城市道路交叉口自行車速度與轉(zhuǎn)彎半徑實(shí)驗(yàn)研究

趙 源，潘曉東

（1.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088；2.同濟(jì)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，上海 201804；3.北京交科公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100191）

1 研究的必要性

《交通運(yùn)輸“十二五”發(fā)展規(guī)劃》［1］中提出“必須樹立綠色、低碳發(fā)展理念，以節(jié)能減排為重點(diǎn)，加快形成資源節(jié)約、環(huán)境友好的交通發(fā)展方式和消費(fèi)模式，構(gòu)建綠色交通體系，實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸發(fā)展與資源環(huán)境的和諧統(tǒng)一.”在現(xiàn)代倡導(dǎo)節(jié)能減排、低碳出行的大環(huán)境下，鼓勵(lì)越來越多的人選擇低碳的出行方式，自行車交通工具不僅是短距離出行的主要交通方式，并且起到了連接目的地與公交巴士、地鐵站的作用，解決市民出行第一公里和最后一公里的問題，在現(xiàn)有公共交通系統(tǒng)中具備不可替代的特殊地位.

然而，關(guān)于自行車交通特性的基礎(chǔ)研究較少機(jī)動(dòng)化發(fā)展迫使自行車道逐漸被壓縮，自行車騎行空間的安全設(shè)計(jì)常常忽略了自行車的交通特性和自行車騎行者的騎行行為.尤其是在交叉口，自行車速度過快、交叉口路緣石轉(zhuǎn)彎半徑不足時(shí)，自行車騎行者會(huì)突然減速，可能導(dǎo)致側(cè)滑追尾，或者自行車來不及減速，沖入機(jī)動(dòng)車道發(fā)生事故，嚴(yán)重影響自行車騎行安全，因此，交叉口的設(shè)計(jì)半徑是否能夠滿足自行車的騎行速度需求問題亟待研究.基于此，本研究將借助于自行車騎行實(shí)驗(yàn)計(jì)測系統(tǒng)［2］，研究自行車在交叉口轉(zhuǎn)彎時(shí)的轉(zhuǎn)彎特性.該自行車騎行實(shí)驗(yàn)計(jì)測系統(tǒng)可實(shí)時(shí)檢測自行車的轉(zhuǎn)彎角度、制動(dòng)強(qiáng)度、振動(dòng)強(qiáng)度、速度、加速度及到各障礙物的距離等參數(shù)，能實(shí)時(shí)檢測，且精度高、數(shù)據(jù)全面，已經(jīng)在中國和日本應(yīng)用于自行車騎行特性和相關(guān)騎行行為的研究中［3－8］.

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)自行車的騎行速度與轉(zhuǎn)彎半徑的關(guān)系，設(shè)計(jì)了模擬實(shí)驗(yàn).

1）路面依次量取半徑為1，2.5，3，4，6，8，10，12，15，18，20，25和30m 的圓、用黃色膠帶做標(biāo)記，如圖1所示；

2）選取實(shí)驗(yàn)者，依次沿著不同半徑騎行，自行車騎行實(shí)驗(yàn)計(jì)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)記錄速度數(shù)據(jù).

3 顯著性分析

每個(gè)轉(zhuǎn)彎半徑下實(shí)驗(yàn)者至少連續(xù)騎行4～5圈為一次騎行，自行車騎行實(shí)驗(yàn)計(jì)測系統(tǒng)可以每秒記錄一次速度數(shù)據(jù).這樣，每次騎行能夠得到大量的實(shí)時(shí)速度數(shù)據(jù)，將每次騎行后的實(shí)時(shí)速度進(jìn)行平均計(jì)算，得到不同半徑下3次騎行后的平均速度整理見表1.

圖1 自行車速度轉(zhuǎn)彎半徑模擬實(shí)驗(yàn)Fig.1 Simulation experiment between bicycle speed and turning radius

表1 速度—轉(zhuǎn)彎半徑實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Experimental data of speed—turning radius

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和騎車調(diào)查中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)轉(zhuǎn)彎半徑大于10m時(shí)，騎行速度受轉(zhuǎn)彎半徑的影響不大因此，選取10m為分界線，對(duì)半徑＞10m和半徑≤10m時(shí)，分別進(jìn)行半徑和速度的顯著性檢驗(yàn).

現(xiàn)在，a＝7，m＝3.要檢驗(yàn)：

H0：a1＝a2＝a3＝a4＝a5＝a6＝a7＝0.

即要檢驗(yàn)轉(zhuǎn)彎半徑對(duì)速度有無顯著影響.

記統(tǒng)計(jì)量

取檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量

當(dāng)H0成立時(shí)，F(xiàn)～F（a－1，n－a）.因此，在顯著性水平α下，由F＞F1－α（a－1，n－a）決定了一個(gè)檢驗(yàn)的拒絕域，其方差分析見表2.

表2 方差分析Table 2 Variance analysis

當(dāng)轉(zhuǎn)彎半徑＞10m時(shí)，相應(yīng)的方差分析見表3.

表3 方差分析（R＞10m）Table 3 Variance analysis（R＞10m）

取顯著性水平α＝0.01，得臨界值F0.99（6，14）＝4.87.易見，0.206＜4.87，因此，接受 H0，即認(rèn)為當(dāng)轉(zhuǎn)彎半徑＞10m時(shí)，半徑大小對(duì)速度無顯著影響.

當(dāng)轉(zhuǎn)彎半徑≤10m時(shí)，相應(yīng)的方差分析見表4.

表4 方差分析表（R≤10m）Table 4 Variance analysis（R≤10m）

取顯著性水平a ＝0.01，得臨界值F0.99（614）＝4.87.易見，14.354＞4.87，因此，拒絕H0即認(rèn)為當(dāng)轉(zhuǎn)彎半徑≤10m時(shí)，半徑大小對(duì)速度有顯著影響.

4 回歸分析

當(dāng)轉(zhuǎn)彎半徑≤10m時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)彎半徑與速度的影響關(guān)系進(jìn)行回歸分析，見表5.

從表5中可以看出，三次函數(shù)決定系數(shù)R2最高，為0.929.回歸方程為：

三次擬合曲線如圖2所示.

從表6中可以看出，二次函數(shù)決定系數(shù)R2，為0.921.回歸方程為：

表5 速度轉(zhuǎn)彎半徑回歸分析Table 5 The regression analysis of speed and turning radius

二次擬合曲線如圖3所示.

圖2 速度轉(zhuǎn)彎半徑三次擬合曲線Fig.2 The cubic curves of speed－turning radius

圖3 速度轉(zhuǎn)彎半徑二次擬合曲線Fig.3 The quadratic curves of speed－turning radius

回歸分析表明：三次擬合曲線和二次擬合曲線的相關(guān)系數(shù)差別不大.當(dāng)轉(zhuǎn)彎半徑≤10m時(shí)，兩者都能較好地反映出自行車速度和轉(zhuǎn)彎半徑的相關(guān)關(guān)系.從圖2，3中可以看出，二次擬合曲線更能表達(dá)當(dāng)轉(zhuǎn)彎半徑越大，轉(zhuǎn)彎半徑對(duì)速度的影響作用越小的經(jīng)驗(yàn)假設(shè)，并且三次擬合曲線在轉(zhuǎn)彎半徑為10m時(shí)，曲線有小幅回落，因此，本研究推薦二次擬合方程為自行車速度和轉(zhuǎn)彎半徑的關(guān)系公式.

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與美國經(jīng)驗(yàn)公式的對(duì)比分析

為了保證自行車在彎道上的行車安全和舒適平穩(wěn)，各國對(duì)于不同速度下的彎道半徑提出了規(guī)定.對(duì)于轉(zhuǎn)彎半徑的控制，一類是采用理論公式計(jì)算，另一類是采用經(jīng)驗(yàn)公式［8］.美國“自行車規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)原則”中提出速度與半徑的半經(jīng)驗(yàn)公式為［9－10］：R ＝0.24v＋0.43.

城市道路交叉口路緣石轉(zhuǎn)彎半徑規(guī)定［11］，見表6；中國《城市道路交叉口設(shè)計(jì)規(guī)程》［12］中規(guī)定“當(dāng)平面交叉口為非機(jī)動(dòng)車專用路交叉口時(shí)，路緣石轉(zhuǎn)彎半徑可取5～10m.”

為研究中國轉(zhuǎn)彎半徑的設(shè)置能否滿足自行車騎行的需求，分別計(jì)算交叉口路緣石轉(zhuǎn)彎半徑按照最小值設(shè)置時(shí)，美國經(jīng)驗(yàn)公式和本研究成果中對(duì)應(yīng)的自行車騎行速度.

表6 城市道路交叉口路緣石轉(zhuǎn)彎半徑Table 6 Curbs turning radius at urban road intersections

首先，根據(jù)美國的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，當(dāng)路緣石半徑取最小值5m時(shí)，自行車騎行車速為：

v＝ （R－0.43）／0.24＝ （5－0.43）／0.24＝19km／h.

本次實(shí)驗(yàn)研究證明，當(dāng)轉(zhuǎn)彎半徑≤10m時(shí)騎行速度會(huì)受到轉(zhuǎn)彎半徑的顯著性影響.從推薦的二次回歸曲線中計(jì)算，當(dāng)路緣石轉(zhuǎn)彎半徑為5m時(shí)，自行車騎行車速為10.6km／h.

相關(guān)的速度研究表明，中國騎行條件較好的機(jī)非物理隔離路段自行車的平均速度約為15 km／h［1，13］.根據(jù)美國的經(jīng)驗(yàn)公式，當(dāng)轉(zhuǎn)彎半徑為5m時(shí)，相應(yīng)的自行車騎行速度為19km／h，可以認(rèn)為，大部分自行車不需要減速即可轉(zhuǎn)彎通過.在實(shí)際交通情況下，自行車在到達(dá)交叉口轉(zhuǎn)彎之前往往會(huì)有減速的行為，因此，本實(shí)驗(yàn)研究的成果更能反映自行車的騎行行為，即當(dāng)騎行速度＞10.6 km／h時(shí)，騎行者在5m的轉(zhuǎn)彎半徑下會(huì)提前減速轉(zhuǎn)彎通過.

6 結(jié)論

本研究成果與美國經(jīng)驗(yàn)公式存在差異，同樣轉(zhuǎn)彎半徑下，美國經(jīng)驗(yàn)公式中對(duì)應(yīng)的騎行速度較高，綜合分析認(rèn)為，研究理論成果的差異與中國自行車車況、騎行環(huán)境及騎行習(xí)慣有關(guān)，本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)論可以作為中國自行車空間設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論依據(jù).

（References）：

［1］交通運(yùn)輸部.交通運(yùn)輸“十二五”發(fā)展規(guī)劃［R］.北京：交通運(yùn)輸部，2011.（Ministry of Transport.Transportation 12th Five－Year Development Plan［R］.Beijing：Ministry of Transport，2011.（in Chinese））

［2］潘曉東，趙曉翠，楊軫，等.非機(jī)動(dòng)車騎行行為實(shí)驗(yàn)研究［J］.長沙交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，24（4）：62—66，71.（PAN Xiao－dong，ZHAO Xiao－cui，YANG Zhen，et al.The experimental research on riding behavior of non－motorized vehicle［J］.Journal of Changsha Communications University，2008，24（4）：62—66，71.（in Chinese））

［3］潘曉東，陳麗燁.直行非機(jī)動(dòng)車避讓右轉(zhuǎn)車輛軌跡分析［J］.交通科學(xué)與工程，2011，27（4）：56—61.（PAN XiAO－dong，CHEN Li－ye.The analysis of the track of no turning non－motorized vehicles when avoiding the vehicles turning right［J］.Journal of Transport science and Engineering，2011，27（4）：56—61.（in Chinese））

［4］潘曉東，馬小翔，趙曉翠.信號(hào)交叉口非機(jī)動(dòng)車騎行特性及安全性實(shí)驗(yàn)研究［J］.交通科學(xué)與工程，2010，26（4）：60—64.（PAN Xiao－dong，MA Xiao－xiang，ZHAO Xiao－cui.Experimental research on the safety and riding characteristics of non－motorized vehicle at signalized intersection［J］.Journal of Transport Science and Engineering，2010，26（4）：60—64.（in Chinese））

［5］趙曉翠.非機(jī)動(dòng)車交通行為及交叉口騎行綜合評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2010.（ZHAO Xiaocui.Experimental study on the traffic behaviors and cycling comprehensive evaluation at intersections of the non－motorized vehicles［D］.Shanghai：Tongji U－niversity，2009.（in Chinese））

［6］Yamanaka H.Measuring level of－service for cycling of urban streets using probe bicycle system［J］.Journal of the Eastern Asia Society for Transportation Studies，2007（7）：1614—1625.

［7］大下剛.多様な自転車空間を考慮したプローブバイシクルによるサービスレベル評(píng)価法の開発［D］徳島：徳島大學(xué)，2008.（Takeshi Oshita.Research of service level evaluation method by considering the diverse bicycle space by probe bicycle［D］.Tokushima University of Tokushima，2008.（in Japanese））

［8］王屾.平面交叉口自行車微觀穿越模型及仿真研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2008.（WANG Shen Study on microscopic crossing behavior model and simulation of bicycles at grade intersection［D］.Beijing：Beijing Jiaotong University，2008.（in Chinese））

［9］American Association of State Highway and Transportation Officials.Guide for the Development of Bicycle Facilities［M］.Washington，D C：American Association of State Highway and Transportation Officials，1994.

［10］徐吉謙.交通工程手冊(cè)［M］.北京：交通出版社1995.（XU Ji－qian.Traffic engineering manual［M］Beijing：China Communications Press，1995.（in Chinese））

［11］徐家鈺，程家駒.道路工程［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1995.（XU Jia－yu，CHENG Jia－ju.Road engineering［M］.Shanghai：Tongji University Press 1995.（in Chinese））

［12］華中科技大學(xué).CJJ 152—2010，城市道路交叉口設(shè)計(jì)規(guī)程［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010（Huazhong University of Science and Technology CJJ 152—2010，Specification for design of intersections on urban roads［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2010.（in Chinese））

［13］梁春巖.自行車交通流特性及其應(yīng)用研究［D］.長春：吉林大學(xué)，2007.（LIANG Chun－yan.Study on characteristics and application of bicycle traffic flow［D］.Changchun：Jilin University，2007.（in Chinese））