我国高速公路应用ETC的节能减排效果分析

文_王继龙 北京节能环保中心

国务院《深化收费公路制度改革取消高速公路省界收费站实施方案》实施一年来，我国电子不停车收费系统（ETC）推广发行超过1.2 亿户，累计用户已达到2 亿户，推广ETC 对于提高运输效率、降低物流成本等方面发挥了重要作用。研究表明：车辆在经过人工收费站时停车缴费以及排队状态下的走走停停，导致发动机频繁处于怠速、低速及加减速状态而使油耗量增加，ETC 的使用则减少了加减速次数和停车排队过程，在缓解收费站拥堵问题的同时，明显减少了车辆燃油消耗、减轻了环境污染。目前来看，系统性分析应用ETC 相比人工收费产生的节油减排效果的相关文献很少，面对我国即将到来的海量的ETC 使用前景，有必要开展详实的实验研究，从推广使用ETC的视角来宣示我国在节能减排方面的贡献。

1 技术路线

首先选取典型高速收费站，实测车辆分别通过ETC 车道和人工收费车道时的速度变化及排队情况，然后在实验室模拟车辆通过ETC 与人工收费车道的全过程并测试油耗及污染物排放量情况，最后通过建立模型估算我国应用ETC 的节能减排效果。

1.1 现场调研

选取位于北京市朝阳区的北京-哈尔滨高速公路出入口——白鹿收费站作为典型收费站进行数据采集。白鹿收费站车道数量适中，具有一定代表性。

1.1.1 车速轨迹监测

采用雷达测速的方法采集距离收费口200m 远范围内车辆减速进入收费口与加速离开收费口的速度变化过程，以及车辆在人工收费车道的服务时间、排队时间、排队长度；车辆在ETC车道的最低通行速度等。

在ETC 收费车道，车辆从距离收费口大概100m 远的位置开始缓慢减速，此时速度平均大约是60km/h，到达收费口时车辆的平均最低速度是24km/h，然后车辆开始加速行驶，到距离收费口100m 远的位置开始速度达到60km/h 左右（详情见图1）。

图1 ETC 车道车辆行驶时间-速度轨迹

在人工收费车道时，车辆在距离收费口160m 左右的位置开始缓慢减速，靠近收费口处时开始停车，如果遭遇排队，车辆在距离收费口6×Nm(N 代表排队的车辆数，以3为例) 处停车，每14s 左右向前移动6m 共停留N 次，离开收费口后在大概140m 的位置车辆开始以正常速度行驶( 详见图2)。

图2 人工收费车道车辆行驶时间-速度轨迹

1.1.2 车流量及类型分布

从白鹿收费站工作日全天的车流量分布情况来看（见图3），不同时段车辆排队的差异性较明显，在早高峰（7 ～10 点）和晚高峰（16 ～19 点）时段车流量的集中度较高，约占全天车总流量的39%，其他时段排队情况有所缓解。

图3 白鹿收费站工作日全天流量分布（辆/h）

参考白鹿收费站对车型的分类，将车型分为5 类。调研数据显示，在通过收费站的总车流量中，小车型占比在96%以上，白鹿收费站日平均车型分布见表1。

表1 北京白鹿收费站日平均车型分布表

1.2 实验室模拟

因A 型车通行量占车辆总通行量的96%以上，故选取排量为2.0L 的A型车作为实验车辆。实验车辆分别模拟其经过ETC与人工收费车道的时间—速度轨迹（见图4、图5）。根据实验获得的以秒为单位的车辆油耗与排放量结果，计算车辆经过ETC收费站的油耗与排放量，以及不同排队长度下车辆经过人工收费车道的油耗与排放量。

图4 车辆经过ETC 收费站的时间—速度轨迹模拟

图5 车辆经过人工收费车道的时间—速度轨迹模拟

2 实验结果

机动车排放的主要污染物为碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx），以此三种污染物和油耗为测试指标，通过实验获取车辆分别经过ETC车道与人工收费车道时的油耗与排放数据（见表2、表3）。由数据可知，在不排队的情况下，车辆平均每次通过ETC车道较人工收费车道可节省油耗3.15mL，减少HC、CO、NOx 分别为0.77g、1.20g、0.27g；在排队情况下，随排队车辆的增加，节能减排效果相应提升。

表2 车辆通过ETC车道的油耗及排放测试结果

表3 车辆通过人工收费车道的油耗及排放测试结果

2.1 油耗及排放估算模型

根据以上实验结果，确定第n 年采用ETC 的节油（减排）量计算公式如下：

Δi——代表到达人工收费车道时如果排队长度为，那么比ETC 车道要多消耗的油量（或多排放的某种废气量）。

其中，车辆在到达人工收费车道之后的排队长度所占的比例的计算方法为，基于白鹿收费站24h 交通量的变化和收费站的车道数，采用传统的排队论，进行排队数测算，然后将排队情况进行加权平均，估算车辆在到达收费站之后的各种排队长度可能概率。

根据不同排队长度的车辆所占的比例，在实验测试结果的基础上，计算得到平均每辆车在经过ETC 车道时，油耗节省量为0.03097L，碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化物的降低量分别为1.2801g、5.7604g、0.3283g,详情见表4。

表4 不同排队长度下ETC车辆的节油减排量计算参数表

2.2 节油减排量测算

根据交通运输部统计数据，新冠肺炎疫情后高速公路恢复收费以来，全国每天ETC 交易量约3000 万笔，略低于去年同期水平。以此交易量数值为依据测算全国当年ETC 总交易量，结合以上估算模型相关参数，可获得我国2019 年全年因使用ETC而产生的节油减排量(见表5)。

表5 我国2019年全年因使用ETC而产生的节油减排量计算结果

3 结论

ETC 的应用可明显改善交通运行状况，车辆无需停车排队等待及停车交费，避免了车辆怠速与多次加减速控制而额外增加的油耗与污染物排放。

通过现场监测及实验室模拟，获取车辆经过ETC 车道与人工收费车道的油耗与排放数值，建立估算模型，得到平均每辆车通过ETC 车道时的节油减排量：油耗节省量为0.03097L，碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化物的降低量分别为1.2801g、5.7604g、0.3283g。

根据模型估算结果及我国2019 年ETC 交易总量，测算得出当年因使用ETC 而产生的节油减排量，油耗减少3.40亿L，碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化物分别降低1.40 万t、6.31 万t、0.36 万t。