高速公路限速設施對車輛燃油效率的影響研究

蘇 騰，孫小端，賀玉龍

（中國城市規(guī)劃設計研究院，北京 100044）

0 引言

交通運輸業(yè)的發(fā)展大大加快了我國經濟增長的步伐，但運輸系統(tǒng)燃油的過度消耗不僅會造成能源的短缺，更會對生態(tài)環(huán)境產生巨大的負面作用，汽車尾氣排放已經成為大中城市空氣污染的重要來源。近幾年來我國中東部地區(qū)已出現(xiàn)多次大范圍霧霾天氣，2013年1月份北京的霧霾天氣數(shù)量更是多達25d，這與汽車尾氣的排放密切相關。據央視報道，以北京的空氣為例，霧霾顆粒來源中居于首位的就是機動車尾氣，占22.2%；其次才是燃煤、揚塵以及工業(yè)廢氣等。

因此，降低運輸系統(tǒng)的燃油消耗、減少尾氣排放對于國民經濟和社會的發(fā)展有著重要的意義。而當下為保障車輛運行安全，我國在加強高速公路建設的同時，又采用多種限速設施來將車輛速度控制在一定的范圍內，這在影響車輛運行速度的同時，也勢必會對車輛的燃油消耗及尾氣排放帶來一定的影響。目前國內外對這一問題的研究還很少。國外對何種速度最具有燃油經濟性進行了研究[1-2]，而國內則對限速設施的減速效果[3]以及城市道路系統(tǒng)中的燃油效率做了一些研究[4-5]。本文運用TruckSim軟件，通過仿真實驗對高速公路常用限速設施對大車（軸距大于3.8m）燃油效率帶來的影響進行了研究，定量分析了這一影響的程度，為進一步科學、合理地布設和使用限速設施提供了依據。

1 研究思路

首先通過實地調研確定所研究的限速設施的基本情況，如具體類型、所在位置、道路線形及路面狀況等，并對大車在某一限速設施前、中、后三個斷面（如圖1）的實際運行速度數(shù)據V85（實際）進行了采集和整理分析；隨后運用運行速度預測模型[6]計算假設不存在該限速設施時大車在同樣三個斷面的預測運行速度V85（預測）；最后通過汽車仿真軟件Trucksim對車輛的以上兩種運行情況進行了仿真實驗，得到所需燃油消耗量的對比數(shù)據。具體技術路線如圖2所示。

圖1 速度限制設施前后斷面示意圖

圖2 技術路線示意圖

2 基礎數(shù)據分析

2.1 數(shù)據采集

本次選取高速公路上廣泛使用的警示型限速標牌和垂直式物理型震動減速帶為研究對象，具體地點如下。

（1）限速標牌：西漢高速公路漢中往西安方向K55+210~K54+900段，此路段為下坡多彎路段，大、小車統(tǒng)一限速60km/h，限速標牌路段斷面信息見表1。

表1 限速標牌路段斷面信息表

（2）震動減速帶：云南羅富高速公路K44+340附近的熱塑震動減速帶前后，此路段為下坡路段，減速帶路斷面信息見表2。

表2 減速帶路斷面信息表

除道路幾何線形資料以外，根據需要，運用MetroCount5600氣壓管式交調儀，采集了限速設施前、中、后三個斷面的某一天的24h內所有通過車輛的運行速度，并篩選出大車85%位車速（模型預測速度亦為85%位車速）作為實際運行速度。

2.2 實際速度分析

通過分析兩類限速設施的實際運行速度發(fā)現(xiàn)，車輛在經過限速設施時一般均有一個速度先降低后升高的過程。當駕駛員發(fā)現(xiàn)限速設施的存在時，往往依據限速標牌的限速值或者期望降低經過減速帶時車輛震動帶來的不適感而降低車速，以一個較低的速度經過限速設施，而后在道路線形條件允許的情況下，往往會使速度快速提升或者說恢復到一個較高的水平，以求更快地通過。具體觀測數(shù)據如表3、表4所示。

表3 限速標牌前后大車速度統(tǒng)計

表4 減速帶前后大車速度統(tǒng)計

2.3 預測速度計算

運行速度預測模型來源于交通運輸部《公路項目安全性評價指南》（JTG/T B05—2004）。根據實地調研得到的高速公路線形資料，針對兩種限速設施所在路段幾何線形條件，找到相對應的運行速度預測公式，計算出沒有限速設施情況下同一路段的車輛的預測運行速度V85（預測），具體數(shù)值見表5。

表5 限速設施前、中、后大車運行速度預測

3 仿真及結果分析

3.1 參數(shù)標定

（1）車輛類型

選取最為普遍的三軸普通貨車[7]作為仿真車型，額定載重5.5t，發(fā)動機功率為175kW。

（2）道路參數(shù)

道路形式選擇雙向四車道高速公路，車道寬3.75m，具體線形數(shù)據使用實地調研獲得的各個斷面數(shù)據，包括平縱曲線長度、半徑、坡度等。

3.2 對比分析

進行仿真實驗前首先用大客車車型對燃油消耗量的精度進行了校驗，與實際值[8]相比，誤差在5%左右，因實驗結果會以比值形式來展現(xiàn)，因此可以在很大程度上抵消這一誤差。

將道路及速度數(shù)據分別輸入Trucksim得到仿真輸出結果如表6所示。

表6 仿真結果統(tǒng)計

在同一路段上，若無限速設施，車輛運行速度V85（預測）將會有一個較平穩(wěn)、持續(xù)的變化，而限速設施的存在，使得車輛速度V85（實際）在限速設施前后經歷了一個先降低后升高的過程。相應的，速度的上下波動帶來了車輛運行時間和燃油消耗量的增加，尤其在燃油消耗總量方面，限速設施的存在使得燃油消耗量有了成倍的增加。結合燃油消耗率曲線圖進行具體分析，整個過程可分為以下兩個階段。

（1）限速設施前：受限速設施影響，駕駛員通常會采取放松油門或制動等措施來降低車輛運行速度，同時降低發(fā)動機輸出功率以及燃油消耗率，這在一定程度上減少了燃油消耗總量。

（2）限速設施后：脫離限速設施制約后，駕駛員逐步提升車輛運行速度，通過對比實際及預測的燃油消耗率曲線可知，這一過程燃油消耗率大大提高，其燃油消耗的增加量遠遠大于前半段道路燃油消耗的減少量。限速標牌前后燃油消耗率隨時間的變化如圖3所示、震動減速帶前后燃油消耗率隨時間的變化如圖4所示。

圖3 限速標牌前后燃油消耗率與時間的關系圖

圖4 震動減速帶前后燃油消耗率與時間的關系圖

4 限速設施使用建議

平均每克燃油會產生2.7g CO、CO2，以西漢高速的限速標牌路段為例，每輛貨車在經過此限速設施時會多消耗大約100g燃油，多釋放270g CO、CO2，以此路段日均1萬輛貨車流量計算，一年就將增加近50萬升燃油消耗和接近1 000t的CO、CO2排放，而這僅是一條高速公路上的一處限速設施導致的貨車尾氣排放增加量。

因此，很有必要建立一套包含安全性、經濟性等多方面指標的評價體系，針對目前高速公路已有的限速設施進行綜合評價，對于某些對車輛行駛安全并未帶來任何正面效用的限速設施，建議撤除，以降低其對燃油經濟性和大氣污染防治帶來的負面影響，力爭做到科學、合理地使用限速設施。

5 結語

本文通過仿真實驗說明，高速公路限速設施對車速的限制作用存在一定的短暫性，車輛在通過限速設施時大都會經歷速度先降低后升高的過程，而這一過程會使車輛燃油消耗量增加，對燃油經濟性帶來較大的負面影響，同時對大力建設資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會是極為不利的。

限速設施的使用應更為貼近自然，更具有生態(tài)性和科學性，應當打破基于單一方面的評價機制，去研究一種更為全面的評價體系，綜合安全性、燃油經濟性等多方面因素，并制定出各因素的合理權重，以便科學評價限速設施效果。以精細化為導向提高設施使用效率，將是后續(xù)研究的重點。

[1] Van Mierlo J,Maggetto G,Van de Burgwal,et al.Driving Style and Traffic Measures-Influence on Vehicle Emis?sions and Fuel Consumption[J].Journal of Automobile En?gineering,2004,218(1):43-50.

[2] 王超.道路速度控制設施效果評價研究[D].北京：北京工業(yè)大學，2009.

[3]李燁.城市道路的燃油經濟性分析[J].機械管理開發(fā)，2006（6）：116-117.

[4] 項喬君.城市交通系統(tǒng)汽車燃油消耗研究[D].南京：東南大學，2000.

[5]JTG/T B05—2004，公路項目安全性評價指南[S].

[6] GB/T 3730.1—2001，汽車和掛車類型的術語和定義[S].

[7]GB/T 4353—2007，載客汽車運行燃料消耗量[S].

[8] 交通部公路科學研究院.《高速公路運行速度設計方法與標準》研究報告[R].北京：交通部公路科學研究院，2003.