混行非機(jī)動(dòng)車交通流基本參數(shù)研究

韓　慧

（上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院，上海 200125）

混行非機(jī)動(dòng)車交通流基本參數(shù)研究

韓慧

（上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院，上海 200125）

近年來，助動(dòng)車在中國城市出現(xiàn)并迅猛增長，多數(shù)城市助動(dòng)車出行量已超過自行車。文章基于實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，對(duì)車輛的路段速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，提出以交通流建模為目的的參數(shù)定義方法，建立了有設(shè)施隔離、不受交叉口影響情況下非機(jī)動(dòng)車流的速度-密度、速度-流量、流量-密度關(guān)系模型，并分析了參數(shù)之間的相互作用關(guān)系。研究結(jié)論可供后續(xù)非機(jī)動(dòng)車流特性和模型研究參考。

城市交通；自行車；助動(dòng)車；交通流模型

近年來助動(dòng)車在中國城市出現(xiàn)并迅猛增長，多數(shù)城市助動(dòng)車出行量已超過自行車［1］。現(xiàn)行交通管理辦法將助動(dòng)車歸為非機(jī)動(dòng)車，與自行車共享非機(jī)動(dòng)車道通行權(quán)，從而形成了一類新的、自行車與助動(dòng)車混行的非機(jī)動(dòng)車交通。

盡管助動(dòng)車自出現(xiàn)開始就被視為一種自行車的替代品，但是與自行車相比具有速度快、體積大、質(zhì)量大的特點(diǎn)，尤其是騎行速度差別顯著［2］。兩類運(yùn)行特征不同的交通工具構(gòu)成的混行非機(jī)動(dòng)車流特性不同于以往單純的自行車流。現(xiàn)行非機(jī)動(dòng)車流特性研究多數(shù)只針對(duì)自行車交通流，朱從坤等［3］研究了混合非機(jī)動(dòng)車車速與密度的相關(guān)性及關(guān)系模型，南天偉等［4］通過建模分析了車輛構(gòu)成比例對(duì)速度-密度、流量-密度的影響，針對(duì)混行非機(jī)動(dòng)車流參數(shù)的實(shí)地研究較少。本文通過實(shí)際調(diào)查，對(duì)混行非機(jī)動(dòng)車交通流基本參數(shù)進(jìn)行研究，完善混行非機(jī)動(dòng)車交通流理論，為后續(xù)非機(jī)動(dòng)車流特性和模型的研究提供技術(shù)支持。

1　交通流基本參數(shù)定義

非機(jī)動(dòng)車由于車型小巧，操控靈活，使其在行駛過程中具有橫向移動(dòng)靈活，穿插行駛的普遍特點(diǎn)，與機(jī)動(dòng)車有序的跟馳和換道行為極為不同。由于非機(jī)動(dòng)車流沒有車道的概念，在試圖研究非機(jī)動(dòng)車流流量、速度、密度的關(guān)系之前，重要的是對(duì)這些交通參數(shù)建立與其測量方法相關(guān)聯(lián)的定義。通過恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)采集方法，才能夠得到建模所需要的交通流特性參數(shù)，并有效反映車流交通特性。

1.1 基本參數(shù)

（1）流量

非機(jī)動(dòng)車流量定義為一定時(shí)間間隔內(nèi)通過觀測對(duì)象某一斷面的標(biāo)準(zhǔn)自行車數(shù)，將此標(biāo)準(zhǔn)車輛數(shù)除以時(shí)間間隔得到車輛流率，然后將流率除以設(shè)施有效寬度，即得到流量值。式中：q為非機(jī)動(dòng)車標(biāo)準(zhǔn)流量；n1為在總計(jì)時(shí)間間隔內(nèi)通過的自行車車輛數(shù)；n2為在總計(jì)時(shí)間間隔內(nèi)通過的助動(dòng)車車輛數(shù)；BE為助動(dòng)車換算系數(shù)［5］；W0為車道有效寬度，車道寬去掉兩側(cè)安全距離各0.25 m。

（2）速度

非機(jī)動(dòng)車流的平均速度取車輛的空間平均速度。假設(shè)在5 s內(nèi)通過了n1輛自行車和n2輛助動(dòng)車，n1輛自行車通過距離L的視頻統(tǒng)計(jì)幀數(shù)分別為n11，n12……n1n1，n2輛助動(dòng)車通過距離L的視頻統(tǒng)計(jì)幀數(shù)分別為n21，n22……n2n2。根據(jù)視頻設(shè)置中1幀=1/25 s，則這一組車輛的所有車輛空間平均車速為：式中：n1i為自行車通過標(biāo)線的視頻統(tǒng)計(jì)幀數(shù)；n2i為助動(dòng)車通過標(biāo)線的視頻統(tǒng)計(jì)幀數(shù)；L為觀測區(qū)間長度，取10 m。

（3）密度

由于非機(jī)動(dòng)車沒有車道的概念，定義非機(jī)動(dòng)車交通流面密度，即某一瞬間單位面積車道上的非機(jī)動(dòng)車車輛數(shù)?？紤]到測量時(shí)間間隔內(nèi)自行車與助動(dòng)車密度仍有一定的變化，本次研究統(tǒng)計(jì)測量時(shí)間間隔內(nèi)任意3個(gè)瞬間觀測對(duì)象區(qū)域內(nèi)的自行車與助動(dòng)車數(shù)，然后將這3個(gè)瞬間的平均車輛數(shù)除以觀測對(duì)象區(qū)域面積即得到密度值。

式中：n為在總計(jì)時(shí)間內(nèi)，讀取存在車輛數(shù)的畫面數(shù)；ki為第i個(gè)畫面上測定的區(qū)間內(nèi)存在的車輛數(shù)；L為觀測區(qū)間長度，10 m；BE為車道有效寬度，W0為車道寬去掉兩側(cè)安全距離各0.25 m。

1.2 確定統(tǒng)計(jì)間隔

非機(jī)動(dòng)車流受交叉口信號(hào)燈的影響較大，車流一定程度上隨信號(hào)燈周期呈現(xiàn)周期性的集團(tuán)特性。因此，確定合適的統(tǒng)計(jì)間隔，對(duì)于如實(shí)地反映參數(shù)間相互關(guān)系，進(jìn)而真實(shí)反映非機(jī)動(dòng)車流的交通流特性具有重要意義。如果統(tǒng)計(jì)間隔太短，流量的波動(dòng)性會(huì)變大，交通流穩(wěn)定性差；但如果統(tǒng)計(jì)間隔過長，密度水平會(huì)被“平均”掉，會(huì)掩蓋車輛聚集狀態(tài)的改變，不利于研究不同擁擠狀態(tài)下的交通流特征。因此，非機(jī)動(dòng)車交通流參數(shù)統(tǒng)計(jì)間隔Toptimal應(yīng)滿足如下公式［6］：式中：Tflow為流量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的最小統(tǒng)計(jì)間隔；Tdensity為車流聚集水平?jīng)]有發(fā)生顯著變化的最大統(tǒng)計(jì)間隔。

根據(jù)Tflow的定義，計(jì)算Tflow的方法如下［6］：

（1）初始統(tǒng)計(jì)間隔5 s，從5 s開始，并以5 s作為間隔增加的基本單位，比較2個(gè)相鄰統(tǒng)計(jì)間隔下非機(jī)動(dòng)車流量變化（絕對(duì)值）的均值X-，即分別計(jì)算

（2）設(shè)定流量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的閾值Fstable，即可接受的流量波動(dòng)范圍。這里分別取Fstable=90輛/（h·m）和100輛/（h·m），流量值為102數(shù)量級(jí)，這里認(rèn)為該閾值是可以接受的。

（3）利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的顯著性假設(shè)檢驗(yàn)方法，確定在何種統(tǒng)計(jì)間隔水平下，μ（i+5）-（i與樣本均值對(duì)應(yīng)， 為總體均值）已開始顯著小于Fstable。

（4）當(dāng)統(tǒng)計(jì)間隔大于上述確定的統(tǒng)計(jì)間隔時(shí)，可以認(rèn)為流量達(dá)到穩(wěn)定水平；反之，當(dāng)小于上述確定的統(tǒng)計(jì)間隔時(shí)，則認(rèn)為流量還不能滿足穩(wěn)定性要求。因此上述確定的統(tǒng)計(jì)間隔就是流量達(dá)到穩(wěn)定水平的最小統(tǒng)計(jì)間隔Tflow。

根據(jù)以上方法，采用數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)。當(dāng)取Fstable為90 輛/（h·m）時(shí)，流量達(dá)到穩(wěn)定水平的最小統(tǒng)計(jì)間隔Tflow為50 s（見表1）；同理可得，當(dāng)取Fstable為100 輛/（h·m）時(shí)，流量達(dá)到穩(wěn)定水平的最小統(tǒng)計(jì)間隔Tflow為40 s。

表1 假設(shè)檢驗(yàn)結(jié)果

采用類似的方法計(jì)算Tdensity。車流聚集水平?jīng)]有發(fā)生顯著變化的閾值取0.04輛/m2和0.05輛/m2時(shí)，最大統(tǒng)計(jì)間隔Tdensity分別為40 s和60 s。

根據(jù)Toptimal的確定原則，并結(jié)合Fstable和Dunchange的可接受量，本文選取40 s作為交通流參數(shù)的統(tǒng)計(jì)間隔。

2　車速統(tǒng)計(jì)分布

選取上海市武寧路、曹楊路和龍吳路3個(gè)地點(diǎn)作為混行非機(jī)動(dòng)車交通流觀測點(diǎn)。3條路均為主干道，有機(jī)非隔離設(shè)施，非機(jī)動(dòng)車交通量較大，能夠觀察到連續(xù)的非機(jī)動(dòng)車流。數(shù)據(jù)采集地點(diǎn)位于路中，采用視頻拍攝的方式采集數(shù)據(jù)，3條路助動(dòng)車比例分別為0.80、0.81和0.74。首先對(duì)自行車和助動(dòng)車的騎行速度進(jìn)行研究，根據(jù)上述基本參數(shù)的定義和提取方法，對(duì)自行車和助動(dòng)車的速度處理結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

武寧路、曹楊路和龍吳路3個(gè)路段自行車的平均運(yùn)行速度分別為16.38 km/h、18.85 km/h、14.65 km/h，曹楊路有一定下坡，自行車靠人力驅(qū)動(dòng)，下坡時(shí)自行車所需人力有所下降，因而自行車速度有所增加。3個(gè)路段助動(dòng)車速度差別不大，分別為23.83 km/h、25.40 km/h、23.09 km/h。可以認(rèn)為主干道有設(shè)施隔離情況下路段車輛速度無明顯差別，自行車平均運(yùn)行速度在16 km/h左右，助動(dòng)車平均運(yùn)行速度在23 km/h左右。

3　交通流參數(shù)關(guān)系模型

非機(jī)動(dòng)車流與機(jī)動(dòng)車流相比存在一定的差異，但都具有“流”的特性，且由于非機(jī)動(dòng)車的靈活性更大，與機(jī)動(dòng)車流相比，非機(jī)動(dòng)車流更具有“流”的特性。因此，建立非機(jī)動(dòng)車模型的時(shí)候，借鑒機(jī)動(dòng)車車流模型的研究成果是可行的。

為了探索有設(shè)施隔離情況下、不受交叉口影響的路段混行非機(jī)動(dòng)車道交通流參數(shù)關(guān)系，通過對(duì)武寧路、曹楊路、龍吳路交通流數(shù)據(jù)的調(diào)查和采集，得到40 s間隔內(nèi)的混行非機(jī)動(dòng)車交通流流量、速度、密度基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。參照機(jī)動(dòng)車典型交通流模型形式，對(duì)參數(shù)兩兩關(guān)系進(jìn)行擬合。

3.1 速度-密度

非機(jī)動(dòng)車數(shù)量增多，即密度增大的時(shí)候，車輛間距就會(huì)變小，車輛騎行者就要降低車速，因此速度隨著密度的增加而遞減。速度-密度關(guān)系是流-密-速關(guān)系中最簡單、最直觀的關(guān)系。

觀察混行非機(jī)動(dòng)車的速度-密度散點(diǎn)圖（圖1～圖3）可知，隨著混行密度增大，車輛速度有所下降但變化不顯著。密度的增大并沒有大大降低車輛的速度，而是降低了速度的離散性。對(duì)速度-密度的相關(guān)性進(jìn)行分析，混行密度小于等于0.07輛/m2時(shí)，速度和密度不相關(guān)，3條路速度-密度回歸模型采用分段函數(shù)的形式，表達(dá)式較為一致，自由流狀態(tài)下速度期望取平均速度，混行車流自由流速度為23 km/h左右，如表2所示。

圖1　混行非機(jī)動(dòng)車流速度-密度圖（武寧路）

圖2　混行非機(jī)動(dòng)車流速度-密度圖（曹楊路）

圖3　混行非機(jī)動(dòng)車流速度-密度圖（龍吳路）

表2 混行速度-密度（v-k）關(guān)系回歸結(jié)果

3.2 速度-流量

同速度-密度的關(guān)系，隨著混行流量增大，車輛速度有所下降但變化不顯著（見圖4～圖6）。由于沒有擁堵情況，車流速度和流量是單調(diào)遞減的關(guān)系。通過相關(guān)性分析可以看出，當(dāng)混行流量小于等于1 000輛/（h·m）時(shí)，速度和流量不相關(guān)。

圖4　混行非機(jī)動(dòng)車流速度-流量圖（武寧路）

圖5　混行非機(jī)動(dòng)車流速度-流量圖（曹楊路）

圖6　混行非機(jī)動(dòng)車流速度-流量圖（龍吳路）

3條路速度-流量回歸模型也采用分段函數(shù)的形式，表達(dá)式較為一致，自由流狀態(tài)下速度期望取平均速度，混行車流自由流速度為23 km/h左右，如表3所示。

3.3 流量-密度

同機(jī)動(dòng)車流流量-密度模型，在混行非機(jī)動(dòng)車流量為零時(shí)，密度也為零，所以模型經(jīng)過坐標(biāo)原點(diǎn)。非機(jī)動(dòng)車流很少出現(xiàn)擁堵的情況，在此次調(diào)查中，40 s內(nèi)最大的混行流量約為2 500 輛/（h·m-1），相應(yīng)的密度為0.189 輛/m2，可以認(rèn)為，有設(shè)施隔離情況下、不受交叉口影響的路段非機(jī)動(dòng)車流幾乎沒有堵塞密度，流量和密度呈單調(diào)遞增關(guān)系（見圖7～圖9）。

表3　混行速度-流量（v-q）關(guān)系回歸結(jié)果

圖7　混行非機(jī)動(dòng)車流流量-密度圖（武寧路）

圖8　混行非機(jī)動(dòng)車流流量-密度圖（曹楊路）

圖9 混行非機(jī)動(dòng)車流流量-密度圖（龍吳路）

觀測得到的混行非機(jī)動(dòng)車流密度區(qū)間為0～0.2 輛/m2，流流量區(qū)間為0～2 500 輛/（h·m）（曹楊路、龍吳路為2 000 輛/（h·m）），3條路流量-密度線性模型的R2均大于0.9，如表4所示。由模型擬合結(jié)果可以看出混行非機(jī)動(dòng)車流流量和密度呈極強(qiáng)的線性關(guān)系，流量隨密度的增大而增大。

表4　流量-密度（q-k）關(guān)系回歸結(jié)果

3.4 小結(jié)

對(duì)混行非機(jī)動(dòng)車交通流數(shù)關(guān)系模型得出以下結(jié)論：

（1）本文重點(diǎn)研究有設(shè)施隔離情況下、不受交叉口影響的路段混行非機(jī)動(dòng)車交通流參數(shù)關(guān)系，從數(shù)據(jù)和模型擬合結(jié)果看，不同路段交通流參數(shù)關(guān)系具有一致性。

（2）混行非機(jī)動(dòng)車流具備一般的交通流特性，但密度、流量、速度之間的關(guān)系與機(jī)動(dòng)車流有區(qū)別。由于非機(jī)動(dòng)車流壓縮性大，且很少出現(xiàn)擁擠的情況，路段行駛時(shí)不會(huì)出現(xiàn)類似機(jī)動(dòng)車速度-密度關(guān)系中堵塞密度下車速幾乎為零的狀態(tài)，路段車流速度-密度、速度-流量及流量-密度關(guān)系均是單調(diào)的。

（3）在自由流情況下，非機(jī)動(dòng)車輛速度的離散性較大，因此車流速度隨密度/流量的變化不顯著。認(rèn)為在自由流狀態(tài)下混行非機(jī)動(dòng)車的車速總是分布在某一期望車速附近且與密度/流量無關(guān)；隨著密度增加，車輛間相互干擾加劇，車速的離散程度降低，主要體現(xiàn)在助動(dòng)車速度有所下降。

（4）混行非機(jī)動(dòng)車流流量和密度呈極強(qiáng)的線性關(guān)系，模型經(jīng)過坐標(biāo)原點(diǎn)，流量隨密度的增大而增大。

4　結(jié)語

反映“流量-速度-密度”定量關(guān)系的交通流模型是分析非機(jī)動(dòng)車交通運(yùn)行狀態(tài)的技術(shù)基礎(chǔ)。本文從統(tǒng)計(jì)學(xué)和混行非機(jī)動(dòng)車交通行為特征出發(fā)，建立有設(shè)施隔離情況下非機(jī)動(dòng)車流的速度-密度、速度-流量、流量-密度關(guān)系模型。從數(shù)據(jù)和模型擬合結(jié)果看出，自由流情況下混行非機(jī)動(dòng)車流的速度總是分布在接近期望車速的范圍內(nèi)，且與密度/流量無關(guān)；隨著密度/流量的增大，助動(dòng)車速度有所下降；混行非機(jī)動(dòng)車流流量和密度呈單調(diào)遞增關(guān)系。

［1］中國城市交通發(fā)展報(bào)告［R］.住房和城鄉(xiāng)建設(shè)城市交通工程技術(shù)中心，中國城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［2］同濟(jì)大學(xué).上海市助（電）動(dòng)車發(fā)展政策［R］. 2012.

［3］朱從坤，池毓品.混合非機(jī)動(dòng)車交通流速度與密度的關(guān)系研究［J］.蘇州科技學(xué)院學(xué)報(bào)（工程技術(shù)版），2009（3）：26-29.

［4］南天偉，毛保華，陳志杰，等.基于元胞自動(dòng)機(jī)的城市混合非機(jī)動(dòng)車流特性模擬研究［J］.公路交通科技，2014，31（1）：104-109.

［5］Chen Xiaohong，Han Hui， Lin Bin. Developing Bicycle Equivalents for Mopeds in Shanghai， China［J］. In Transportation Research Record：Journal of the Transportation Research Board，2012，2317：60-67.

［6］葉建紅.行人交通行為與交通流特性研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2009.

Research on Characteristics of the Mixed Non-motorized Traffic Flow

Han Hui
（Shanghai Urban Construction Design & Research Institute， Shanghai 200125， China）

Recently， mopeds have been swarming with considerably fast growth in China. The trip amount of mopeds are larger than those of bicycles in many cities. Through the investigated field data， the running speeds of the vehicles were analyzed， and the traffic flow models of speed-density， speed-traffic flow and traffic flow-density of dedicated non-motorized lanes were built. The relations among traffic flow characteristics were analyzed. These findings could provide technology support for later studies. Key words: urban traffic; bicycle; moped; traffic flow model

U491.1+12

A

1672–9889（2015）05–0079–04

韓慧（1987-），女，遼寧大連人，助理工程師，主要從事交通規(guī)劃工作。

（2014-12-19）