ETC環(huán)境下駕駛行為對車輛排放的影響分析

王文娜，曹 靜，石建軍

(北京工業(yè)大學 城市交通學院，北京 100124)

ETC (Electronic Toll Collection )，電子不停車收費系統(tǒng)自20世紀90年代問世以來，在國內外已經(jīng)得到了普遍推廣和應用，它是目前世界上最先進的收費系統(tǒng)，是智能交通系統(tǒng)的服務功能之一。電子不停車收費(ETC)系統(tǒng)的實施，能夠明顯提高收費站區(qū)的車輛通行效率，帶來出行者在途時間節(jié)約、機動車燃料節(jié)約、廢氣排放減少，以及人工運營成本降低等多方面的經(jīng)濟效益[1]，對ETC系統(tǒng)收費站區(qū)的不同駕駛行為的排放進行量化分析具有重要意義。

國內外研究者利用仿真平臺或車輛排放軟件，模擬ETC行駛過程，并測算ETC系統(tǒng)所帶來的排放減少[2-5]；余志[6]采用PARAMICS微觀仿真平臺，結合綜合尾氣排放模型(CMEM)，建立收費站交通運行模型，發(fā)現(xiàn)通過提高速度使通過車輛的油耗總量和尾氣排放量快速下降；陸建[7-8]等從交通特性、交通、安全、能源與環(huán)境、收費運營方面分析了ETC系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，根據(jù)不同層次的評價要求，構建了綜合評價框架；宋國華[9]等利用PEMS收集輕型車的排放數(shù)據(jù)研究了收費站ETC系統(tǒng)的減排效果；翁劍成，榮建[10]等提出ETC系統(tǒng)的環(huán)境效益評價指標和測算模型.通過獲取收費站區(qū)車輛行駛特性，選定7類典型車型開展實車排放測試實驗，模擬車輛通過ETC車道和MTC車道的行駛過程，構建基于排隊長度和車型聚類的ETC環(huán)境效益評價指標計算模型。

由于不同的車輛具有的排量、車輛本身的性能差異性導致尾氣排放的不同，為了排除這些外界因素對駕駛行為的影響。本文通過設計和實施不同駕駛員駕駛同一輛車對排量進行實地測試，收集ETC收費環(huán)境內車輛不同駕駛行為下的瞬時速度和排放數(shù)據(jù)并對其分析研究。

1 駕駛行為分析

駕駛員的駕駛行為并不是簡單的、重復的、單一的，而是一門涉及較多學科，綜合性、系統(tǒng)性、復雜性較強，大腦與肢體相互協(xié)調的操作過程。駕駛員的駕駛行為指標主要表現(xiàn)在四個方面：駕駛人感知、駕駛決策、車輛操控和最終行駛狀態(tài)，在車輛行駛中，駕駛人的感知、決策、操控三個環(huán)節(jié)相互影響的[11]其中感知部分是以駕駛人視覺信息為基礎，從而提出了駕駛決策規(guī)則和反應時間，產(chǎn)生了一系列的駕駛動作，最終決定了車輛的行駛狀態(tài)。從人因工程學動態(tài)測量的角度來講，駕駛行為是由一系列駕駛動作依次發(fā)生和相互配合產(chǎn)生的。

1.1 ETC收費環(huán)境下駕駛行為分析

駕駛員在即將進行高速公路收費時，利用聽覺、視覺等感覺器官對“減速指示牌、周圍車輛信息、道路條件”等外界行駛信息進行收集，并對接收到的信息逐個進行分析、處理和篩選，在大腦中形成多個備選方案，不同駕駛員在信息處理和備選方案這一部分是存在差異的，這就導致了駕駛行為的不同，這些不同將通過駕駛員對車輛的操作控制表現(xiàn)出來，由車輛的行駛狀態(tài)反映出來。自動收費和人工收費是有差異性的，自動收費使車輛在收費口不需要考慮停車，最終所有車輛將減速通過收費站，駕駛員在高速路上接受標志到減速通過收費這段路程中，如何更好地控制車速行駛，將最終決定車輛完成收費的排放情況。ETC收費站駕駛行為圖框如圖1所示。

圖1 ETC收費站駕駛行為圖框

1.2 駕駛行為對排放的影響

車輛在行駛的過程中會由于消耗燃油的原因產(chǎn)生大量尾氣的排放，排放量的產(chǎn)生除了受車輛本身性能和外界環(huán)境(風速、溫度、天氣等)造成的影響之外，還有一部分主要因素就是駕駛員操作車輛而導致的。駕駛員是車輛操控的主體，車輛的行駛狀態(tài)是駕駛員駕駛行為的直觀表現(xiàn)。駕駛員停車、啟動、加減速程度的不同也是導致車輛尾氣排放量多少的主要原因。

2 試驗設計

污染物排放的最大影響因素是車輛的行駛工況，Eva Ericssion[12]在文獻中詳盡地列出了影響駕駛工況的因素。并根據(jù)實際城市交通中駕駛工況數(shù)據(jù)，制定了26個參數(shù)，用來描述駕駛工況，準確地分析了道路環(huán)境、駕駛員、交通條件對駕駛工況的影響。到目前為止，各種因素對于駕駛工況影響研究大多為定性研究[13]。駕駛工況如車速、加速度的變化等影響著汽車的燃料消耗和污染物排放，影響著汽車運行經(jīng)濟效益和對環(huán)境產(chǎn)生的影響。因此要確定車輛實際的排放狀況，必須分析車輛排放和行駛工況的相關性，從而通過行駛工況來分析車輛的排放情況。目前，機動車行駛工況和排放的相關分析方法大概有3種[14-15]：速度和排放的關系分析方法，加速度和排放的關系分析方法，VSP和排放的關系分析方法。考慮到車輛行駛速度的不同對車輛的行駛狀態(tài)有直觀的影響，而車輛的行駛狀態(tài)又是駕駛行為的直觀反映，如圖1所示，因此本文采用的是速度和排放的關系分析方法。

2.1 影響因素確定

駕駛行為的影響因素大致可以分為內部因素和外部因素。內部因素主要指來自駕駛員本身的影響因素,主要包括駕駛員性別、年齡、駕駛經(jīng)驗、自我評價和對交通法律法規(guī)的態(tài)度等。外部因素主要是來自其他道路使用者和道路環(huán)境的影響, 如道路行駛條件、外部車輛信息以及信號燈控制等。由于外部因素主要是通過內部因素而對駕駛行為產(chǎn)生影響的,可以說外部因素是間接影響駕駛員行為的,內部因素是直接影響駕駛行為,是決定性的因素。所以,文章通過考察內部因素,來預測駕駛員的駕駛行為,內部因素也就是我們問卷主要調查的變量。

問卷主要是針對駕駛員的內部因素進行調查，共收集到有效問卷200份，其中收集到男性駕駛員問卷108份女性92份，包含青年駕駛員問卷68份中年65份中老年67份，分布較均勻。對問卷結果進行統(tǒng)計分析得出年齡、性別以及駕齡所占的權重較大，問卷調查的統(tǒng)計結果如圖2所示。教育程度、熟悉度、行駛速度以及開始減速的距離這些因素分布相對較集中，其中受教育程度主要集中在大專；對道路熟悉程度為一般的較多；車輛在接收到500 m處黃色標識提示信息時的速度大多數(shù)分布在60～90 km/h左右；開始減速的距離主要分布區(qū)間是0～100 m之間。因為這些因素分布過于集中所以這些因素本文不做過多考慮。而相比性別、年齡和駕齡這三個駕駛因素來說，分布的情況較均勻，可以作為分析駕駛員行為的主要影響因素。問卷分析結果如圖2所示。

圖2 問卷分析結果

2.2 實驗水平劃分

對不同專業(yè)駕駛員駕駛捷達輕型車通過西紅門ETC收費站上游500 m的減速路段進行實地排放測試檢驗。根據(jù)國內外研究現(xiàn)狀，可以將駕駛員年齡分為3個水平，依次為青年(18～30歲)、中年(31～50歲)和中老年(51歲～65歲)；性別分為2個水平，男和女；駕駛員的駕齡分為3個水平，依次為0～3年、4～8年、8年以上。對這3因素進行混合水平的正交實驗。

2.3 正交實驗方案

通過對實驗因素水平的分析，對照正交實驗表，得出9種實驗方案，如表1所示。

表1 正交實驗方案

2.4 測試地點及設備

實驗測試地點選定在西紅門高速收費站，由京開高速的北口進入南口駛出，共有4個ETC收費口。測試時間選取在下午1:00—3:00的平峰路段，目的是為了排除高峰擁堵時車輛不斷停車-啟動時對排放量產(chǎn)生的影響。設計的路線是在距離收費站500 m處的提示標牌開始到完成收費這一范圍進行，測試路線圖如圖3所示。

圖3 測試的實驗地點

實驗測試采用的設備是美國的尾氣排放設備SEMTECH-DS氣態(tài)分析系統(tǒng)。SEMTECH-DS車載尾氣分析儀具實驗室級分析精度，能用于車載發(fā)動機排放氣體污染物和顆粒的測量，滿足EPA-1065排放法規(guī)，并能夠實現(xiàn)美國NTE法規(guī)測試循環(huán)。系統(tǒng)主要包括：主控計算機、無線數(shù)據(jù)通訊接口、車載氣體排放分析儀及顆粒分析儀、系統(tǒng)軟件、防雨防震防凍的環(huán)境箱、便捷式電源及電池、Pitot管排氣流量計、GPS定位儀，及SAE-J1708等重型車機車運行參數(shù)接口、加熱采樣管線等。

實驗車輛是一輛北京市具有代表性的輕型車—捷達車，該車生產(chǎn)于2010年，屬于國三排放標準水平，排量1.6 L。測試開始時該車的里程表讀數(shù)為212 130 km。本實驗的數(shù)據(jù)采集、處理和分析均是基于該實驗車。

3 數(shù)據(jù)分析

由于駕駛員從接受到減速標志提示處開始減速，大腦接受到這一信息的外界刺激、而采取一系列的駕駛行為、駕駛動作來控制車輛的行駛狀態(tài)。根據(jù)測試得出車輛測試的速度范圍是高速規(guī)定速度60 km/h～80 km/h區(qū)間減速到完成ETC收費的限速20 km/h～30 km/h速度區(qū)間。

3.1 數(shù)據(jù)收集

在完成ETC收費的過程中，車輛速度的變化受駕駛行為的直觀影響，所以實驗收集速度和排放的情況，來表現(xiàn)駕駛行為與排放的情況。

由于車輛每一瞬時車速對應的排放量都是不同，這就導致了測試數(shù)據(jù)比較復雜不方便統(tǒng)計。為了研究的準確性，本次實驗將測試的速度分為7個不同的區(qū)間，即(20,30]，(30,40]，(40,50]，(50,60]，(60,70]，(70,80]，(80,0]，這些區(qū)間依次用V23，V34，V45，V56，V67，V78，V80表示，每個速度區(qū)間的排放量均為該區(qū)間的平均排放量。行駛車輛排放的主要測試污染物為二氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物和黑煙及微粒等[16]。此次試驗對部分排放污染物進行統(tǒng)計測試，以下為9種實驗方案a-i(表1的正交試驗方案)相對應的駕駛速度和CO2、NOx排放率的關系曲線如圖4所示。

圖4 速度排放關系

3.2 駕駛行為和排放的關系

每個駕駛員所具有的駕駛行為是不同的，這就導致了駕駛員在準備完成收費時，操作車輛逐漸減速的過程是不同的，有速度變化的差異性表現(xiàn)出來。如圖4速度排放關系可以看出，不同的駕駛員從開始減速到完成收費的每一速度區(qū)間的排放量是不同的。

對比圖4中的序號a和序號c、序號d和序號i、序號e和序號h，可以看出在相同年齡階段的男性駕駛員，擁有駕齡較長的駕駛員在完成收費的整個過程中產(chǎn)生的尾氣排放量是較少的。分別對比序號c和序號e、序號d和序號h、序號a和序號i可以發(fā)現(xiàn)擁有相同駕齡年限的男性駕駛員，中年駕駛員駕駛車輛造成的車輛尾氣排放量要比中老年駕駛員、青年駕駛員駕駛車輛產(chǎn)生的尾氣排放量少，而青年駕駛員駕駛車輛造成的尾氣排放量相比于中老年駕駛員要少。

由圖4中的序號b、序號f和序號g可以看出駕齡較高的年輕女性駕駛員對相比其他駕齡層次的女駕駛員具有較低的排放量，但是中老年的女司機雖然相比中年的女司機具有較高的駕齡但是也存在著較高的排放量。對比序號b、序號c和序號e三類駕駛員的排放量可以看出，具有相同駕齡的駕駛員，男性的駕駛員造成的尾氣排放量相比女性駕駛員來說是相對較小的，這可能是由于性別的差異性導致的對信息處理程度和車輛操縱的不同而產(chǎn)生了不同的駕駛行為。

3.3 速度和排放的關系

圖5 數(shù)據(jù)擬合曲線圖

由圖5可以看出ETC收費環(huán)境下，行車速度和CO2、NOx的排放量分別呈現(xiàn)出良好的曲線關系，在整個實驗過程中NOx和CO2排放趨勢是存在差異的，CO2的排放率隨著車輛速度的降低呈現(xiàn)一個遞減的趨勢，而NOx的排放率則出現(xiàn)一個由高到低再升高的波動趨勢。根據(jù)我國交通運輸部《收費公路聯(lián)網(wǎng)電子不停車收費技術要求》[17]車輛在完成ETC收費的限速為20Km/h。NOx的排放率的曲線在不同速度區(qū)間的波動相比CO2的排放率曲線的波動要大，同時NOx的排放值在70 km/h～80 km/h區(qū)間取得最大值，主要是由于駕駛員在該速度區(qū)間收到標志信息提示而開始減速，所以該區(qū)間是一個端點區(qū)間，即排放量相對較大。在速度處于30 km/h～40 km/h之間時NOx和CO2的排放量都處在速度區(qū)間的一個相對較低值的狀態(tài)。

4 結束語

收費站相比其他路段具有較特殊的駕駛環(huán)境，尤其是ETC環(huán)境下對駕駛員的駕駛行為更是有著較高的要求。通過對駕駛員異質性的分析研究，有利于對ETC收費站的交通執(zhí)法和交通標準的提供制定標準，同時可對ETC收費站減速路段的排放量差異性分析的提供研究基礎，為今后ETC收費站的規(guī)劃和標志標線的布局提供一個重要依據(jù)，對幫助制定或改進收費道路的綜合規(guī)劃有著重要的意義。