日本の交通信号機
道路交通法第2条第1項第14号では。信号機を「電気により操作され、かつ、道路の交通に関し、灯火により交通整理等のための信号を表示する装置」と定義している。
設置者は都道府県公安委員会(以下、公安委員会)であり、交通の煩雑な交差点やその他交通の危険を防止するために必要な場所には信号機を設置しなければならない。公安委員会が他の者に信号機の設置又は管理を委任することができる。ここでいう「他の者」とは軌道を管理する軌道経営者や公安委員会が適当であると認める者に限る。
道路交通法第7条より、道路を通行する歩行者、又は自動車、原動機付自転車、軽車両、トロリーバス及び路面電車は信号機が表示する信号に従わなければならない。信号無視をした車両等の運転者は、3月以下の懲役又は5万円以下の罰金に処される。自動車または原動機付自転車の運転者が、赤色信号又はこれに相当する信号を殊更に無視し、よって交通事故を起こし人を死傷させた場合、危険運転致死傷罪に問われる場合がある。歩行者の場合は、2万円以下の罰金又は科料に処される。なお、道路工事の現場に設置されている交通整理用の信号機は、公安委員会または公安委員会の委任を受けた道路管理者が設置したものでなければ、信号の意味に従わなくても道路交通法による信号無視違反としての検挙はできない。
警察官や交通巡視員は手信号による交通整理を行うことができ、この場合特に必要がある場合は信号機の表示より手信号による指示の方を優先することができる。
交通信号機を制御するために用いられるパラメータは以下の3種類である。
サイクル長:信号表示が一巡する時間
青信号スプリット:各現示に割り当てられる時間または割合
オフセット:隣接する交差点どうしで系統制御するために、系統方向の各交差点における青の開始時間の差(秒数またはサイクル長に対する百分率)
信号の制御方式は、制御対象の信号交差点の関連性から以下の分類に分けられる。
点制御(地点制御) : 交差点単独で制御する。
線制御(路線制御) : 一連の隣接する交差点を相互に連動させて制御する。
面制御 : 面的に堀がる道路網に設置された複数の信号機を一括して制御する。
日本の信号制御は大きく分けてマクロ制御とミクロ制御に分けられている。前者(マクロ制御)は感知器によって収集・予測されたデータに基づきサイクル、スプリット、オフセットを制御する。後者(ミクロ制御)は感知器から得られたデータを処理したものと、マクロ制御で得られた各種のパラメータに基づき、事故の危険性などを考慮して各信号の表示時間を秒単位で制御している。
一方で、制御パラメータの設定(サイクル長、青信号スプリット、オフセット)から、以下の分類に分けられる。
定周期制御:時間帯に応じてあらかじめ信号制御のパラメータが設定されているもの。 一段周期制御:常時まったく同じ制御パラメータを用いて制御 プログラム多段周期制御:時間帯や曜日ごとにあらかじめ信号制御パラメータを設定して制御
交通感応制御 端末感応制御:車両感知器などの感知器を用いて制御するもの。
アームの形状は梁が2本の「平行アーム」、1本の「直線アーム」更に比較的古い世代のものに多いが「円弧アーム」などがある。アーム長や矢印灯が設置されている数などによって支持棒や補強金具の取付方法が異なってくる。信号交差点が連続する場合は誤認を防ぐため、手前の信号灯器のアームを短くして遠近法による錯覚を防ぐなど、設置上の配慮が必要とされる。
短いアームの信号機
アーム部がなく、信号柱に直接取り付けた信号機
長いアームの信号機
車両用信号機は左右に45度の光の発散角度を必要としており、それゆえに変形交差点などでは他の流入路などから誤認されるおそれがある。こうした誤認を防ぐためには「視角制限式信号灯器」が用いられる。この視角制限式信号灯器は、灯火表面のレンズなどで光の発散角度を狭めるようにこしらえたものや、横向きや筒形などのフードを取り付けた信号機、一般的なフードの代わりにルーバーなどの遮光板を付加した特殊なフードを取り付けた信号機などが存在する。そのほか、停止線の位置を見直す、側柱式の縦型灯器の設置なども検討する必要がある。
信号が設置された交差点が隣接する場合は可能な限り近接交差点相互の灯器の設置間隔を開ける必要がある。そして、下流側の交差点の灯器の取付角度を下向きに調整したり、距離視角制限用のルーバー付きフードを付けた信号機を設置したりしなければならない。
誤認防止に筒型フードを長く伸ばした信号機
誤認防止にルーバーを取り付けた信号機1
誤認防止にルーバーを取り付けた信号機2:角度を変えると灯火が見えなくなる
誤認防止のためレンズの発散角度を制限させたLED信号機1(2枚合成、上:赤、下:青)、角度を変えると正対する信号以外は灯火が見えなくなる
電球式の信号機は内面にプリズムを持つレンズと、回転放物面をなした反射鏡が一体化されたセミシールド型の構造であった。その焦点に電球のフィラメントを置くことで平行光線を得ることができ、さらにレンズが持つプリズムによって左右および下方に光を拡散させた。電球には白熱タングステン電球が用いられ、消費電力が60 Wと100 Wのものには「道路交通信号用電球」としてJIS規格が定められている。なお、道路交通信号用電球は家庭用電球と比べ振動に強く、家庭用電球の約12倍の12000時間もの寿命を持つ。この電球は約1年(9,000時間)を目安に交換される。
電球は最初は100 W(ワット)の白熱電球が用いられてきた。その後、オイルショックなどにより信号機にも省エネルギー化が必要となり、レンズの改良や電球の高効率化によって60 W(一部は70 W)の電球も用いられるようになった。この高効率化で生まれた電球がバンドミラー型交通信号用電球であり、1980年(昭和50年)に仕様化されている。光の輻射効率を向上させた電球であり、従来の30 %の電力削減となった。
全感応制御:全部の現示を感応式によって調整する制御 半感応制御:一部の現示を感応式によって調整する制御であり、感知があった時のみその方向に通行権を与えるものを「リコール式半感応制御」という 中央感応制御(交通応答制御):線制御・面制御される複数の交差点に対して、制御パラメータを変化させて制御させるもの。 プログラム選択制御:あらかじめ定められた有限個の制御パラメータを組み合わせプログラムから、車両感知器が得た情報に基づきそのときの交通状態に適するプログラムを選択する制御 プログラム形成制御:車両感知器が得た情報に基づきオンラインでパラメータや信号の切り替えを行うタイミングを決定する制御
交差点の流入部において、現示・車線別に単位時間あたりに停止線を通過できる最大の車両台数のことを「飽和交通流率」と呼ぶ。信号が青表示に変わった直後に車両が通過できる台数は飽和交通流率に達しないが、青表示に変わってから飽和交通流率に到達するまでの時間を「発進損失」と呼ぶ。そして黄表示に変わってから次の青表示に変わるまでの時間を「クリアランス損失」と称する。発進損失・クリアランス損失に該当せず、青表示で飽和交通流率で交通を捌ける時間を「有効青時間」となる。
なお、実際の交通需要(通常はその道路で想定されている時間あたりの交通量である「設計時間交通量」)を飽和交通流率で割った値を「需要率」と称する。この需要率の値は設計時間交通量を渋滞なく捌くために必要最小限の青時間スプリットとなる。「現示の需要率」は各信号現示での最大の需要率であり、現示の需要率の総和となる「交差点の需要率」となる。交差点の需要率は理論上、1.0を超えるとどのような信号制御でも設計時間交通量を捌くことが不可能であり、実際は現示切り替え時の損失時間を考慮して上限は0.7や0.8程度が上限として妥当となる。