306-自行车与助动车混行的交通流特性研究

自行车与助动车混行的交通流特性研究

林彬 陈小鸿 安康

【摘要】自行车与助动车混行的非机动车交通流特性研究对于非机动车交通设施的设计和管理至关重要。本文通过散点图分析和模型拟合的方法，分别研究了混行非机动车的流量-密度、速度-密度和速度-流量关系，并对其呈现相应关系的原因进行了分析，得出了对非机动车交通设计和管理有指导意义的结论。在中低密度条件下，混行非机动车交通流的流量随着密度的增加而增加，但较难达到设施的通行能力值，非机动车交通设施的设计应当基于所能达到的流量值和服务水平要求。同时，二者混行对于交通效率和交通安全都存在显著的影响，对助动车限速的严格实行十分必要。本文的研究成果还可为后续的混行非机动车交通流理论研究提供支持。

【关键词】自行车；助动车；流量-密度-速度关系；交通流特性

1.绪论

掌握基本的交通流特性对于交通系统的规划、设计和运行来说至关重要。对于交通流的定性或定量描述均能帮助我们更好地理解交通流的运行规律及其特征。关于机动车和行人交通流特性的研究，前人已经做了相当多的工作。目前，非机动车作为一种绿色的交通方式，已经在世界范围内得到了更多的关注。在中国，尽管私人小汽车保有量迅速增加，非机动车交通仍然是一种主要的出行方式（1）。然而，关于非机动车交通流的研究却严重滞后，尤其是对于自行车和助动车混行的非机动车交通流的研究。

自行车与助动车之间在尺寸、速度和动力性能等方面的差异，使得二者的混行存在很多问题，各城市对助动车的态度也褒贬不一。为了更好的理解自行车与助动车混行中的交通特性，对混行非机动车交通流特性的研究显得至关重要。本文旨在通过对混行非机动车交通流的流量-密度、速度-密度和速度-流量关系进行回归分析，从而得出其交通流特性，并对非机动车交通设施的设计和管理提出建议。

2.文献综述

关于机动车交通流特性的科学研究始于19世纪30年代（2），Greenshields则开创性地建立了流量-速度的关系模型（3）。至今，机动车交通流的基本公式已被广泛接受，如公式（Ⅰ）所示：

密度=流量/速度（Ⅰ）很多学者观测了以上参数，他们通过确定其中两个参数之间的关系（流量-密度，速度-密度或速度-流量），再运用公式（Ⅰ）求得第三个参数分别与这两个参数之间的关系式（4）。在关于俄亥俄州高速公路的交通流研究中，Greenshields提出速度-密度关系符合线性规律，由此，结合公式（Ⅰ）推导出速度-流量和流量-密度的关系。

关于行人交通流特性的研究始于19世纪60年代。大量的工作集中于行人交通流数据的

1

收集和行人交通流模型的建立。与机动车和行人交通流的流量-密度-速度关系相比，自行车与助动车混行的非机动车交通流的流量-密度-速度关系则很少受到关注。关于非机动车交通流的建模研究主要集中于单纯的自行车交通流以及自行车和机动车的混行交通流。

Miller及Ramey（5）利用等式（Ⅱ）所示的流量-密度-速度关系计算了自行车密度。

k=q/(1000u) （Ⅱ）其中，q表示流量（自行车/h/m），u表示平均速度（km/h），k表示密度（自行车/m2）。

彭锐（6）建立了一个全面的自行车交通流理论系统，并证明了自行车交通流参数之间的关系与基本的k=q/u的模型吻合。梁春岩（7）建立了自行车交通流的速度-密度模型：

u=16.2(1-k/0.65)，研究认为速度-流量和流量-密度关系可以通过机动车交通流的流量-密度-速度基本公式（公式（Ⅰ））获得。Gregory等人（8）通过一个可以反复生成观测数据的元胞自动机仿真模型发现，流量随着密度的增加呈现先增大后减小的规律，但并没有给出定量的关系式。贾斌等（9）通过调查混合自行车交通流（慢速自行车和快速自行车）获得了不同比例慢速自行车条件下的流量-密度关系，并指出混合自行车交通流的特性与混合机动车交通流特性的不同。Navin（10）利用自行车和助动车共用车道上的实地数据拟合出了自行车流量-密度关系的二次方程式，结果显示了自行车的通行能力为2400byc/h/m。Lv等人（11）采用数据回归分析的方法建立了混合交通流条件下（由自行车、摩托车、行人和机动车组成）的自行车速度-密度关系模型，其研究成果只适用于非拥挤的稳定自行车交通流。其研究发现自行车的速度随着密度的增大而增大，这与机动车交通流的规律迥然不同。Lv等人认为在密度较低时自行车骑行者能够自由骑行，此时的速度取决于骑行者的个体特性。当密度增加时，在速度更快的机动车交通和其他非机动车交通的共同作用下，自行车交通的速度增大。然而，Khan（12）并不认为低速交通工具的速度会随着混合非机动车交通密度的增大而增大。此外，关于城市道路上机动车和非机动车混行交通的建模在交通流模型领域也受到了很多关注（13）。

然而，随着助动车的迅速发展，传统的自行车交通流已经演变成复杂的混行非机动车交通流，而该类交通流的特征至今仍然没有得到量化的分析，且国外仅有的相关研究尚无法应用到国内的实际情况中去。因此，为了更好地理解混行非机动车交通流的特性，为交通政策的制定和交通设施的设计管理提供依据，有必要对混行非机动车交通流的建模展开研究。3.混行非机动车交通流建模

3.1.数据采集与处理

观测地点选在上海市武宁路（曹杨路-兰溪路）路段，武宁路是连接市区和郊区的一条重要交通走廊，在高峰小时承担了较大的交通流量，能够观察到连续的非机动车交通流。观测地点距离上游和下游交叉口均远于250米，可以认为观测范围内的非机动车交通流不受交叉口的影响。观测段非机动车道宽度为2.7米，且与人行道和机动车道间均有物理隔离，排除了行人和机动车的干扰。为保证数据处理的准确性和特征观测的可重复性，采用视频拍摄的方法采集数据，摄像机架设在路段的行人过街天桥上，后期从视频数据中提取需要的参数。

2.7m

10m

图1 非机动车交通流视频截图

本文主要从视频数据中提取了混行非机动车交通流的流量、密度和速度数据，初始统计间隔为5秒。通过合并相邻的统计间隔，可以得到10秒，15秒，20秒等不同统计间隔的交通流参数，通过SAS统计软件进行假设检验，确定适宜的统计间隔。适宜的统计间隔应当满足统计间隔内流量的波动性在可以接受的范围内，且统计间隔内的交通流密度未发生显著变化，本文确定的统计间隔为40秒。另外，在交通流参数的统计过程中，采用在同一地点研究得出的助动车相对于自行车的换算系数对流量参数进行了标准化（14），从而以自行车数量为单位规范的衡量混行非机动车交通量。

3.2.流量-密度-速度关系建模

机动车交通流的基本公式是由流体动力学得来的，并基于机动车交通流是一种同质交通流的假设。然而，由于自行车和助动车在尺寸、速度和动力性能方面的差异，自行车与助动车混行的交通流具有异质性，“流量=密度×速度”这一基本公式不再适用。为了保证模型

建立的有效性和准确性，本文分别对流量-密度、速度-密度和速度-流量的关系进行建模，并分别采用在机动车交通流研究中常用的线性方程、二次方程和对数方程进行拟合，再从中选择简单、达意且拟合度高的模型。

首先，本文对流量-密度关系进行了建模（见表1）。各模型F检验的P值均小于0.0001（<0.05），说明各模型均显著成立。各个模型的拟合度均较高，Adjusted R2在0.9左右。T

检验显示出各项系数均显著不等于0，这意味着流量与密度间存在密切的联系。其中，线性方程的拟合度最高，但考虑到流量不可能一直呈线性增长，本文选择了拟合度同样较高的二次方程来合理地表达流量-密度关系。

表1 流量-密度（Q-K）关系的回归结果

关系线性方程二次方程对数方程

F检验<.0001 <.0001 <.0001 Adjusted R2 0.9890 0.9640 0.8660

T检验截距 <.0001 <.0001 K <.0001 <.0001 <.0001 K2<.0001

模型Q=3.844K Q=-0.086+5.551K-6.992K2 LnQ=-2.469+14.255K

3