密集、兩旁土地使用及交通活動頻繁,為了避免巷道車輛進出、路邊臨停上下車、裝卸貨、或是公車停靠等活動影響輕軌的行駛,或是密集的跨越軌道行為影響輕軌安全,隔離路權之輕軌軌道,一般多建議設置在道路中央【1】。

 

此外將隔離路權之軌道設置於道路中央,可以順勢封閉部分次要道路路口,減少輕軌與橫交道路車流之衝突、降低路口號誌對輕軌車流之干擾、也同時減少號誌相關設施之安裝與營運成本,讓輕軌在主要路口與主要路口之間,能夠更有效率且安全地運行。

 

但即使如此,輕軌在與橫交道路平面交叉之路口依舊無法避免可能發生的衝突,一方面由於機動車輛與輕軌電車在靜態與動態特性上的差異,再加上路口設站位置之影響,造成兩者在時相轉換過程所需的時間不同;二方面設置在道路中央的輕軌軌道,將增加多個與橫交及轉向車流的衝突點

 

 綜合上述之分析,平面輕軌若採用設置於道路中央之隔離路權軌道,將可有效降低與其他機動車輛發生衝突之機率。因此台灣在引進平面輕軌系統時,路段之衝突可以透過路權型式的選擇,及路中路側軌道的配置來減少事故風險,要特別研究處理的,是在平面道路交叉口安全的課題,本文研究對象,亦設定為設置於道路中央,且具有隔離路權之平面輕軌系統。

 

三、平面輕軌事故統計分析

從美國輕軌城市之事故類型統計可以看出輕軌主要的事故類型有三種:

-      輕軌與其前方轉向車輛之衝突

-      輕軌與其他車輛之衝突

-      輕軌與跨越軌道行人之衝突

 

其中輕軌與其前方轉向車輛衝突所佔之比例最高,例如在Baltimore佔86%,San Jose佔64%,其次是輕軌與其他車輛之衝突,再其次是與跨越軌道行人之衝突。

 

要避免台灣引進平面輕軌後也發生類似衝突,必須先分析這些衝突發生的背後原因,才能提出合理的改善方案。由於這類衝突屬於輕軌與其他運具之衝突,因此應該先分析輕軌與其他運具之差異,以及有輕軌運行環境,較於無輕軌運行環境有哪些變化,從這些差異與變化中去尋找出造成事故的原因,再提出有效的解決方案。


 

四、輕軌對號誌設計與交通工程設施影響分析

輕軌與機動車輛在靜態、動態、與駕駛行為之差異,以及設置路中隔離路權軌道之後,相較於之前純汽機車車流的路口環境,所造成之差異包括:

特殊的車輛尺寸

考量站立旅客之舒適與安全,所導致較低的列車加減速度

考量車站設置於路口進端或遠端,導致列車接近路口時,不同於機動車輛之初始速度與加減速率

因設置隔離路權軌道,所導致與橫交及轉向車流額外的潛在衝突

因實施優先號誌,所導致定時號誌時制運作受到擾動

 

這些差異對於路口號誌及交通工程設計之影響分析,詳細說明如下:

 

(一)列車長度

新型的輕軌電車多以「模組化」的概念進行設計,透過不同模組的組合,產生介於20至45公尺不同的基本列車長度。實務上較常採用三種典型的基本列車長,分別為:18至21公尺、30至35公尺、40至45公尺,透過連結多組的基本列車,可以進一步延長輕軌列車的總長度,德國的規範允許平面輕軌電車連結後之總長度最長為75公尺。【6

 

輕軌電車長度對號誌設計最主要之影響為時相轉換時「清道時間」的計算。設置清道時間之意義,在於讓黃燈最後一秒車頭才通過停止線之車輛,車身能夠安全地在衝突流動抵達之前離開衝突點。當控制輕軌電車的號誌,採用與一般機動車輛相同的公式與參數計算清道時間,可能發生輕軌電車在綠燈結束時清道時間不足的問題,因而影響接續進入路口車輛與行人的安全。但另一方面,若任意延長輕軌之清道時間,將可能導致時相轉換時,損失時間過多的問題,因而影響路口運作效率。

 

因此當台灣引進平面輕軌系統時,應該檢討現行清道時間之公式與參數,是否能繼續套用在輕軌車流,此外應該同時研究如何避免時相轉換之總時間長度,不會因為單一運具清道時間的延長,而導致整體路口運作效率降低。

 

(二)減速率

一般機動車輛的平均減速率可達到2.5 m/s2,緊急情況下只要鋪面與輪胎狀況允許,減速率可以達到4.0 m/s23】。相較之下輕軌電車的減速率設定值,是由旅客的舒適度來決定,當加減速率超過1.3 m/s2時,站立的旅客將明確感受到此變化甚至感到不舒適,因此正常營運狀況下,輕軌電車的加減速通常設定在0.9~1.3 m/s2之間,只有在緊急情況下,輕軌的減速率是由鋼輪與鋼軌的摩擦係數來決定,透過煞車系統之選擇,最大可達到2.75 m/s2。【3】機動車輛與輕軌電車在不同的速度下,因為不同的減速率所導致不同的煞車時間與距離,整理如表1所示。

 

表1 輕軌電車與機動車輛煞車時間與煞車距離比較表

速度變化 (km/h)

機動車輛 (a = 2,5 m/s2)

輕軌電車 (a = 1,0 m/s2)

煞車時間(s)

煞車距離 (m)

煞車時間 (s)

煞車距離 (m)

20 → 0

2,2

6,2

5,6

15,4

30 → 0

3,3

13,9

8,3

34,7

40 → 0

4,4

24,7

11,1

61,7

50 → 0

5,6

38,6

13,9

96,5

 

輕軌減速率對於號誌設計之主要影響為黃燈時間。若平面輕軌的黃燈時間比照現行機動車輛之參數進行設計,考量輕軌煞車所需的時間與距離較長,可能發生輕軌電車在綠燈結束時,無法及時安全煞停在停止線前方的情況,因此當台灣地區引進平面輕軌時,必須一併檢討此種特殊軌道交通工具的黃燈時間特性及需求。

 

(三)緊鄰路口的車站

當輕軌軌道設置在道路中央的隔離路權上時,考量旅客的可及性及穿越道路抵達車站的方便性,通常會將車站設置在緊鄰路口的位置【1】,並根據現場狀況不同,設置在路口的進端或遠端。當輕軌車站設置在路口遠端時,其行駛特性將類似於路口無設站的情況;若設置在路口近端,則其行駛特性根據德國設計規範,係在任何情況下均假設輕軌電車從靜止開始,以營運加速率加速至營運速度的過程中穿越路口【3】。

 

因此輕軌車站的存在與否,以及設置於路口近遠端,都將影響輕軌電車在時相轉換時之駛越時間(綠燈結束至車頭抵達停止線時間)、清道時間(車頭從停止線至車尾通過衝突點時間)、以及駛入時間(綠燈開始至抵達衝突點時間),目前台灣的設計規範,並無針對輕軌電車設站情況在這些時間的計算公式與參數,因此當台灣地區引進平面輕軌時,應該考慮加以檢討與補充。

 

(四)額外的衝突點

設置於道路中央的隔離輕軌軌道,在路口將可能與平行方向的左轉車流產生衝突,這些汽機車在左轉的過程,根據長久以來的駕駛習慣,通常只會將注意力集中在對向車流的空隙,或是路口遠端之左轉綠燈箭頭上,很少特別去注意左後方是否有來車。但是當引進平面輕軌之後,行駛在道路中間之輕軌電車,通常會跟平行方向直行的汽機車車流於同一個時相一起開放,這時如果左轉車流沒有透過左轉專用時相予以保護,將可能發生直行的輕軌電車與左轉汽機車的衝突。

 

但是即便如此,台灣長久以來的左轉駕駛習慣,是不管有無左轉專用時相,只要對向的直行車流有空隙,便馬上進行機會左轉,完全無視於直行車流之綠燈燈號為「圓形綠燈」或「直行加右轉箭頭綠燈」,此時若有一台輕軌正好要通過路口,將可能撞上正在左轉之汽車,即使該路口號誌有左轉專用時相的設計。因此如何透過號誌與交通工程設計,讓台灣的駕駛人明白區分「直行方向綠燈時能否左轉」之差異,將是台灣輕軌安全營運很重要之課題。

 

此外根據台灣行之有年的駕駛方式,左轉的汽機車當直行方向顯示為綠燈時,不管有無左轉保護時相,習慣先將車子開超過停止線,然後停等在路口中央之「左彎待轉區」上(不管有無劃設左彎待轉區標線),但是當平面輕軌設置在道路中央時,這個待轉區域將與軌道區域重疊,如果左轉汽機車駕駛依舊習慣將車子停等在這塊區域上,即使左轉汽車守法地等待左轉專用時相,仍然可能在等待的過程中被輕軌攔腰撞上。

 

另一方面,輕軌電車亦可能與橫交道路之車流產生衝突,特別是與橫交道路左轉的車流。這些左轉車流在沒有左轉專用時相或先行後行等保護時間設計的情況下,通常必須在路口中間等待對向車流的空隙機會左轉,然而這個停等的區域正好也是輕軌軌道經過的區域,當橫向車流的時相結束時,如果這些左轉的汽機車無法在輕軌進入路口時順利清空,將可能阻礙輕軌穿越路口,甚至被輕軌從側方撞上。

 

另一種潛在的衝突點,是行人跨越輕軌軌道的衝突。由於相較於汽機車,輕軌電車行經行人穿越道的頻率與次數較少,因此行人經常疏忽跨越軌道時的風險,特別是行經連續穿越車道與軌道的行人穿越道時,經常只注意跨越車道之風險,卻忘了跨越軌道之風險,因此必須透過適當的交通工程設施,提高行人穿越軌道時的注意力。

 

輕軌電車與汽機車潛在的衝突,可以透過時相的選擇、額外的清道時間、以及左轉駕駛行為的調整來事先加以避免,但是要調整駕駛行為,必須透過標誌、標線、號誌的調整,加上事先長期的宣導,才有可能讓大部分的汽機車駕駛瞭解並適應新的行車方式。因此台灣在引進平面輕軌系統之前,必須先檢討既有交通工程設施的設計方式,針對有輕軌通過的路口,進行必要的交通工程設施調整,但是調整的幅度又不能過大,避免台灣的駕駛無所適從,然後還要透過事先長期的宣導,告知駕駛者此類路口特殊的交通控制與行車方式。

 

(五)優先號誌

基本上,路口號誌設計會先以汽機車的車流續進作為主要考量,當某條道路設置輕軌之後,由於停靠站時間變化的影響,輕軌電車將無法與平行方向的汽機車一樣,持續停留在綠燈續進帶中,這時必須透過主動的號誌控制,例如延長輕軌號誌的綠燈時間、縮短輕軌號誌的紅燈時間、插入輕軌專用時相、或是調整時相順序等方式,來賦予輕軌優先通行權,此為一般所稱之優先號誌。

 

優先號誌的實施,不可避免地會對既有路口的車流運作產生影響,而且當輕軌班次越密集,或車流量越接近路口容量上限時,造成的擾動程度將越大。台灣許多路口,在尖峰時段都非常接近路口容量的上限,為了避免輕軌優先號誌變成阻塞交通的眾矢之的,必須透過車站站位的選擇、優先號誌控制邏輯的設定、限制輕軌取得優先權的條件、或是針對優先號誌本身的設計進行調整,以減少優先號誌運作對於車流的影響,但又不至於讓輕軌系統失去競爭力。

 

此外優先號誌在運作時,接近路口的輕軌電車會發出所謂「預告訊號」,讓路口號誌控制器有充裕的時間進行號誌時制的調整,為了增加控制器運作的彈性,預告訊號會儘可能地提早發出,根據國外的經驗,預告訊號一般在路口前方300至500公尺前發出,但這在台灣狹小的街廓幾乎很難實現,因此在不影響優先號誌功能的前提下,如何縮短預告訊號所需的距離,將是台灣在進行平面輕軌路口優先號誌設計,所要一併解決的課題。

 

輕軌電車對於號誌運作與路口設計產生的影響及背後原因整理如表2所示。

 

表2 輕軌特性及造成之影響

輕軌特性

造成影響

因應配合措施

較長的車身

清道時間不足(安全)

清道時間的計算公式與參數

時相轉換過長(效率)

調整時相轉換的結構

較小的加減速率

黃燈時間不足

研擬適合輕軌的黃燈時間

緊鄰路口的車站

不同的路口駛越時間、清道時間(與駛入時間)

綠燈介間時間的計算公式與參數

輕軌專用號誌

新增的路口衝突點

與轉向車輛衝突(傳統轉向駕駛方式)

號誌時相類型

號誌燈頭位置

號誌顯示燈號

輔助標誌與標線調整

行人跨越軌道注意力不足

軌道區域標示、警告標誌

號誌控制

優先號誌控制

降低路口整體效率

輕軌專用號誌

號誌控制邏輯與時間限制

 

五、結語

平面輕軌系統對於台灣而言是一種全新的交通工具,而且不同於專有路權之捷運系統,平面輕軌系統將行駛在既有之市區道路上,與公車、汽車、機車、自行車、與行人共用道路空間,因此除了軌道系統本身之課題外,還要處理與其他道路交通工具之界面問題,特別是與安全有關之課題。從美國輕軌之事故統計,可得知「交通安全」是輕軌運作非常重要的課題之一。

 

因此引進平面輕軌系統不光只是蓋一條「平面的捷運系統」而已,輕軌軌道沿線的道路設計、路口交通工程設計、路口號誌設計,都要重新加以檢討,這些或許不屬於傳統捷運系統建設必須處理的課題,但是一旦決定採用平面輕軌系統的技術型式,勢必將面臨這樣的挑戰。

 

綜合前面章節之分析,輕軌電車之安全可以透過路權型式的選擇、軌道位置的配置,來減少路段上與其他交通工具發生衝突之機率,但是在路口處,由於輕軌靜態與動態特性的特殊性,使得進行路口號誌設計與交通工程設計時,需要更細膩的設計考量。

 

本文依據輕軌的靜態與動態特性整理分析出號誌設計與交通工程設計需要檢討的項目,這些都是未來平面輕軌進入細部設計時,設計單位所必須處理的問題,而這些課題與台灣之特殊交通文化有關,引進國外之機電廠商或專業顧問,不見得能針對台灣之用路人特性、法規規範,提出具體可行之解決方案,因此這些課題有賴台灣之學術界與實務界進行本土化之研究,共同打造出讓輕軌與所有用路人安全行駛的交通環境。

 

參考文獻

1. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2003),“Empfehlungen für die Anlagen des öffentlichen Personennahverkehrs (EAÖ)”, FGSV 289

2. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (1993),“Empfehlungen für die Anlagen von Hauptverkehrsstraßen (EAHV 93)”, FGSV 286

3. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (1992),“Richtlinien für Lichtsignalanlagen – Lichtzeichenanlagen für den Straßenverkehr (RiLSA)”, FGSV 321

4. Joachim F. (2005), “Bahnwesen: Planung, Bau und Betrieb von Eisenbahn, S-, U-, Stadt- und Straßenbahnen”, Werner Verlag.

5. TransportationResearchBoard (1996) , “Integration of Light Rail Transit into City Streets”, TCRB Report #17, NationalAcademy Press

6. Verordnung über den Bau und Betrieb der Straßenbahnen (Straßenbahn-Bau- und Betriebsordnung – BOStrab) (1997)

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  • plymouth
  • 關於台北市公車專用道,除了設置於路中央,也有設置於快車道的最外側車道(前提是該路段有快慢車道分隔島),這種作法會不會比設置於路中央更好呢?我印象中南京東路公車專用道屬於這類型。

    目前台灣最有可能引進平面輕軌的就是高雄市,但可惜高雄市政府過去對於設置公車專用道抱持相當保守的態度,似乎沒有很完整或很豐富的公車專用道實務經驗,現在要從傳統公車直接跨到輕軌專用道,不得不令人擔心。
  • 設置在快車道最外側車道的優點,是避開了公車專用道/輕軌軌道與左轉車輛的動線衝突,不過卻增加了與切換快慢車道車輛的衝突。

    chumacher 於 2013/02/18 22:45 回覆

  • plymouth
  • 也就是說,不論專用道設置於路中央或快車道最外側車道,都會有車輛動線衝突,那就要看哪種車輛動線衝突比較好解決,以及安全性較高。
    若設置於快車道最外側車道(且該路段有快慢車道分隔島),快慢車道分隔島似乎可以作為車輛切換快慢車道時的緩衝或停等空間,這樣一來安全性就提高囉。
  • 理論上是這樣沒錯,不過實務上快慢車分隔島是否有足夠寬度放的下一台汽車、另外一側車道上的車流量,是否能夠讓切換車道的車輛順利匯入,而在它後方等待的其他車輛,會不會被迫塞在輕軌軌道上,這些都是設計上要考量的地方。

    chumacher 於 2013/03/10 22:27 回覆