以提高服務水平為目標的自行車網(wǎng)絡參數(shù)優(yōu)化

王振報，胡亦清，馬利霞

(1.河北工程大學 建筑與藝術學院，河北 邯鄲 056038；2.河北工程大學 邯鄲市建筑物理環(huán)境與地域建筑保護技術重點實驗室，河北 邯鄲 056038；3.邯鄲市規(guī)劃設計院，河北 邯鄲 056008)

在交通機動化迅速發(fā)展的背景下，未來的城市交通規(guī)劃應轉向安全、綠色、公平、高效的價值理念，遵循以人為本和可持續(xù)的發(fā)展原則，城市綜合交通資源應優(yōu)先向集約、綠色交通配置[1]。近年來，各國開始探索使自行車重新成為居民主流交通方式之一的城市規(guī)劃設計方法。我國正處于歷史的十字路口，快速城市化進程中，應吸取西方城市因無序城市建設的經(jīng)驗教訓，近年來上海、杭州、北京、深圳、廈門等中大型城市相繼建設慢行廊道[2-5]。對于交通網(wǎng)絡結構優(yōu)化方面，主要集中在公共交通領域，例如Hugo Badia[6-7]、Daganzo[8]、王振報[9]等人通過交通模擬計算路網(wǎng)結構的形式、大小，但較少關注自行車道路網(wǎng)絡的布局優(yōu)化問題。彼得[10]提出通過創(chuàng)建密集的街道網(wǎng)絡形成人本尺度開放街區(qū)，和街道設計優(yōu)先考慮自行車出行的安全與便利的開發(fā)原則以及實施方案。開放街區(qū)成為城市規(guī)劃工作的熱點，關注自行車和行人的出行體驗將更有利于落實綠色交通優(yōu)先的策略。本文以自行車網(wǎng)絡為研究對象，探究其設計參數(shù)對服務水平的影響，并給出特定城市路網(wǎng)結構下的設計參數(shù)優(yōu)化建議值。

1 數(shù)據(jù)收集與模型建構方法

1.1 服務水平評估模型

傳統(tǒng)的四階段模型在交通需求預測中得到了廣泛地應用，本文在Cube軟件中設計程序模組對出行需求進行仿真模擬分析，重點考察在不同出行OD分布水平的基礎上，自行車道間距和自行車道寬度對騎行網(wǎng)絡服務水平的影響。首先，將城市區(qū)域劃分為一定數(shù)量的交通小區(qū)，現(xiàn)狀人口數(shù)量和用地狀況已知，依據(jù)設定的出行生成模型可得各小區(qū)不同出行目的下的發(fā)生吸引數(shù)據(jù)；各交通區(qū)之間的出行分布采用重力模型計算；通過logit方式選擇模型可得小區(qū)間自行車出行OD矩陣；最后，利用Cube軟件將自行車流量分配在道路網(wǎng)絡上，自行車出行交通分配的流程圖如圖1所示。

交通分配利用容量限制增量加載分配方法，該方法重點考慮路段通行能力限制，采用動態(tài)模型循環(huán)修正交通流量分布情況。進行交通分配時，需要設定路段自由流速度和路段通行能力等參數(shù)，結合自行車流路段路阻函數(shù)模型參數(shù)標定結果，即可得出路段流量和飽和度等輸出結果。自行車路阻函數(shù)是指路段行駛時間與路段交通負荷之間的函數(shù)關系，路段流量越大，自行車行駛速度越慢，行程時間越長。

自行車路阻函數(shù)關系式[11]為

tmn/t0=101.67log(V/C)-0.034+1

(1)

t0=D/v0

(2)

式中，tmn為自行車在路段mn上的行駛時間；t0為路段自由流行駛時間；D為路段長度；v0路段自由流速度；V/C為自行車車道路飽和度，通常簡稱為自行車VC比，其中，V為分配的自行車交通流量，C為自行車通行能力。

1.2 服務水平測度

服務水平以自行車道上的運行時間、速度和交通量與基本通行能力之比綜合反映道路的服務質(zhì)量。包含出行總時間、騎行速度、道路飽和度VC比三個指標值。其中出行總時間為表征路網(wǎng)的效率指標，騎行速度、道路飽和度可反映與騎行感受相關的道路通暢程度，車速高、流量低、道路飽和度低，則行駛通暢。

出行總時間是指該區(qū)域所有居民在小區(qū)之間出行的行程時間總和，假設共有81個交通小區(qū)，則出行總時間T表示為

(3)

式中，dij為交通小區(qū)i和j之間的出行分布量；tij為i和j小區(qū)間出行時間，由Cube軟件交通分配后得出各小區(qū)之間的出行時間。

因處于不同位置的路段速度值、道路飽和度值差異較大，單個路段的平均速度、平均道路飽和度等平均指標不能很好地反映整體路網(wǎng)的服務水平，所以采用基尼系數(shù)方法測度路網(wǎng)的均衡性?；嵯禂?shù)最初用于測度收入的平等性，現(xiàn)今已在經(jīng)濟、社會等其他領域得到廣泛運用[12]。它以洛倫茲曲線為計算基礎，基尼系數(shù)G表示為圖上45度平等線與洛倫茲曲線之間的區(qū)域面積和45度平等線以下區(qū)域面積的比值，取0～1之間的數(shù)值，數(shù)值越小，洛倫茲曲線弧度越小，分配越均衡。圖2分別以累積的速度值、道路飽和度占比作為縱坐標，橫坐標為累積路段數(shù)占比來表示路段速度和VC比的洛倫茲曲線。

基尼系數(shù)計算的表達式為

(4)

(5)

式中，Gv為速度的基尼系數(shù)；GVC為道路飽和度的基尼系數(shù)；Pi為從1～i個路段的累積數(shù)量比例；Pi+1-Pi為第i個路段占總路段數(shù)的比例；vi為從1～i個路段的累積速度值比例；VCi為從1～i個路段的累積飽和度值比例。

1.3 場景設計

以等間距方格型路網(wǎng)為例，假設該城市區(qū)域是一個邊長為D的正方形，以相鄰交通分區(qū)中心點間隔為d均勻設置81個交通分區(qū)，關鍵設計參數(shù)包括自行車道間距L和自行車道寬度W，如圖3所示。為每個小區(qū)賦予相同的基礎小區(qū)數(shù)據(jù)值。由于自行車出行方式的分擔率不同，本文設置了四種高峰小時OD出行分布水平：1倍的OD、2倍的OD、3倍的OD、4倍的OD，各OD分布在出行方向上出行量占總出行量的比例不變，1倍的OD在下文用1OD表示，其它OD水平同理。四種OD需求用來分析不同出行總量下，關鍵設計參數(shù)的變化對路網(wǎng)服務水平的影響。

圖3 方格型城市自行車網(wǎng)絡布局關鍵參數(shù)示意Fig.3 Key parameters of grid city network layout

依據(jù)文獻[13]，路段寬度對應的自行車通行能力值見表1。L和W取不同的參數(shù)值會引起出行總時間、路段平均速度、路段VC比的變化，在一定的目標條件下(例如出行總時間最小等目標)，可以求解二者組合的最優(yōu)解或滿意解。

對于每一個OD出行分布水平，分別設置了5種自行車道間距、5種自行車道寬度，路段自由流速度定為18 km/h[14]，共有25種測試場景來分析關鍵設計參數(shù)對自行車出行服務水平產(chǎn)生的影響。

表1 不同場景的自行車網(wǎng)絡參數(shù)設置

2 設計參數(shù)對服務水平的影響分析

總結各個場景的運行結果，通過觀測整個區(qū)域自行車出行總時間、路段速度和路段VC比及其均衡性的變化，分析自行車專用道間距和自行車道寬度的改變對該自行車路網(wǎng)服務水平的影響。

2.1 自行車專用道間距對效率的影響

如圖4所示，總出行時間隨著自行車專用道間距的縮小而逐漸減少，且OD出行分布水平越高，曲線斜率越大，變化率越大，效率提高的趨勢越明顯。即當自行車道寬度一定時，自行車出行總量越多，加密路網(wǎng)越有效率，可以節(jié)約的時間成本越多，而當?shù)缆飞献孕熊嚦鲂猩贂r，加密路網(wǎng)效果不顯著。

隨著自行車專用道間距的縮小，出行總時間成本呈非線性變化，降低的速度隨車道間距的縮小而逐步減小，車道間距大于B3(450 m)時，總時間降速隨車道間距的縮小降速明顯，路網(wǎng)再繼續(xù)加密時，降低程度不明顯。同時總時間隨車道間距縮小而降低的趨勢受車道寬度影響，車道越寬，降幅越小。

對不同的OD出行分布水平下出行總時間隨車道間距縮小的降幅進行分析。當OD出行分布水平取1倍值和2倍值時，自行車道寬度超過3.5 m后，總時間隨車道間距縮小而減小的幅度降低，此時繼續(xù)調(diào)整車道間距效果不顯著；當OD總量取3倍值和4倍值時，車道寬度超過4.5 m時總時間降速緩和；當自行車道只有1.5 m寬時，各OD出行分布水平下總時間隨車道間距縮小的降幅都很明顯，即在道路寬度受限的情況下，縮小自行車道間距對提高出行效率有明顯效益。

2.2 自行車道寬度對效率的影響

如圖5所示，自行車專用道間距一定的時候，出行總時間隨著自行車道寬度的增加而減少，且不同OD出行分布水平下的變化趨勢具有相似性。總時間的減小幅度隨著車道寬度的逐漸增大而減小，寬度小于2.5 m時，總時間降速明顯，為陡坡段；當車道寬度大于3.5 m時為平緩段，總時間隨道路寬度增大降低程度不明顯；車道寬度在2.5～3.5 m之間時為緩和段，總時間隨道路寬度增大的降速較緩和。同時OD出行分布水平越高，斜率越大，降幅越明顯，例如當自行車專用道間距為550 m(B1)時，從1倍的OD到4倍的OD，總時間減小幅度從53.08%增大到66.17%。即不同OD出行分布水平和車道間距下，調(diào)整自行車道寬度對效率都有較顯著的影響，取3.5 m為自行車道寬度建議值，條件允許可大于3.5 m，若條件有限設置在2.5～3.5 m即可對整體自行車出行效率的提升有顯著收益。

圖4 自行車專用道間距與效率值的關系Fig.4 Relationship between bicycle lane spacing and efficiency value

圖5 自行車道寬度與效率值的關系Fig.5 The relationship between bicycle lane width and efficiency value

自行車道的寬度應根據(jù)出行需求量設計，車道間距一定時，自行車道增大到一定寬度后，再繼續(xù)增加收益降低，當OD出行分布水平為1倍值時，自行車道從1.5 m加寬到2.5 m時，出行總時間減少50%，2.5 m加寬到3.5 m時減少12%，3.5 m加寬到4.5 m時只減少5%，4.5 m到5.5 m只減少2%，因此，在一定的出行需求條件下，為避免自行車過度占有道路資源，自行車道并不是越寬越好。

2.3 道路VC比分布均衡性分析

圖6是以自行車道寬度為分組，描述車道間距與道路VC比分布均衡性的關系，圖7是以自行車道間距為分組，描述車道寬度與道路VC比分布均衡性的關系，可以看出不同OD出行分布水平下的基尼系數(shù)變化曲線基本重合，即OD出行分布水平對整體路網(wǎng)的路段VC比分布影響不顯著。當車道間距一定，基尼系數(shù)隨自行車道寬度的增加而增大，變化趨勢呈緩慢的線性增長，即自行車道寬度對整體路網(wǎng)VC比的均衡性影響很小，實際方案可不考慮該因素的作用。當自行車道寬度一定時，隨著車道間距的縮小，基尼系數(shù)起伏變化明顯，最低點在B2(500 m)、B5(350 m)，峰值出現(xiàn)在B3方案。

圖6 自行車道間距與道路VC比分布均衡性的關系Fig.6 Relationship between bicycle lane spacing and road VC ratio distribution

圖7 自行車道寬度與道路VC比分布均衡性的關系Fig.7 Relationship between bicycle lane width and road VC ratio distribution

2.4 路段速度分布均衡性分析

圖8以自行車道寬度為分組，描述車道間距與路段速度分布均衡性的關系，圖9以自行車道間距為分組，描述車道寬度與路段速度分布均衡性的關系，可以看出基尼系數(shù)隨著OD出行分布水平的增大而增大。當自行車道寬度一定時，基尼系數(shù)隨著自行車道間距的減小起伏變化，B1—B2段急劇減小，B2—B3段增大，增大的幅度隨著OD出行分布水平的增大而升高，隨著自行車道寬度的增加而降低，B3—B5基尼系數(shù)持續(xù)降低，總體而言，自行車專用道間距越小，基尼系數(shù)越小，整體路網(wǎng)的速度分布越均衡。當車道間距一定時，基尼系數(shù)隨著自行車道寬度的增加而減小，1.5 m到2.5 m為陡坡段，基尼系數(shù)急劇下降，2.5 m到3.5 m為降幅減緩，車道寬度大于3.5 m之后降速平緩。

2.5 車道寬度和間距對服務水平影響效應分析

在不同的場景中，自行車道寬度和自行車專用道間距的變化同時對路網(wǎng)服務水平產(chǎn)生影響，采用多元方差分析對數(shù)據(jù)進一步分析。多元方差分析是研究多個自變量與多個因變量相互關系的一種統(tǒng)計理論方法，通過檢驗不同水平組合之間因變量均數(shù)判斷不同因素影響的差異性[15]。將不同OD出行分布水平下的出行總時間、路段VC比、平均速度設為因變量，自行車專用道間距和自行車道寬度設為影響因素，因所有因素自由度相同，可通過效應項和誤差項這兩個均方的比值F值描述兩個路網(wǎng)要素對提高服務水平的作用程度。

如圖10所示，自行車道寬度對效率和均衡性的影響都顯著大于車道間距。同時，在不同OD出行分布水平下影響程度稍有不同，車道寬度對出行總時間的影響隨著OD出行分布水平的增大稍有增強，對均衡性的影響稍有減弱?？傮w來說，增加車道寬度無論是在提高路網(wǎng)效率或是改善舒適度上都更有效果，所以對于自行車專用道來說，相比縮小車道間距，增加車道寬度并保障路權不被占用更有意義。

圖8 自行車道間距與路段速度分布均衡性的關系Fig.8 Relationship between bicycle lane spacing and road segment velocity distribution balance

圖9 自行車道寬度與路段速度分布均衡性的關系Fig.9 Relationship between the width of the bicycle lane and the balance of the speed distribution of the road segment

圖10 自行車道寬度和間距對服務水平及其均衡性影響效應雷達圖Fig.10 Radar diagram of the bjcycle lanes effect of the bicycle lanes width and spacing on level of service and its equity

3 結論與建議

本文提出以提高服務水平為目標的自行車網(wǎng)絡關鍵設計參數(shù)優(yōu)化方法，服務水平測度指標包括出行總時間、道路飽和度VC比、行駛速度，同時利用基尼系數(shù)分析道路網(wǎng)絡中路段VC比和路段速度分布的均衡性。以方格型路網(wǎng)為例，在假設的OD出行分布條件下進行了案例模擬，分析自行車專用道間距和自行車道寬度對服務水平測度的影響，得出間距450 m，寬度3.5 m的推薦值，考慮到路網(wǎng)服務水平分布的均衡性，自行車道間距小于400 m時可以較好地實現(xiàn)該目標。同時，方差分析結果顯示自行車道寬度是顯著的影響因素，但減小自行車道間距對于提高服務水平的均衡性仍具有一定效果。

對于骨架性交通設施規(guī)劃更新改造的余地很小的存量地區(qū)，可在區(qū)域交通需求調(diào)研的基礎上，挖掘交通設施潛力以保證自行車道的合理寬度和間距。具體的規(guī)劃設計策略包括：(1)對路權重新劃分，調(diào)整機動車道和非機動車道的分配比例。(2)設置與機動車道并行的路側自行車道，并做抬高、路障、樹池分隔等處理形成物理分隔，確保自行車騎行不受干擾。(3)采取漸進式策略消減路邊停車并逐步減少路邊停車以有效保障自行車路權。(4)適宜地區(qū)可將某些路段改為專用的自行車道。(5)使用智能交通系統(tǒng)實行動態(tài)管理，依據(jù)街道節(jié)奏將機動車道在某些時段設為自行車道。增量地區(qū)可結合地區(qū)特征設置獨立于城市干道的新型自行車綠色通道和自行車高速路，形成自行車交通網(wǎng)，保障自行車安全、快速、舒適的通行?，F(xiàn)今，在開放社區(qū)以及小街區(qū)密路網(wǎng)政策下，將開放街區(qū)中的非市政道路納入支路系統(tǒng)將為中國自行車道路網(wǎng)絡建設提供新的轉機。另外，本文的部分結論只適用于方格型路網(wǎng)和假定出行OD分布，針對其他的城市路網(wǎng)格局和出行分布還需進行具體的分析。