徐 興，仲海鵬，趙 蕓

(1.浙江科技學院 機械與能源工程學院，浙江 杭州 310023；2.浙江科技學院 信息與電子工程學院，浙江 杭州 310023)

0 引言

隨著科技的高速發(fā)展，汽車社會保有量急劇上升，環(huán)境污染與交通擁堵等問題日益嚴重。電動自行車因為低成本、低污染、省力便捷，成為當下城市主要的交通工具之一，截止到2018年，中國電動自行車社會保有量達2.5億輛，而且出現(xiàn)了生產(chǎn)制造標準不統(tǒng)一、車輛超標等問題。電動自行車的高頻使用加劇了城市道路交通中的機非干擾[1]，其在車身尺寸、重量和速度等方面影響非機動車道的通行能力，因此電動自行車的生產(chǎn)制造標準必須參考道路設計參數(shù)。為量化電動自行車和自行車對非機動車道通行能力的影響程度,計算城市非機動車的道路通行能力,科學合理地分配道路資源和指導車輛的生產(chǎn)制造,需要精確計算電動自行車相對于自行車的換算系數(shù)。

美國《道路通行能力手冊》(Highway Capacity Manual,HCM)1965年第2版提出了車輛換算系數(shù)的定義:在一定道路和交通條件下，一輛卡車或公共汽車可以用一定量的小汽車來代替,此代替量即為當量小汽車的折算系數(shù)[2]。因此，非機動車換算系數(shù)定義為在一定相同的道路與交通條件下，單輛電動自行車等效為自行車的數(shù)量。國外對自行車換算系數(shù)的研究較少，已有的國內(nèi)外相關研究主要集中在自行車相對于標準小汽車的換算系數(shù)。目前沒有確定的電動自行車相對于自行車的換算系數(shù)，因此有必要進一步研究換算系數(shù)計算模型。本文選取城市道路中有機非物理隔離設施的路段，通過分析電動自行車和自行車的交通特性，結合實測數(shù)據(jù)展開非機動車換算系數(shù)的改進方法研究。

1 現(xiàn)有換算系數(shù)計算方法

車輛換算系數(shù)的核心是交通流中非標準型車輛對標準型車輛的換算，它體現(xiàn)了不同類型車輛對道路資源的占有程度。現(xiàn)有的車輛換算系數(shù)計算方法分為理論模型法、經(jīng)驗計算法和計算機模擬法3類[3-4]，其中經(jīng)驗設計法是比較常用的計算方法。在非機動車換算系數(shù)方面，韓寶睿等[5]根據(jù)傳統(tǒng)計算方法、動態(tài)計算方法、靜態(tài)計算方法得出電動自行車與自行車的換算系數(shù)為1.3，3種方法均通過分析交通流特征參數(shù)或參數(shù)之間的關系建立車輛換算系數(shù)模型；葉曉飛等[6]基于車輛行駛的有效面積和沖突事件數(shù)模型提出兩種計算模型，得到的換算系數(shù)為1.229 5；周旦[7]通過宏觀假定非機動車道的通行能力是一個常數(shù)，由回歸分析得到的換算系數(shù)為1.515。綜上所述，從微觀運動機理方面建立的系數(shù)模型在不斷完善，但仍存在不足之處。基于以上研究成果，本文結合超車率法與有效面積法，綜合考慮個體車輛的運行效率和非機動車交通流的運動特性，確定模型中自行車與電動自行車運動特性的相關參數(shù)計算方法。

2 換算模型

2.1 行駛中的有效寬度

非機動車行駛中的有效寬度由車身寬度和客觀蛇形寬度組成。陶思然[8]測得自行車的客觀蛇形運動擺動幅度范圍在36 cm～47 cm之間，取蛇形寬度為40 cm，電動自行車的客觀蛇形運動擺動范圍在30 cm以內(nèi)，取蛇形寬度為30 cm。在非機動車交通流中，電動自行車與自行車的主要相互干擾之一就是蛇形寬度的重疊[9-10]。非機動車行駛中的有效寬度示意圖如圖1所示。

因此，自行車的有效寬度

Wcb=Wlc+Wc。

(1)

式中：Wcb為自行車的有效行駛寬度；Wlc為自行車的車身寬度；Wc為蛇形擺動寬度，取蛇形寬度為40 cm。

同理，電動自行車的有效寬度

Web=Wle+We。

(2)

式中：Web為電動自行車的有效行駛寬度；Wle為電動自行車的車身寬度；We為電動自行車的蛇形擺動寬度。

2.2 行駛中的有效長度——動態(tài)車長

車輛在道路上行駛時, 所占用的道路空間不僅為本身所占用的空間, 還包括車輛前方和后方的一段距離，分別稱為行駛前距和行駛后距,因此車輛的動態(tài)車長[11-12]包括行駛前距、車長和行駛后距。有效長度示意圖如圖2所示。

自行車行駛中的有效長度

Lcb=L1+Lc0+L2。

(3)

式中：Lcb為自行車行駛中的有效長度；Lc0為自行車的車長；L1為距后車的縱向安全距離，通常取0.5 m；L2為距前車的縱向安全距離，

L2=SC+L0，

(4)

SC為自行車平均速度下的制動距離，L0為安全間距，取0.5 m。

車輛的制動距離指開始踩到制動踏板到完全停止運動的距離，包括制動系統(tǒng)作用時間t1和制動持續(xù)時間t2內(nèi)汽車行駛過的距離。制動距離的影響因素很多，如重量、車型、路面狀態(tài)和制動啟動時間等[13-14]。因為制動力變化不定，反應時間和制動時間難以測定，所以本文將研究對象在不同速度下的制動距離進行數(shù)據(jù)擬合得到軌跡曲線，從而得到速度與制動距離的關系。

與汽車不同，非機動車的行駛規(guī)律不明顯，超車和并行現(xiàn)象發(fā)生頻繁。因此，電動自行車行駛中的有效長度

Leb=L3+Le0+L4。

(5)

式中：Leb為電動自行車行駛中的有效長度；Le0為電動自行車的車長；L3為距后車的縱向安全距離，通常取0.5 m；L4為距前車的縱向安全距離，

L4=Se+η·(Se-Sc)+L0，

(6)

Se為電動自行車平均速度下的制動距離，Sc為自行車平均速度下的制動距離，η為縱向距離沖突影響系數(shù)，即一段時間內(nèi)發(fā)生的電動自行車超越自行車次數(shù)與通過電動自行車數(shù)量的比值，L0為安全間距，取0.5 m。

因此自行車行駛中的有效面積

Scb=Wcb×Lcb。

(7)

同理，電動自行車行駛中的有效面積

Seb=Web×Leb。

(8)

最終，換算系數(shù)計算模型為

(9)

式中：Cec為電動自行車相對于自行車的換算系數(shù)；μe為相同交通條件下電動自行車的飽和流率(單位：輛/h)；Seb為電動自行車行駛中的有效面積(單位：m2)；μc為相同條件下自行車的飽和流率(單位：輛/h)；Scb為自行車行駛中的有效面積(單位：m2)。

3 換算模型的計算

3.1 選定計算參數(shù)值

本文選取杭州市西湖區(qū)的主要非機動車停放場，對非機動車的長度、寬度和高度進行實證研究。電動自行車主要分為普通電動自行車和輕摩化電動自行車，如圖3所示。

實證研究選取的樣本總量為489輛，其中摩托化電動自行車235輛，普通電動自行車132輛，自行車122輛，主要數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 車輛外形尺寸 cm

由上述統(tǒng)計結果可知，自行車與電動自行車差異明顯，輕摩化電動自行車與普通電動自行車的差別主要在長度上。根據(jù)實際觀測，非機動車道流量接近飽和流率時，普通電動自行車的速度與輕摩化電動自行車沒有明顯區(qū)別，兩類車的速度分度相差不大。同時各調(diào)查點顯示，普通電動自行車的行駛占比為19.9%，電動自行車以輕摩化電動自行車為主，因此本文研究將二者一并討論，進行系數(shù)換算時只區(qū)別自行車和電動自行車兩類，兩者的統(tǒng)計如表2所示。

表2 自行車與電動自行車尺寸統(tǒng)計表 cm

根據(jù)上述實際測量數(shù)據(jù)，自行車寬度取58 cm，長度取179 cm，平均蛇形寬度取40 cm；電動自行車寬度取68.5 cm,長度取189 cm，平均蛇形寬度取30 cm，預留安全寬度取50 cm；非機動車道高峰時間段自行車的平均速度為13.45 km/h，電動自行車的平均速度為17.06 km/h。

3.2 重要參數(shù)測量

本節(jié)測量自行車的制動距離。實驗選取5種不同的常見自行車，安裝自行車碼表(如圖4)。本次實驗在路況良好的條件下，分別在6個速度點連續(xù)測量5次，取對應的制動距離平均值，實驗結果如表3所示，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合得到的相關曲線如圖5所示。由此得到自行車在平均速度下的制動距離為1.420 m。

表3 自行車在不同車速下的實際制動距離

車速/(km·h-1)71014182022制動距離均值/m1.081.241.461.822.062.35

目前杭州電動自行車行駛中載人載物的比例在11%左右[6]，因此本次實驗選取4輛載重為75 kg的電動車?？紤]到電動自行車的載荷和路面分布對車輛的影響，選擇路面干燥、坡度穩(wěn)定的路段為實驗地點，在每個速度點連續(xù)測量5次取平均值，測量結果如表4所示，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合得到相關制動曲線如圖6所示。由此得到電動自行車在平均速度下的制動距離為2.028 m。

表4 電動自行車在不同速度下的實際制動距離和平均制動距離

測量非機動車流率，實驗選取晚高峰時間的天目山路、教工路、文三路、文一路、東新路為實驗對象，錄像記錄交通流情況，分析不同混行比例下的飽和流率，天目山路調(diào)查點的情況如圖7和圖8所示，數(shù)據(jù)擬合結果如圖9和圖10示。

由擬合得到的曲線可見，當比例達到100%時，得到電動自行車高峰時期的飽和流率為2 146 輛/h，傳統(tǒng)自行車高峰時期的飽和流率為1 894輛/h。

在非機動車道高峰時期，不同時間間隔下的超車事件統(tǒng)計如圖11所示，取得的均值為0.362。

經(jīng)計算得到的電動自行車對自行車的換算系數(shù)為1.359 7。表5所示為5個調(diào)查點的系數(shù)換算結果，對結果取均值，得到非機動車的換算系數(shù)為1.346 2。

表5 非機動車系數(shù)換算表

韓寶睿等[5]提出的傳統(tǒng)計算方法、動態(tài)計算方法、靜態(tài)計算方法，是基于對交通流特征參數(shù)或參數(shù)之間的關系進行分析來計算車輛換算系數(shù)，3種方法分別從速度、飽和流率、占有面積3個方面研究車輛換算系數(shù)。在此基礎上，葉曉飛等[6]基于車輛行駛有效面積和沖突事件數(shù)模型提出兩種計算方法，通過綜合考慮非機動車的交通流特征提高了換算系數(shù)的準確度。

改進模型應用不同的蛇形搖擺寬度，基于沖突影響提出了電動自行車的有效行駛長度計算方法。計算有效行駛長度的關鍵在于確定制動距離，有別于已有計算模型中直接使用機動車制動距離，改進模型結合實驗數(shù)據(jù)和縱向距離沖突影響系數(shù)得到電動自行車的制動距離計算方法。對比發(fā)現(xiàn)，機動車制動距離計算模型顯然不符合非機動車模型，改進模型更符合實際情況，數(shù)據(jù)對比如表6所示。

表6 相同平均速度下的前縱向安全距離對比 m

改進的系數(shù)模型證明電動自行車具有更大的通行能力。換算系數(shù)反映了非機動車交通流的部分特征，它的確定有助于準確計算非機動車道的通行能力和合理設置路段車道的寬度。

通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，車輛尺寸和運動特性對非機動車各方面參數(shù)的計算影響明顯。在實際行駛中，電動自行車與自行車的差異表現(xiàn)在制動距離、蛇形運動軌跡和非機動車道單位寬度的通過數(shù)量等方面。目前國內(nèi)電動自行車市場的電動自行車種類繁多，本實驗研究中就出現(xiàn)了各種類似電動摩托車的新潮車型，然而其中充斥著各種不合格車型，舊的電動自行車國家標準設定不能適應當下路況和出行者需求，企業(yè)在制造過程中存在參考標準不明確和不統(tǒng)一的問題。因此，新《電動自行車安全技術規(guī)范》在最高車速、整車重量、電機功率等方面以現(xiàn)行標準為基礎進行了修改[15]。

4 結束語

本文提出電動自行車的動態(tài)車長計算方法，引入縱向距離沖突影響系數(shù)，具體闡述了自行車與電動自行車運動特性相關參數(shù)的確定方法，建立了基于將超車率法與有效面積法結合的非機動車換算系數(shù)改進模型，并利用杭州市實際數(shù)據(jù)標定出城市道路有機非隔離設施的非機動車換算系數(shù)為1.346 2。本文研究結果對精確計算非機動車道通行能力、合理設置交叉口紅綠燈間隔、提高慢行交通設施服務水平，以及制定非機動車生產(chǎn)制造標準具有實踐指導意義。