109 專技高考高等考試 交通工程技師 交通控制 考古題詳解

核心觀念

本題評量考生對於「半觸動號誌控制（Semi-Actuated Signal Control）」理論基礎、系統工程設計程序及微觀運作邏輯之掌握程度。

1. 半觸動號誌之定義與適用條件：

• 僅於「次要道路／服務道路」布設車輛偵測器（主要道路不設車輛偵測器，但可視需求設置行人穿越觸動按鈕）。
• 平時主要道路保持常綠（Recall to Major）；僅當次要道路有車輛被偵測器感應或行人觸動時，號誌才自主要道路抽換至次要道路。
• 適用於主要道路流量大、次要道路流量極低且抵達時間高度離散（隨機性高）之非對稱性路口。

2. 核心控制參數定義：

• 主要道路最小綠燈時間（$G_{min, \text{maj}}$）：確保主要道路車流穩定通過與行人基本穿越時間之保障門檻。在該時間耗盡前，即使次要道路有車觸動，亦不得中斷主要道路綠燈。
• 次要道路最初間隔／最小綠燈時間（$G_{min, \text{min}}$ / Initial Interval）：提供次要道路停等車隊第一輛車起動並通過路口所需之基本安全綠燈時間。
• 單車延伸時間（Unit Extension / Passage Time, $U$）：次要道路每續行通過一輛車時，號誌控制器所賦予之綠燈延長額度，並重置延伸計時器（Reset Timer）。
• 次要道路最大綠燈時間（$G_{max, \text{min}}$）：防止次要道路因連續車流不斷延長綠燈，導致主要道路嚴重延滯所設定之強制切換上限。
• 黃燈時間（$Y$）與全紅清道時間（$R_c$）：遵循《道路交通標誌標線號誌設置規則》（以命題當年民國 109 年法規為準）提供之安全防撞與清道間隔。

3. 綠燈終止機制：

• 間隔中斷（Gap-out）：次要道路相鄰兩車車頭時距大於單車延伸時間 $U$ 時，綠燈立即結束並轉為黃燈。
• 最大綠終止（Max-out）：次要道路車流密集且無足夠間隙，綠燈持續延長累計達到 $G_{max}$ 時，強制切斷次要道路綠燈。

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解題方法

本題為典型之「工程實務流程＋控制邏輯圖解」申論題，解題切入架構分為兩大部分：

1. 設計流程：依循標準交通控制工程生命週期，劃分為「交通調查與路口幾何分析」、「偵測器選型與布設設計」、「時相與控制架構規劃」、「控制時序參數計算與設定」、「控制器邏輯建置與連線」、「現場微調與驗證」等六大系統化階段，逐一闡述其工程實質內容。
2. 號誌運作機制與圖例：以時間軸為基準，使用時序狀態圖（Timing-State Diagram）對比「主要道路」、「次要道路車流抵達／偵測訊號」、「次要道路時序控制計時（Initial、Unit Extension、Gap-out、Max-out）」與「燈態轉換（綠、黃、全紅）」，展現車輛抵達如何觸動相序切換與終止綠燈。

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選項分析

本題為非選擇題（工程申論題），無選項分析。

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解題技巧

1. 切忌遺漏主要道路保障：說明次要道路觸動時，必須特別強調主要道路必須先滿足「最小綠燈時間（$G_{min, \text{maj}}$）」，才能轉入黃燈與全紅，否則會造成主要道路綠燈被瞬間切斷之行車危險。
2. 偵測器位置與延伸時間的聯立關係：單車延伸時間 $U$ 需配合偵測器至停止線之距離 $D$ 及設計速率 $V$ 訂定，公式為 $U \ge \frac{D}{V}$，以避免發生非預期的間隔中斷（Premature Gap-out）。
3. 圖例清晰繪製三要素：圖面務必明確標繪出：(1) 車輛感應脈衝（Pulse）；(2) 延伸時間倒數重置曲線；(3) 間隔中斷（Gap-out）與最大綠終止（Max-out）兩種不同情境之斷點。

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【答案】

一、半觸動號誌控制之設計流程

半觸動號誌之規劃與設計應遵循以下六大標準工程程序：

[步驟一：資料蒐集與現況分析] 
 ↓
[步驟二：偵測器型式選擇與位置布設]
 ↓
[步驟三：號誌時相與運作模式選定]
 ↓
[步驟四：各項控制時序參數計算]
 ↓
[步驟五：控制器邏輯組態建置與上線]
 ↓
[步驟六：現場觀測、校正與微調]

1. 資料蒐集與現況分析

• 交通量調查：調查主、次要道路各轉向之尖峰與離峰小時車流量、轉向比例、車型組成。
• 車速調查：測定主、次要道路之自由行車速率（通常採第 85 百分位車速 $V_{85}$），作為後續煞車距離、兩難區防護與偵測器布設距離之依據。
• 幾何與行人環境調查：記錄路口路幅寬度、車道數、視線死角及行人穿越需求量。

2. 偵測器型式選擇與布設設計

• 偵測器型式：依維護條件選用微波、影像或感應線圈（Loop Detector）。
• 感應模式：
• 次要道路停止線附近通常設為「存在模式（Presence Mode）」，以利偵測停等車隊。
• 若採進口道上游預先感應，則設為「脈衝模式（Pulse Mode）」，並依進口設計車速決定布設距離 $D$。
• 安全距離：布設位置須考量兩難區（Dilemma Zone）消除，確保車輛在偵測點觸動後能安全通行或煞停。

3. 號誌時相與運作模式選定

• 時相規劃：一般採二時相設計（時相 A：主要道路直行與右轉；時相 B：次要道路通行）。
• 常態設定：設定「主線常態回復模式（Major Street Recall）」，無次線車輛時號誌永久鎖定於主線綠燈。
• 記憶模式（Detector Memory）：
• 鎖定記憶（Locking Memory）：次線車輛觸動一次即記憶該呼叫，即便該車違規右轉離去，號誌仍會如期切換服務。
• 非鎖定記憶（Non-locking Memory）：搭配長形線圈（Presence），車輛離去後自動取消呼叫，適用於允許紅燈右轉或轉向車流偏多之路口。

核心觀念

本題考查時空圖中的車流衝擊波。衝擊波不是單一車輛的行駛軌跡，而是車流狀態改變時，兩種交通流狀態交界面的移動軌跡。例如號誌由綠燈轉紅燈後，車輛減速、排隊，車流密度與流量隨之改變，狀態交界便會沿道路傳播。

在時空圖中，通常以縱軸表示位置 $x$、橫軸表示時間 $t$；單一車輛軌跡的斜率代表車速，衝擊波線的斜率則代表波速。

衝擊波的界定與波速公式

設兩個均勻車流狀態分別為 1、2，其流量為 $q_1、q_2$，密度為 $k_1、k_2$。兩狀態交界的移動速度，也就是衝擊波速度，為

$$w=\frac{q_2-q_1}{k_2-k_1}$$

其中 $q$ 的單位常用車／小時，$k$ 的單位常用車／公里，故 $w$ 的單位為公里／小時。正值表示波向下游移動；負值表示波向上游移動。若 $k_1=k_2$，則兩狀態密度相同，不能直接使用此式判定有限波速。

時空圖與常見衝擊波類別

以下以橫軸時間 $t$、縱軸位置 $x$ 示意；斜線表示狀態交界的傳播軌跡，線旁標示波速方向。

位置 x
 ↑
 │ ↗ 下游傳播（w > 0）
 │ /
 │──────────●──────── 交界形成點
 │ /
 │ ↙ 上游傳播（w < 0）
 └──────────────────→ 時間 t

教材常依衝擊波兩側的車流狀態，將其分類如下：

1. 形成波（Formation shock wave）：下游車流較壅塞，車輛進入壅塞區而減速，密度上升、流量下降；波通常向上游傳播，車隊尾端因而向上游延伸。
2. 消散波（Recovery／Discharge shock wave）：車輛離開壅塞區或排隊開始消散，後方車流恢復行進；波通常向上游傳播，排隊尾端往停止線方向移動，排隊長度縮短。

核心觀念

可接受間距併入控制（gap-acceptance merge control）的目的，是讓匝道車輛在主線車流中出現足夠安全間距時進入主線，減少匝道車輛與主線車流交織時的衝突。系統依主線間距是否達到設定門檻放行匝道車輛，因此放行率會隨主線可接受間距的出現頻率變化，不採固定週期或固定放行率。

本題所稱「儀控率」，可依匝道儀控的通常用語解作匝道放行率（metering rate），即單位時間內放行進入主線的匝道車輛數，常以輛／小時表示。

硬體設施與佈設方式

1. 主線間距與速度偵測器 設於匝道匯入區上游、匝道車輛欲併入的主線車道，偵測器應能取得主線車輛通過時間、車速及車間間距。若匯入判斷涉及多個車道，偵測範圍須能反映實際併入車道的車流狀況。偵測器位置應留有足夠距離，使系統能辨識間距並及時控制匝道號誌。

2. 匝道停等線需求偵測器 設於匝道號誌停等線附近，偵測是否有車輛等待放行。當匝道有車輛需求且主線出現可接受間距時，控制器才啟動放行。

3. 匝道通過偵測器 設於停等線下游或放行後的匝道位置，用以確認車輛已通過號誌，供控制器結束本次放行並準備服務下一輛車。

4. 匝道號誌與控制器 號誌設於駕駛人容易辨識、且能安全停車的位置；控制器接收主線與匝道偵測器資料，依可接受間距條件控制號誌。典型操作為車輛停等時顯示紅燈，遇到符合條件的主線間距時放行匝道車輛。

5. 匝道排隊偵測器 視匝道長度及上游道路條件，設於停等線上游必要位置，監測排隊是否接近匝道容量或回堵至平面道路。偵測到排隊過長時，可調整控制設定，以降低對鄰近平面道路的影響。

6. 警告標誌及必要的車道標線 設於匝道入口或接近控制區的適當位置，提醒駕駛人前方有匝道號誌及停等管制；標線須清楚引導車輛停等、起步及併入主線。

主要考慮因素

• 主線交通狀況： 車速、流量、車間間距及車流變化。主線車流愈密，符合安全條件的間距通常愈少，匝道車輛可放行的機會也會減少。
• 間距判定條件： 系統需設定可接受間距門檻，並依偵測器取得的車速與車輛通過時間判斷主線間距是否足以供匝道車輛併入。

核心觀念

本題考查相鄰號誌路口的號誌連鎖設計。連鎖是把兩個以上路口的號誌時制協調起來，讓車隊通過上游路口後，抵達下游路口時能遇到適當的綠燈，形成幹道車流的續進，也就是俗稱的「綠波」。

連鎖的重點不只是讓兩個路口同時亮綠燈，而是調整各路口的週期、綠燈時間分配與時差，使車隊能在號誌條件允許下連續行駛，同時兼顧支道、轉向車流與行人需求。

解題方法

可依序從設計目標、主要考慮變數、限制條件作答。先說明連鎖欲改善的交通績效，再列出必須調整的時制參數，最後交代這些參數受到的交通與安全限制。

一、設計目標

1. 提高幹道車流續進程度：使車隊通過上游路口後，於下游路口綠燈期間抵達並通過。
2. 降低延滯與停車次數：減少幹道車輛遇紅燈停等所造成的旅行時間與停車延滯。
3. 提高幹道通行效率與服務水準：在路口容量與號誌安全條件允許下，改善幹道交通運作。
4. 兼顧整體路網需求：避免只追求幹道綠波，卻使支道延滯、排隊或回堵過度增加。

兩路口的協調效果可用「綠燈帶寬」描述，即在一個週期內，幹道車隊可以連續通過各路口的時間範圍。帶寬愈大，代表可供車隊續進通過的時間愈長。

二、主要考慮變數

1. 週期長度 $C$：相鄰路口宜採共同週期，或採可相互整合的週期，才能維持穩定協調。
2. 時差（offset）：指相鄰路口參考時點之間的時間差，通常以指定方向的綠燈起始時點作為基準。時差決定車隊抵達下游路口時，該路口處於週期中的哪個位置。
3. 綠燈時間與時比：各時相的綠燈時間分配會影響幹道綠燈帶寬，也須滿足支道及轉向交通需求。
4. 時相順序與相位安排：兩路口的幹道通行時相必須能互相配合；若時相順序不同，可能縮小甚至破壞續進時段。
5. 協調方向與行車速度：須確認連鎖主要服務的方向，以及設計車隊的行駛速度。雙向車流需求相近時，須同時考量兩方向的續進效果。
6. 路口間距與旅行時間：理想情況下，時差應配合車輛由上游路口行駛至下游路口所需的時間。若路口間距為 $L$，協調速度為 $v$，估計旅行時間為

$$t=\frac{L}{v}$$