近年来，随着机动车保有量的快速增长，交通供需矛盾不断加剧，交通环境日益恶化。为缓解机动化带来的诸多问题，绿色交通的理念日益得到重视与推广。非机动车交通系统作为绿色交通系统的核心组成部分，保障其高效、安全的服务水平，是解决交通拥堵以及机动化污染的关键。然而，大城市非机动车系统空间通常十分有限。目前多数城市解决交通拥堵问题的措施之一是通过挤压非机动车道及人行道来为机动车增加行驶空间。非机动车交通的路权得不到有效保障。同时，随着共享单车和“外卖热”的兴起，自行车和电动车数量急剧增加，与传统非机动车以及机动车的运行冲突显著，空间竞争现象突出。综上所述，对非机动车系统运行特性进行探究，进而优化道路设施的设计，对建立新形势下安全、高效的绿色非机动车系统十分必要。
目前国内对于新型非机动车交通设施与服务水平的研究有限，现有的文献并未面向和适用于多种不同运行特性组成的混合交通流系统[1]。因此，开展相关研究，改善非机动车基础设施，优化道路结构，具有重要学术价值和实际指导意义。
1 城市中心区非机动车系统交通现状及问题成因分析 为了有针对性地提出机非混行道路设施的设计方法，本文首先对当前城市中心区非机动车交通系统的设施与运行现状进了归纳与总结，并对主要问题的成因进行了一定的分析与讨论。
非机动车流主要由自行车和电动车组成。因非机动车自身便捷、环保、机动、快速、灵活的特点，已成为市民中短途出行的主要选择。由于电动车与自行车之间的相似性，二者共同使用非机动车道。然而电动车与自行车模式间存在多元异质性，二者在速度、质量等方面存在明显差异，如表 1所示。本文对代表性中等城市焦作市的自行车与电动车速度的调查结果为：自行车平均车速为11.79 km/h，电动车平均车速为25.25 km/h，也进一步验证了二者之间的异质性以及共用非机动车道会存在安全隐患。因此，改善自行车与电动车交通规划，以及给予交通组织上的正确引导十分必要[2]。
表 1 自行车与电动车之间的异质性 Table 1 Differences between bicycle and electric bikes
| 因素 | 自行车 | 电动车 |
| 行驶速度/(km·h-1) | 10~15 | 20~35 |
| 质量/kg | 15~20 | 50~75 |
| 活动范围/km | 5 | 20 |
| 动态占用道路面积/(m2·人-1) | 8 | 10 |
| 停车面积/m2 | 0.8 | 1.5 |
表选项
1.1 交通现状 总体来说，当前城市中心区非机动车系统现状可分为道路设施、路权冲突、静态管理以及运行安全4个方面，总结如下：
1) 城市非机动车专用道数量少
为了给予机动车更多行驶空间，大多城市缩减非机动车道空间，如减少道路宽度或取消专用非机动车道，部分城市允许机动车占用非机动车道临时停车。在这些机动车倾向化的措施下，非机动车通常需要被迫进入机动车道或人行道行驶，这为所有通勤参与者都带来安全隐患。如非机动车与快速运行的机动车在道路上混合行驶，对非机动车骑乘者的安全构成直接威胁，而非机动车的存在又造成机动车的行驶速度降低且运行效率受到限制[3]。
2) 非机动车道不断被侵占
非机动车道路设施不但受到社会车辆的空间竞争，而且受到公共交通系统的制约与影响。如中国绝大多数的公交站台都设置在非机动车道上。大量公交车进站、停靠以及出站的行为长时间占用非机动车道。类似的交通运行特征还存在于出租车及网约车，其数量可观的随机停车是侵占非机动车路权的另一主要现象。可以看到，非机动车是道路交通参与者中路权最易受到干扰、设施独立性最差的出行方式。
3) 非机动车存车困难
非机动车的静态管理是大城市非机动车另一主要现状问题。随着共享自行车、电动车进入交通系统的数量不断增大，加之非机动车本身的大保有量，停车场地不足问题显著。多数公共服务设施(比如公交站)周边缺乏足够的非机动车停车空间，部分骑乘者公共秩序意识淡薄，造成非机动车随意停放。在管理方面，非机动车停车区域缺乏常规看管人员，共享自行车及电动车营运方的调度能力差、没有合理规划相关存放场站，更加剧了非机动车的存车困难。虽然本文的研究重点不涉及静态存车问题，但其是当前城市非机动车系统的重要现状，需要得到关注。
4) 运行安全保障差
由于道路空间紧张、路权受到侵占，非机动车辆在运行中的交通安全很难得到有效保障，是非机动车交通系统最大的问题。与此同时，采取新型非机动车出行的骑乘者，如外卖速递员以及短途通勤人员，其交通法规与安全意识淡薄，逆行、超速、闯红灯、违章运行的现象屡见不鲜。特别是电动车，运行速度快，常出现在正常运行的机动车流中，常与机动车发生碰撞事故。分析非机动车系统的安全隐患，对认识并改善非机动车道路设施系统的问题提出了诉求，是启发本文研究的根本。
1.2 问题成因分析 针对1.1节归纳的城市中心区非机动车系统现状，本节对当前问题的成因进行了探讨与分析，总结为以下4点：
1) 现有非机动车道路设施无法适应多元非机动车模式的运行需求
道路服务对象即交通方式是按照城市道路功能来界定的。传统非机动车道路系统的服务对象是人力自行车。随着自行车数量的急剧增长以及电动车的突然涌现，现有的基础设施尚未得到组织更新和运力匹配，传统面向自行车的道路设施显然无法适应当前多元的非机动车系统。虽然，电动车与自行车之间存在一定的相似性，且相较于机动车，电动车与自行车共同使用非机动车道显得更为安全，但对于车道功能的重新定义以及设置的优化依然必要。
2) 传统的交通组织方式无法避免各交通方式间的时空冲突
交通组织的核心思想是最大限度地规避交通流之间的冲突并保障运行效率。由于中国城市交通系统的多元化特性，目前城市交通系统中的大多数路段都存在无法分离的机动车与非机动车、机动车以及非机动车之间的交通冲突点，如公交车进出站时与直行的非机动车之间的冲突；过街行人与右转的非机动车、直行非机动车与右转的机动车之间在交叉口的冲突等。当前非机动车系统现状的矛盾，即交通组织空间冲突的矛盾。传统的交通组织多聚焦于交叉口的交通流时空分布，对于多元非机动车系统的探索仍然匮乏。
3) 机动车与非机动车之间缺乏有效隔离
机非混行是中国大部分城市交通系统的典型特点。随着对机非混行带来问题的不断认识，如机非交织导致运行速度下降、运行秩序混乱、交通事故率高等，不少城市在关键、快速路段设置物理隔离设施，通过强制空间分离不同运行特点的交通流，缓解上述机非混行带来的安全与服务问题。即便如此，在中国大城市的大部分地区、大部分中小城市以及城市中的老城区域，以一块板为几何主要形式的道路，由于空间的限制，难以引入机非之间的物理隔离[4]。对于是否施行物理隔离的评价与决策，缺乏方法论的支持。
4) 非机动车道路空间严重不足
非机动车道空间不足的情况可归纳为3种：①非机动车道规划本身狭窄，在城市中的老城区域，双向运行的机动车与非机动车在一块板上混合行驶，使得非机动车行驶的空间不足；②非机动车道规划本身并不狭窄，但是由于数量可观的机动车随机路边停车等原因，侵占了非机动道的运行空间，导致非机动车行驶的空间不足；③电动车与自行车共用非机动车道，相对于电动车骑乘者，自行车骑乘者属于弱势群体，其速度慢、体积小等，导致其路权在一定程度上受到了电动车骑乘者的侵犯。
2 城市非机动车道路服务水平评价指标与量化分析 为改善城市交通环境，首先需要定量分析和评价非机动车交通系统服务水平。本文提出非机动车系统评价的技术指标以及改进系统服务水平方案的量化模型。本节对服务水平的主要指标进行了总结，包括城市现有道路断面形式、非机动车道路隔离方式以及车道宽度等，进一步为系统设计改善方案提供量化的依据。
2.1 城市道路断面形式 道路断面的几何设计直接影响到非机动车道的运行空间分配与机非分离方式，因此是重要的评价指标之一。中国城市道路的几何横断面设计主要可分为一块板、两块板、三块板和四块板断面4种形式[5]。
1) 一块板断面
在此种道路断面形式下，双向运行的各种车辆在一块板上混合行驶。一般情况下，这种形式的道路只适用于交通量较小的次干路和支路。
2) 两块板断面
两块板断面的道路是在道路横断面中心用隔离栏、分隔墩或者是绿化带将行车道分为两部分，将对向车流进行分离。一般情况下，这种形式的道路适用于车速较高的一级公路或者快速路。但两块板道路一般不设置同向机非分离，因此当非机动车数量较多时，并不宜采用两块板道路断面形式。
3) 三块板断面
设置这种断面形式的道路，其中间板为双向行驶的机动车道，其两侧用分隔带或者绿化带分隔出非机动车道即左、右两块板。这种形式的断面可以保障机非分隔运行，相比一块板与两块板两种断面形式，可提高机动车运行效率，同时保证非机动车运行的安全性。因此这种形式也是中国城市道路断面的主要形式。
4) 四块板断面
这种形式的道路是在三块板道路的基础上，将中间的机动车道再用分隔带一分为二，以此减少不同方向行驶的机动车流之间运行干扰，使得机动车的运行速度和安全指数得到进一步提高。这种断面形式一般多适用于出行需求高、交通量大的城市主干道路。
2.2 非机动车道路隔离方式 城市道路隔离方式直接影响不同交通流之间的运行安全性，是城市非机动道路服务水平重要的评价指标之一。本节主要介绍4种道路隔离方式：划线隔离、物理隔离、停车带隔离和空间隔离。
1) 划线隔离
划线隔离是指利用交通标线隔离机动车道与非机动车道。这种方式常用在一块板道路上，予以非机动车道与机动车道划线分隔，比较经济，但这种方式并不能把非机动车与机动车完全分隔开，安全性较差。良好的路面标识系统在一定程度上可以提高道路安全度。这种隔离方式只适用于非机动车交通量较小的路段。
2) 物理隔离
物理隔离是指利用路缘石、栅栏、分隔带、绿化带等物理设施对非机动车道与机动车道进行隔离，给非机动车出行者营造一个安全、独立的行驶空间。这种隔离方式常见于三块板和四块板道路，常见布置形式如图 1所示。
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| 图 1 非机动车道物理隔离设置 Fig. 1 Physical isolation setting of non-motorized lane |
| 图选项 |
3) 停车带隔离
停车带隔离是指在机动车道的最外侧设置路侧机动车停车位，其中停车带与非机动车道用道路标线隔离。这种隔离方式只适用于周边为高校、商业区等非机动车交通量很大和具有较强停车需求的路段，具体布置形式如图 2所示。
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| 图 2 非机动车道停车带隔离设置 Fig. 2 Isolation setting for non-motorized lane parking zones |
| 图选项 |
4) 空间隔离
空间隔离就是在原来机动车与非机动车共用的道路板面上，通过道路施工的方式将非机动车道抬升一定的高度，以达到纵向上的隔离。这种隔离方式，可以在不采用任何物理隔离设施的情况下，防止机动车占道的情况出现，保障非机动车运行的安全性，设置方式如图 3所示，这种隔离方式目前在中国并不常见，本文将重点研究[6]。
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| 图 3 非机动车道空间隔离设置 Fig. 3 Isolation setting of non-motorized lane space |
| 图选项 |
2.3 非机动车道宽度 非机动车道宽度决定非机动车道的通行能力，即在一定的道路和交通条件下，道路上某一路段或某交叉口单位时间内通过某一断面的最大车辆数。因此车道宽度是城市非机动车道路服务水平重要的评价指标之一。由于自行车与电动车之间的多元异质性，在对非机动车道宽度的设计过程中应当区分电动车道和自行车道，将非机动车道分为电动车道以及自行车道两部分。下面本文将分别对其宽度进行计算和论证。
2.3.1 自行车道宽度 自行车道的宽度是依据其理论通行能力和对应路段的高峰交通流量来确定的。自行车道的理论通行能力如表 2所示[7]。从表 2中可以看到，平面交叉口和机非分割带的存在，以及在信号交叉口环境下距离路口的位置均对通行能力有着显著的影响。因为本文给出的改善方案是位于道路连接段部分，并不包含交叉口及进口道，所以并不受平面交叉口影响。自行车道宽度计算式为[8]
表 2 一条自行车道的理论通行能力[7] Table 2 Theoretical capacity of a bike path[7]
| 影响因素 | 机非分隔方式 | 理论通行能力/(辆·h-1) |
| 不受平面交叉口影响 | 有机非分割时 | 1 600~1 800 |
| 无分割 | 1 400~1 600 | |
| 受平面交叉口影响 | 有机非分割时 | 1 000~1 200 |
| 无分割 | 800~1 000 | |
| 信号交叉口进口道 | 800~1 000 | |
表选项
 | (1) |
式中：WB为自行车道宽度，m；VB为自行车高峰小时交通量，辆/h；WOB为一条自行车道宽度，一般为1 m；CB为一条自行车道理论通行能力。
由于自行车运动系统是不稳定系统，在前行过程中通过左右蛇形摆动自反馈控制平衡，随之在摆动的过程中将产生左右两侧各约为0.2 m的扰动空间。设置单条自行车车道的宽度，应考虑双侧共约为0.4 m的净空。如某车道基本宽度设置取标准自行车车把宽度为0.6 m，则行驶的自行车道宽度应不少于1.0 m[9]。对于相邻路边和分隔带的车道，出于安全考虑，则应将侧向净空宽度增加0.25 m。
2.3.2 电动车道宽度 随着社会的发展和“外卖热”的兴起，电动车数量出现急剧增加的状态。特别是在中国的二、三线中小城市，电动车作为一种代步工具，成为了市民中短途出行的主要代步工具。因此，对于电动车专用道的设计显得尤为重要。为了满足数量可观的电动车出行需求，同时保证运行的安全性，本文给出测算电动车道宽度的依据。
电动车系统同样是一个不稳定的系统，在前进过程中通过左右蛇行摆动自反馈控制平衡，随之在摆动的过程中将产生左右两侧各约为0.15 m的扰动空间。设置单条电动车道的宽度，应考虑双侧共约为0.3 m的净空。如某车道基本宽度设置取标准电动车车把宽度为0.7 m，所以供一辆电动车行驶的车道宽度应不少于1.0 m；对于相邻路边的和分隔带的车道，出于安全考虑，则应将侧向净空各额外增加0.25 m与0.75 m[10]。
根据交通流理论，一条电动车道的理论通行能力CE与其车头间距以及平均速度有关, 计算式为[11]
 | (2) |
式中：v为平均车速，约为10~20 km/h；hs为车头间距, 计算式为[12]
 | (3) |
其中：t为反应时间，取平均值0.7 s；lE为电动车车身长度，常用1.9 m；ls为安全车距，一般在0~1 m之间；β为制动系数，取0.007 9。
电动车道的宽度也是依据其理论通行能力和对应路段的高峰交通流量来确定的，交通量是密度和速度的乘积，因此，交通流密度对车道是有影响的。首先根据式(2)得到理论通行能力，再根据观测数据得到其高峰小时交通流量。电动车道宽度计算式为
 | (4) |
式中：WE为电动车道宽度，m；VE为电动车高峰小时交通量，辆/h；WOE为一条电动车道宽度，一般为1 m。
2.4 城市非机动车道路服务水平量化与评价 服务水平是描述交通流内的运行条件以及影响驾驶员和乘客感受的一种质量指标。服务水平主要反映了道路服务质量或服务的满意程度。
本文对于服务水平的研究面向非机动车道路，涉及道路的连接段、路段、道路等概念，其示意图如图 4所示。本部分所指的服务水平，是连接段和其相邻的一个交叉口这部分的道路服务水平。
 |
| 图 4 非机动车道路基本概念示意图 Fig. 4 Schematic diagram of basic concept of non-motor vehicle road |
| 图选项 |
服务等级划分标准见表 3。服务等级是由服务评价得分而定的，具体的得分测算依据将通过2.4.1节和2.4.2节详细论述。
表 3 服务等级划分标准 Table 3 Classification standard of service level
| 服务等级 | 服务得分I |
| A | I≤1.50 |
| B | 1.50 < I≤2.30 |
| C | 2.30 < I≤3.40 |
| D | 3.40 < I≤4.40 |
| E | 4.40 < I≤5.30 |
| F | I>5.30 |
表选项
2.4.1 非机动车交叉口服务水平 前人通过研究骑行者在通过交叉口过程中舒适性、安全性等基本交通需求，建立了交叉口服务水平模型，本文中所引用的服务水平测算模型认为交叉口的服务水平得分和自行车道的存在成线性负相关，和非机动车流右转方式、直行以及右转机动车流量成线性正相关，其表达式为[13]
 | (5) |
式中：Iint为交叉口服务水平得分；Bint为二进制参数值，进口道若存在非机动车道，取值为1，若不存在，取值为0；SHIFT为二进制参数值，非机动车若需穿过右转机动车道继续直行，取值为1，否则，取值为0；RVOL为右转机动车交通量，辆/h；TVOL为直行机动车交通量，辆/h。
2.4.2 非机动车连接段服务水平 本文通过路段服务水平对比，拟选择非机动车兼容性指数BCI(Bicycle Compatibility Index)模型作为非机动车路段服务水平模型。BCI模型[14]由联邦公路管理局(FHWA)及Harkey等合作研究得出，非机动车连接段的服务水平得分同道路宽度、自行车车道宽度、路缘宽度成线性负相关，同路缘车道交通量、同方向其他车道交通量、85%位车速、周边土地利用类型成线性正相关，表达式为
 | (6) |
式中：Ilink为连接段服务水平得分；Llink为二进制参数，铺设宽度大于1 m的非机动车车道取值为0，否则取值为1；BLWe为非机动车车道有效宽度，m；CLW为路缘车道宽度, m; CLV为路缘车道交通量，辆/h；OLV为同方向其他车道交通量，辆/h；SPD为处在速度排名中第85%位的车速，km/h；PKG为二进制参数，设置使用率超过30%的路侧停车位取值为1，否则取值为0；AREA为二进制参数，周边土地利用类型若为居住区取值为1，否则取值为0；AF为附加调整因子。若存在违章占道停车的现象，则
 | (7) |
式中：BLWr为机动车道实际宽度，m；Wip为违章停车的横向宽度，取值为3.0 m；OSPA为路段机动车违章占道停车百分比。附加调整因子见表 4，AF计算式为
表 4 附加调整因子 Table 4 Additional adjustment factor
| 重车交通量/(辆·h-1) | f1 | 停车时间/min | fp | 右转交通量/(辆·h-1) | frt |
| < 15 | 0.6 | ||||
| ≥120 | 0.5 | 16~30 | 0.5 | ||
| 60~90 | 0.4 | 31~60 | 0.4 | ||
| 30~59 | 0.3 | 61~120 | 0.3 | >270 | 0.1 |
| 20~30 | 0.2 | 121~240 | 0.2 | < 270 | 0 |
| 10~19 | 0.1 | 241~480 | 0.1 | ||
| < 10 | 0 | >80 | 0 |
表选项
 | (8) |
式中：f1为重车交通量调整因子；fp为停车时间调整因子；frt为右转交通量调整因子。
对比非机动车交叉口服务水平的测算可以发现，影响非机动车连接段服务水平的影响因素较多，测算也较为复杂，其原因可归结为道路连接段机非混行情况严重，缺少交通管制，秩序性较混乱等。
2.4.3 非机动车交通系统评价综合指标值 已有文献对于非机动车道路服务水平的测算一般是只考虑了连接段部分，没有考虑道路不同部分的综合影响因素。基于非机动车交叉口和道路连接段的得分情况，可通过连接段的旅行时间进行分段加权平均，测算非机动车道路的整体服务水平。改进的非机动车道路服务水平模型为[13]
 | (9) |
式中：CompIi为第i条交叉口或者连接段的非机动车服务水平得分；CompTimei为非机动车通过第i条交叉口或者连接段的时间。
3 改善方案与基于层次分析法和熵理论的改善方案评价模型 交通设计的实质是合理组合现有的空间资源和时间资源，从而达到交通安全、畅通、快速、便捷以及环境和谐的目的。理论上讲, 城市道路应该为各种交通工具分别提供相应的行驶空间。然而，随着城市机动化，非机动车与机动车之间的冲突显著增加。同样，随着电动车数量的急剧增加，自行车与电动车之间的矛盾也进一步加剧。因此，需要改善城市非机动车道路，为自行车与电动车的运行分别提供独立、安全的道路空间[15]。目前，已有文献鲜有关于自行车与电动车分道行驶的准确论述，尚缺少如何组织电动车与自行车交通的方法论。鉴于此，本节首先提出将非机动车道与机动车道分离的方法，其次详细论述了将自行车道与电动车道隔离的方式。
对于改善方案的评价需要构建非机动车交通系统评价指标体系, 此评价指标体系应包括2个层次：第1层次是类别指标, 包含物理指标、运行状态和安全指标; 第2层次是基础指标。当前评价分析方法主要为评价机动车系统而设立，可以发现，这些方法在评价非机动车系统方面并不适用, 无法满足城市建设评价分析的需求。因此，本节提出了基于层次分析法和熵理论的改善方案评价模型，此评价模型只应用于道路的连接段部分的非机动车系统，由于层次分析法是一种主观赋权的方法，在准确性上具有一定的局限性[16]。
3.1 设计改善方案 城市非机动车道路设施改善主体思路可归结为3点：①通过抬高非机动车道的方式，给非机动车以独立的交通行驶空间，从而达到在空间上非机动车与机动车的分离，进而提高非机动车运行效率; ②根据“机非分离”的理念，通过将非机动车系统移出机动车系统平面，进而与步行系统整合的方式，达到快慢系统分离的效果。③通过用不同颜色材料对非机动车道进行铺装，将自行车道与电动车道涂装不同的颜色，以达到引导隔离的作用，使自行车与电动车骑乘者能够各行其道，减少彼此之间的干扰，达到提高安全性的目的。
根据2.1节与2.2节对道路断面形式以及非机动车道路隔离方式的分析，参照规划设计的原则，结合道路功能、道路定位，本文提出了城市非机动车道路改善设计方案，如图 5所示。这种改善方案将对与机动车道在同一高度平面上的非机动车道抬升5~7 cm的高度，在空间上形成机动车与非机动车的隔离，对自行车道与电动车道分别采用不同颜色材料进行铺装，形成自行车与电动车之间的隔离引导。
 |
| 图 5 断面改善方案 Fig. 5 Section improvement scheme |
| 图选项 |
3.2 基于层次分析法和熵理论的非机动车系统评价指标体系的建立 本文首先利用层次分析法对非机动车系统评价问题进行深入的剖析，构建多级层次化模型并对各个属性参数指标根据专家打分进行主观赋权。然后，引入信息熵的理论求得判决属性对应的熵权作为各个参数指标的客观权重[16]。
3.2.1 评价指标层次结构模型的构建 非机动车系统评价指标体系层次结构模型的建立应综合考虑非机动车道的物理指标、非机动车自身的运行状态以及安全指标，本文共选取了17项指标，如表 5所示[17]。
表 5 评价指标体系 Table 5 Evaluation index system
| 类别指标 | 基础指标 |
| 物理指标 | 是否设置非机动车道 |
| 非机动车道上是否明确划分自行车道与电动车道 | |
| 自行车道有效宽度 | |
| 电动车道有效宽度 | |
| 非机动车道的连续性 | |
| 非机动车道非直线系数 | |
| 非机动车道路面品质 | |
| 机动车占用非机动车道停车情况 | |
| 运行状态 | 自行车流量 |
| 电动车流量 | |
| 自行车速度 | |
| 电动车速度 | |
| 自行车与电动车混行程度 | |
| 机非混行程度 | |
| 安全指标 | 非机动车道与机动车道采用划线隔离还是物理隔离 |
| 自行车道与电动车道采用划线隔离还是物理隔离 | |
| 非机动车道与人行道有无隔离 |
表选项
3.2.2 部分指标含义及量化公式 1) 非机动车道的连续性
由于障碍物、建筑物等设施造成的非机动车道的物理间断，影响了非机动车道的连续性，一般用连通系数ZL对连续性进行量化，计算式为
 | (10) |
式中：Lnon为非机动车长度，m；Lqs为非机动车道缺失长度，m。
通过式(10)可以发现，路段的间断越多，其相应的连通系数越低。
2) 非机动车道非直线系数
非机动车道非直线系数ZN表征的是非机动车道物理状况，其定义为：非机动车道实际长度LS与非机动车道两端直线长度LD的比值，计算式为
 | (11) |
3.3 层次分析法与熵理论
3.3.1 指标权重的确定 基础指标组合权重的确定需要将层次分析法和熵理论获取的基础指标权重进行加权组合, 下面分别介绍基础指标权重以及组合权重的获取方法。
1) 层次分析法确定基础指标主观权重
层次分析法是将与决策总是有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在专家打分法的基础之上进行定性和定量分析的系统分析方法。在非机动车交通系统评价分析中，应用层次分析法求得各基础指标的权重为Wj。
2) 熵理论确定基础指标客观权重
熵是系统状态不确定性的一种度量，应用熵可以度量评价指标体系中指标数据所蕴含的信息量，并依此确定各指标的权重。熵理论是一种客观赋权法，在非机动车交通系统评价分析中，应用熵理论求得各基础指标的熵权为βj。
3) 计算基础指标组合权重
通过层次分析法求得各基础指标的主观权重为Wj，结合基础指标的客观熵权βj可以得到第j个指标的组合权重μj，使得判决指标的主、客观权重决策结果偏差变小：
 | (12) |
3.3.2 指标属性的识别及修正处理 指标属性识别是指识别指标属于正向指标或是负向指标。在非机动车交通系统评价指标中，负向指标有：非机动车道非直线系数、机动车占用非机动车道停车情况、自行车与电动车混行程度等。由于计算需要，需要对负向指标进行修正，以保证计算结果的准确性。
指标修正处理包括指标正向化和无量纲化处理。为保证原指标的分布规律，采用负数法进行负向指标的正向化处理。为能准确反映原始数据中各指标变异程度上的差异，采用均值法对指标进行无量纲化处理[16]。
1) 负数法进行指标正向化处理:
 | (13) |
2) 均值法进行指标无量纲化处理
 | (14) |
式中：rij为原始指标值；yij为修正指标值。
3.3.3 综合指标值的计算 由3.3.1节可知，非机动车交通系统评价体系基础指标数据标准化矩阵为Ym×n，m为待评项目数量，n为评价指标个数；而n个评价指标的组合权重向量为U=(μj)n，则非机动车交通系统评价综合指标值Z矩阵计算公式为
 | (15) |
式中：zi为第i个待评项目的综合指标值。
在得到Z值矩阵以后，可对城市非机动车道路改善前后的效果进行对比。本节提出行之有效的改善方案，并对改善前后的效果进行定量分析。本文采用了层次分析法和熵理论来确定权重，层次分析法较主观地确定各因素的权重，熵理论对权重进行修正，这样得到的组合权重客观而可信。
4 应用案例 本节以焦作市政二街道路的非机动车改善为具体案例，阐述所提出改善方法的具体应用步骤，并基于层次分析法与熵理论对改善方案进行评价与分析。
4.1 焦作市非机动车道现状 焦作市作为代表性中等城市，非机动车特别是电动车保有量非常高，但非机动车道组织不合理，服务对象不明确。焦作市70%以上的支路只以地面标线区分机动车道与非机动车道。非机动车道的宽度在各个区域也有所不同。从图 6可以看出，焦作市非机动车道在北部老城区较窄，有些道路为双向两车道，没有设置非机动车道，南部高新区为新规划的区域，非机动车系统基础设施较为完善，非机动车道宽度都在3.5 m以上。
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| 图 6 焦作市非机动车道宽度情况 Fig. 6 Width of non-motorized lane in Jiaozuo |
| 图选项 |
焦作市政二街路段是典型的一块板道路，是焦作市一块板道路的典型代表。图 7即是政二街与人民路和丰收路交叉口之间路段的机非混行情况。从图 7可以看到，机动车占用非机动车道行驶，电动车在机动车道上行驶，路边随意停放车辆的现象十分普遍，行人、电动车乱穿马路，交通状况十分混乱。
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| 图 7 一块板道路政二街的交通情况 Fig. 7 Traffic conditions on a board road of Zhenger Street |
| 图选项 |
为了验证第1节提出的城市中心区非机动车系统现状与问题成因分析的合理性，同时更加全面地了解焦作市非机动车系统面临的问题，特进行了问卷调查，获取到有效问卷共231份，其中男性为173人，约占74.9%；女性为58人，约占25.1%。根据调查结果显示，市民普遍认为焦作市非机动车道存在的主要问题有机动车泊车、机动车行驶、行人占道、自行车道不普及、划线混乱不易辨识等问题；市民认为非机动车道上的不安全因素主要有行人行走、电动车行驶、出租车以及私家车随意停放、公共汽车进出站、机动车司机开门不看骑乘者等，具体调查结果如图 8所示。
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| 图 8 焦作市非机动车道存在的问题与不安全因素调查结果 Fig. 8 Problems of non-motorized lanes in Jiaozuo and investigation results of unsafe factors |
| 图选项 |
根据调查结果显示，在被调查的231人中，其中有117人在骑自行车的过程中发生过与机动车的冲突，事故率为50.6%；有163人发生过与电动车的冲突，事故率为70.6%。可见焦作市非机动车系统存在很严重的问题，骑乘者的人身安全得不到有效保障。对于非机动车道现有秩序，只有3%的人持满意态度，10%的人持很不满意的态度，82%的人持不满意的态度。可见绝大多数人对非机动车交通现状非常不满，非机动车出行需求得不到满足，因此这种局面急需交通规划者与政策制定者的整改。综上所述，调查问卷呈现的结果与第1节提出的观点呈吻合状态。可见，城市中心区非机动车系统问题颇多，亟待交通规划者与城市政策制定者的解决。
4.2 焦作市非机动车道主要技术指标 本文以焦作市政二街路段为例，分析讨论提出的非机动车道改善方案。
4.2.1 政二街路段自行车道宽度 经过连续2天对政二街路段早、晚高峰的调查，得到高峰小时交通量如表 6所示。
表 6 政二街路段高峰小时交通量 Table 6 Peak hourly traffic volume of Zhenger Street
| 天数 | 早/晚 | 交通量 | ||||
| 公交车/(辆·h-1) | 小汽车/(辆·h-1) | 自行车/(辆·h-1) | 电动车/(辆·h-1) | 行人/(人·h-1) | ||
| 第1天 | 早 | 31 | 743 | 126 | 1 080 | 93 |
| 晚 | 37 | 755 | 115 | 969 | 36 | |
| 第2天 | 早 | 34 | 729 | 127 | 1 026 | 65 |
| 晚 | 35 | 870 | 95 | 897 | 67 | |
表选项
根据表 2可知，道路连接段处，一条自行车道的理论通行能力可取1 500辆/h，经过调查得知，高峰小时实际交通量为127辆/h。该路段自行车交通量暂时处于非饱和状态，根据焦作市最新交通规划文件显示，非机动车基础设施建设将增加，同时ofo等公司将向焦作市大量投入共享单车，可以预见，市区内自行车保有量势必急剧增加，自行车出行需求大大提升。因此，考虑到机非混行的各种弊端，合理设置自行车专用道非常重要。
根据自行车专用道设置的相关准则，得出对于政二街路段的改善方案为：设置一条自行车道，宽度为1 m。鉴于车道一侧与路边相邻，所以加设0.25 m的侧向净空，则该自行车道的总宽度应为1.3 m。
4.2.2 政二街路段电动车道宽度 由表 6可知，政二街路段电动车最大小时交通量为1 080辆/h。政二街路段测得的电动车平均车速为25.25 km/h。
根据式(4)计算可得，电动车道宽度为3.1 m，因为一侧与路边相邻，所以应额外增加侧向净空0.25 m，则电动车道的宽度约为3.4 m。
4.2.3 政二街路段非机动车交通服务水平 1) 非机动车道交叉口服务水平
焦作市政二街是本文重点研究路段，具体布设如图 9所示，它是一条南北向的道路，南起龙源路，北至站前路，总长度为3 170 m，为一块板道路，采用标线隔离，计算所需数据主要在丰收路至人民路路段测得。
 |
| 图 9 政二街现状 Fig. 9 Current situation of Zhenger Street |
| 图选项 |
以人民路与政二街交叉口南进口道与丰收路与政二街交叉口北进口道为例，如图 9所示，其中人民路与政二街交叉口为交叉口1，丰收路与政二街交叉口为交叉口2，其交通量调查结果如表 7所示。
表 7 交叉口1、2交通量 Table 7 Traffic volume at intersection 1 and 2
| 交叉口 | 交通量/(辆·h-1) | ||
| 直行 | 左转 | 右转 | |
| 1 | 297 | 161 | 316 |
| 2 | 197 | 39 | 90 |
表选项
根据式(5)可求得人民路与政二街交叉口服务水平得分Iint=3.995，服务等级为D级。
相应的政二街与丰收路交叉口，根据式(5)求得服务水平得分Iint=2.417，服务等级为C级。
2) 非机动车道连接段服务水平
政二街非机动车道连接段情况如表 8所示，连接段1为人民路至丰收路路段，连接段2为丰收路至映湖路路段，其中连接段1设置的路侧机动车停车位占用的非机动车道宽度为2 m。
表 8 政二街非机动车道连接段基本信息 Table 8 Basic information of non-motorized lane connection section of Zhenger Street
| 调查项目 | 连接段1 | 连接段2 |
| 隔离形式 | 标线隔离 | 标线隔离 |
| 非机动车道宽度/m | 3.5 | 3.5 |
| 路缘车道宽度/m | 3.5 | 3.5 |
| 机动车道数(单向) | 2 | 2 |
| 限制车速/(km·h-1) | 50 | 50 |
| 土地利用类型 | 住宅、商业 | 工业 |
| 是否布设路侧停车位 | 是 | 否 |
| 停车位个数 | 182 | — |
| 停车位利用率/% | 88 | — |
表选项
以连接段1为例，由调查结果显示重车交通量为30辆/h，根据式(6)求得服务水平得分Ilink=4.37，根据服务等级划分标准，该连接段服务水平为D级。
相应的根据式(6)计算连接段2，求得的服务水平得分Ilink=2.18，根据服务等级划分标准，该连接段服务水平为B级。
3) 非机动车道路服务水平
根据调查，各连接段非机动车行驶速度及其行驶时间调查结果如表 9所示。
表 9 政二街非机动车道各连接段行驶速度和行驶时间 Table 9 Driving velocity and travelling time of non-motorized lane connection section in Zhenger Street
| 连接段 | 长度/m | 行驶速度/(m·s-1) | 行驶时间/s |
| 1 | 670 | 3.62 | 185 |
| 2 | 670 | 3.94 | 170 |
表选项
因此，根据城市非机动车道路服务水平计算式(9)，求得服务水平得分为
 |
根据服务等级划分标准，该非机动车道路段服务水平为C级。
4.3 焦作市非机动车道设计改善方案 为了提出适用于焦作市非机动车道的改善方案，特对焦作市各主要道路的断面形式及其非机动车道隔离方式进行了实地调研，调查情况如表 10所示。
表 10 焦作市主要道路横断面情况及机非隔离方式 Table 10 Main road cross section of Jiaozuo and isolation mode of motor and non-motor vehicles
| 道路名称 | 断面形式 | 机非隔离方式 | 是否布设路侧停车位 |
| 迎宾路 | 四块板 | 绿化带隔离 | 是 |
| 丰收路 | 三块板 | 绿化带隔离 | 否 |
| 人民路 | 两块板 | 划线隔离 | 否 |
| 解放路 | 三块板 | 分隔带隔离 | 否 |
| 塔南路 | 四块板 | 分隔带隔离 | 是 |
| 焦东路 | 一块板 | 划线隔离 | 否 |
| 民主路 | 一块板 | 划线隔离 | 否 |
| 建设路 | 三块板 | 绿化带隔离 | 是 |
| 世纪路 | 三块板 | 绿化带隔离 | 是 |
| 山阳路 | 三块板 | 绿化带隔离 | 是 |
| 工业路 | 三块板 | 绿化带隔离 | 是 |
| 站前路 | 一块板 | 划线隔离 | 是 |
| 政二街 | 一块板 | 划线隔离 | 是 |
| 龙源路 | 三块板 | 绿化带隔离 | 否 |
| 和平街 | 一块板 | 划线隔离 | 是 |
表选项
从表 10中可以看出，焦作市大部分道路为一块板和三块板道路，因此，下面提出的改善方案应主要适用于一块板与三块板道路。
此改善设计以焦作市政二街路段为例，此道路断面形式为一块板道路，机动车道为双向四车道，单机动车道宽度为3.5 m，两侧各有3.5 m宽的非机动车道，机动车道与非机动车道之间采用划线隔离，人行道宽度为4 m，在道路两侧分别划有2 m宽的停车位，停车位使用率达到88%。
根据4.2节的计算，得到改善后道路非机动车宽度应为4.7 m，其中属于自行车道部分的宽度应为1.3 m，属于电动车道的部分宽度应为3.4 m。
1) 原始道路断面
原始道路断面如图 10所示。政二街原始道路断面为为机动车与非机动车共用一块板道路，隔离方式为划线隔离。优点是节省道路资源，道路交通状况不好时，机动车可以通过临时占用非机动车道路来缓解交通压力。缺点为：①机非混行降低通行效率，增加安全隐患；②路边停车干扰非机动车行驶；③非机动车占用机动车道，造成安全隐患；④电动车与自行车混行，互相造成干扰。
 |
| 图 10 政二街路段原始道路断面 Fig. 10 Original road section of Zhenger Street |
| 图选项 |
2) 改善方案
政二街路段改善方案横断面设置形式如图 11所示，其中自行车道与电动车道分别采用不同颜色涂料进行涂装，已达到隔离自行车道与电动车道的目的。
 |
| 图 11 政二街路段改善方案 Fig. 11 Improvement scheme of Zhenger Street |
| 图选项 |
改善方案的道路断面为非机动车道与机动车道共用一块板面，但是位于不同的高度层；自行车与电动车处于同一高度层，但是用不同颜色涂装进行隐形隔离，人行道位于最高层。隔离方式为通过抬升非机动车道形成空间隔离。优点为：①将非机动车道从原来的与机动车道同一高度的平面抬升5~7 cm的高度，在空间上形成机动车与非机动车的隔离；②路边的绿化设施也能对非机动车和行人之间形成一定的隔离，给非机动车行驶营造独立的空间；③非机动车道抬升后，杜绝了机动车路边随机停车的现象；④发生事故时，将事故车辆移除就可以很快地恢复交通运行，不需要维修更换支出；⑤对自行车道与电动车道之间采用不同颜色铺装的形式进行隔离，达到导向行驶作用，减少二者之间的相互干扰；⑥电动车道一侧安装防护栏防止电动车摔下台阶的情况出现，保障电动车出行者的安全；⑦良好的道路条件也将起到引导并增加绿色交通出行的比例。缺点为增加修建成本。
4.4 政二街路段非机动车道改善方案评价
4.4.1 建立层次分析结构图 结合本次选取的7项基础指标，建立非机动车系统综合评价层次结构如表 11所示。
表 11 层次结构 Table 11 Hierarchy structure
| 准则层(类别指标) | 指标层(基础指标) |
| 设施类W1 | W11：非机动车道非直线系数 |
| W12：是否设置非机动车道 | |
| W13：非机动车道上是否明确划分自行车道与电动车道 | |
| W14：机动车占用非机动车道路侧停车比例 | |
| 运行类W2 | W21：自行车流量，辆/h |
| W22：自行车速度，km/h | |
| 安全类W3 | W31：非机动车道与机动车道是否有效隔离 |
| W32：自行车道与电动车道是否有效隔离 | |
| W33：非机动车道与人行道有无隔离 | |
| 注：目标层为非机动车交通系统综合评价。 | |
表选项
4.4.2 数据调查与计算 1) 基础指标数据的获取
通过调查及计算，获取政二街路段自行车交通系统基础指标原始数据如表 12所示。
表 12 基础指标原始数据 Table 12 Raw data of basic indicators
| 指标 | 改善前 | 改善后 |
| W11 | 1 | 1 |
| W12 | 0 | 1 |
| W13 | 0 | 1 |
| W14 | 0.88 | 0 |
| W21 | 978 | 1 100 |
| W22 | 11.79 | 18.00 |
| W31 | 0 | 1 |
| W32 | 0 | 1 |
| W33 | 0 | 1 |
表选项
2) 计算综合指标值
首先利用层次分析法求基础权重，邀请10名专家进行问卷调研获取原始调查数据，计算判断矩阵最大特征根，利用特征根法求得各类指标的权重。然后针对基础指标，利用熵理论计算熵权。最后，获取基础指标组合权重，结果如表 13所示。
表 13 相关指标权重 Table 13 Relative indicator weights
| 准则层 | 准则层对目标层权重 | 指标层 | 指标层对目标层权重 | 熵权 | 组合权重 |
| W1 | 0.310 | W11 | 0.075 0 | 0.167 1 | 0.119 3 |
| W12 | 0.165 7 | 0.083 6 | 0.131 8 | ||
| W13 | 0.096 7 | 0.083 6 | 0.076 9 | ||
| W14 | 0.090 8 | 0.083 6 | 0.072 2 | ||
| W2 | 0.248 | W21 | 0.062 0 | 0.166 9 | 0.098 5 |
| W22 | 0.126 0 | 0.164 6 | 0.197 4 | ||
| W3 | 0.442 | W31 | 0.145 9 | 0.083 6 | 0.116 1 |
| W32 | 0.113 0 | 0.083 6 | 0.089 9 | ||
| W33 | 0.123 1 | 0.083 6 | 0.097 9 | ||
| 注：目标层为非机动车交通系统。 | |||||
表选项
对指标属性进行识别及修正，识别负向指标：机动车占用非机动车道路侧停车比例(W14)、自行车流量(W21)。针对负向指标采用负数法进行指标的正向化处理，并对原正向指标和处理后的指标采用均值法进行无量纲化处理，得到无量纲的指标值，结果如表 14所示。
表 14 经正向化和无量纲化处理后的指标值 Table 14 Index values after normalization and dimensionless treatment
| 指标 | 改善前 | 改善后 |
| W11 | 1 | 1 |
| W12 | 0 | 2 |
| W13 | 0 | -2 |
| W14 | -2 | 0 |
| W21 | 0.941 3 | 1.058 7 |
| W22 | 0.791 5 | 1.208 5 |
| W31 | 0 | 2 |
| W32 | 0 | 2 |
| W33 | 0 | 2 |
表选项
经过上述计算，最终获得政二街路段非机动车交通系统改善前后的综合指标值。由式(15)可求得改善前评价综合指标值为0.022 39，改善后为1.179 4，远大于改善前的指标值。由数据可见，此改善方案显著提高了政二街路段非机动车系统的运行服务水平，机非混行、机动车占道行驶等问题也将得到改善，也证明改善方案的可实施性。
5 结论 本文试图通过对城市非机动车系统进行一系列的调查与研究，寻找到一种行之有效的非机动车道改善方案，为大部分城市存在的机非混行等问题提供一些新的解决方法。本文的主要结论如下：
1) 本文对目前非机动车道存在的问题，做出了相对全面、准确的分析，并且指出了目前亟需解决的问题，并对各种问题的成因进行了分析讨论。
2) 本文分析了目前城市道路断面形式以及非机动车道与机动车道常用隔离方式，并通过查阅资料，提出一种空间隔离措施——将非机动车道抬升一定的高度，从而达到与机动车的分离的目的。并且针对电动车与自行车混行的现状，提出一种新的措施，将自行车道与电动车道抬升到同一高度，用不同颜色涂装，起到警示引导的作用，让两者各行其道，互不干扰，起到隐形隔离的效果。
3) 本文采用了一种新的评价模型——基于层次分析法与熵理论的非机动车交通系统评价模型，以焦作市政二街为例，对于采取改善方案前后进行了对比评价，验证了改善方案的有效性。
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