高速公路限速设施对车辆燃油效率的影响研究

苏 腾，孙小端，贺玉龙

（中国城市规划设计研究院，北京 100044）

0 引言

交通运输业的发展大大加快了我国经济增长的步伐，但运输系统燃油的过度消耗不仅会造成能源的短缺，更会对生态环境产生巨大的负面作用，汽车尾气排放已经成为大中城市空气污染的重要来源。近几年来我国中东部地区已出现多次大范围雾霾天气，2013年1月份北京的雾霾天气数量更是多达25d，这与汽车尾气的排放密切相关。据央视报道，以北京的空气为例，雾霾颗粒来源中居于首位的就是机动车尾气，占22.2%；其次才是燃煤、扬尘以及工业废气等。

因此，降低运输系统的燃油消耗、减少尾气排放对于国民经济和社会的发展有着重要的意义。而当下为保障车辆运行安全，我国在加强高速公路建设的同时，又采用多种限速设施来将车辆速度控制在一定的范围内，这在影响车辆运行速度的同时，也势必会对车辆的燃油消耗及尾气排放带来一定的影响。目前国内外对这一问题的研究还很少。国外对何种速度最具有燃油经济性进行了研究[1-2]，而国内则对限速设施的减速效果[3]以及城市道路系统中的燃油效率做了一些研究[4-5]。本文运用TruckSim软件，通过仿真实验对高速公路常用限速设施对大车（轴距大于3.8m）燃油效率带来的影响进行了研究，定量分析了这一影响的程度，为进一步科学、合理地布设和使用限速设施提供了依据。

1 研究思路

首先通过实地调研确定所研究的限速设施的基本情况，如具体类型、所在位置、道路线形及路面状况等，并对大车在某一限速设施前、中、后三个断面（如图1）的实际运行速度数据V85（实际）进行了采集和整理分析；随后运用运行速度预测模型[6]计算假设不存在该限速设施时大车在同样三个断面的预测运行速度V85（预测）；最后通过汽车仿真软件Trucksim对车辆的以上两种运行情况进行了仿真实验，得到所需燃油消耗量的对比数据。具体技术路线如图2所示。

图1 速度限制设施前后断面示意图

图2 技术路线示意图

2 基础数据分析

2.1 数据采集

本次选取高速公路上广泛使用的警示型限速标牌和垂直式物理型震动减速带为研究对象，具体地点如下。

（1）限速标牌：西汉高速公路汉中往西安方向K55+210~K54+900段，此路段为下坡多弯路段，大、小车统一限速60km/h，限速标牌路段断面信息见表1。

表1 限速标牌路段断面信息表

（2）震动减速带：云南罗富高速公路K44+340附近的热塑震动减速带前后，此路段为下坡路段，减速带路断面信息见表2。

表2 减速带路断面信息表

除道路几何线形资料以外，根据需要，运用MetroCount5600气压管式交调仪，采集了限速设施前、中、后三个断面的某一天的24h内所有通过车辆的运行速度，并筛选出大车85%位车速（模型预测速度亦为85%位车速）作为实际运行速度。

2.2 实际速度分析

通过分析两类限速设施的实际运行速度发现，车辆在经过限速设施时一般均有一个速度先降低后升高的过程。当驾驶员发现限速设施的存在时，往往依据限速标牌的限速值或者期望降低经过减速带时车辆震动带来的不适感而降低车速，以一个较低的速度经过限速设施，而后在道路线形条件允许的情况下，往往会使速度快速提升或者说恢复到一个较高的水平，以求更快地通过。具体观测数据如表3、表4所示。

表3 限速标牌前后大车速度统计

表4 减速带前后大车速度统计

2.3 预测速度计算

运行速度预测模型来源于交通运输部《公路项目安全性评价指南》（JTG/T B05—2004）。根据实地调研得到的高速公路线形资料，针对两种限速设施所在路段几何线形条件，找到相对应的运行速度预测公式，计算出没有限速设施情况下同一路段的车辆的预测运行速度V85（预测），具体数值见表5。

表5 限速设施前、中、后大车运行速度预测

3 仿真及结果分析

3.1 参数标定

（1）车辆类型

选取最为普遍的三轴普通货车[7]作为仿真车型，额定载重5.5t，发动机功率为175kW。

（2）道路参数

道路形式选择双向四车道高速公路，车道宽3.75m，具体线形数据使用实地调研获得的各个断面数据，包括平纵曲线长度、半径、坡度等。

3.2 对比分析

进行仿真实验前首先用大客车车型对燃油消耗量的精度进行了校验，与实际值[8]相比，误差在5%左右，因实验结果会以比值形式来展现，因此可以在很大程度上抵消这一误差。

将道路及速度数据分别输入Trucksim得到仿真输出结果如表6所示。

表6 仿真结果统计

在同一路段上，若无限速设施，车辆运行速度V85（预测）将会有一个较平稳、持续的变化，而限速设施的存在，使得车辆速度V85（实际）在限速设施前后经历了一个先降低后升高的过程。相应的，速度的上下波动带来了车辆运行时间和燃油消耗量的增加，尤其在燃油消耗总量方面，限速设施的存在使得燃油消耗量有了成倍的增加。结合燃油消耗率曲线图进行具体分析，整个过程可分为以下两个阶段。

（1）限速设施前：受限速设施影响，驾驶员通常会采取放松油门或制动等措施来降低车辆运行速度，同时降低发动机输出功率以及燃油消耗率，这在一定程度上减少了燃油消耗总量。

（2）限速设施后：脱离限速设施制约后，驾驶员逐步提升车辆运行速度，通过对比实际及预测的燃油消耗率曲线可知，这一过程燃油消耗率大大提高，其燃油消耗的增加量远远大于前半段道路燃油消耗的减少量。限速标牌前后燃油消耗率随时间的变化如图3所示、震动减速带前后燃油消耗率随时间的变化如图4所示。

图3 限速标牌前后燃油消耗率与时间的关系图

图4 震动减速带前后燃油消耗率与时间的关系图

4 限速设施使用建议

平均每克燃油会产生2.7g CO、CO2，以西汉高速的限速标牌路段为例，每辆货车在经过此限速设施时会多消耗大约100g燃油，多释放270g CO、CO2，以此路段日均1万辆货车流量计算，一年就将增加近50万升燃油消耗和接近1 000t的CO、CO2排放，而这仅是一条高速公路上的一处限速设施导致的货车尾气排放增加量。

因此，很有必要建立一套包含安全性、经济性等多方面指标的评价体系，针对目前高速公路已有的限速设施进行综合评价，对于某些对车辆行驶安全并未带来任何正面效用的限速设施，建议撤除，以降低其对燃油经济性和大气污染防治带来的负面影响，力争做到科学、合理地使用限速设施。

5 结语

本文通过仿真实验说明，高速公路限速设施对车速的限制作用存在一定的短暂性，车辆在通过限速设施时大都会经历速度先降低后升高的过程，而这一过程会使车辆燃油消耗量增加，对燃油经济性带来较大的负面影响，同时对大力建设资源节约型和环境友好型社会是极为不利的。

限速设施的使用应更为贴近自然，更具有生态性和科学性，应当打破基于单一方面的评价机制，去研究一种更为全面的评价体系，综合安全性、燃油经济性等多方面因素，并制定出各因素的合理权重，以便科学评价限速设施效果。以精细化为导向提高设施使用效率，将是后续研究的重点。

[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.道路速度控制设施效果评价研究[D].北京：北京工业大学，2009.

[3]李烨.城市道路的燃油经济性分析[J].机械管理开发，2006（6）：116-117.

[4] 项乔君.城市交通系统汽车燃油消耗研究[D].南京：东南大学，2000.

[5]JTG/T B05—2004，公路项目安全性评价指南[S].

[6] GB/T 3730.1—2001，汽车和挂车类型的术语和定义[S].

[7]GB/T 4353—2007，载客汽车运行燃料消耗量[S].

[8] 交通部公路科学研究院.《高速公路运行速度设计方法与标准》研究报告[R].北京：交通部公路科学研究院，2003.