自動(dòng)駕駛對(duì)汽車燃油效率的潛在影響分析

任煥煥 劉勇 陳川 冉純嘉

關(guān)鍵詞：自動(dòng)駕駛 燃油效率 影響

1引言

自動(dòng)駕駛是影響未來(lái)出行方式的重要技術(shù)。按照美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)（簡(jiǎn)稱“SAE”）的自動(dòng)駕駛分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)駕駛汽車按照汽車操縱的接管程度和駕駛區(qū)域分為6 個(gè)等級(jí)：無(wú)自動(dòng)化（L0）、駕駛支援（L1）、部分自動(dòng)化（L2）、有條件自動(dòng)化（L3）、高度自動(dòng)化（L4）和完全自動(dòng)化（L5）。參照歐美國(guó)家的分類并考慮中國(guó)道路交通情況特點(diǎn)，我國(guó)智能網(wǎng)聯(lián)汽車智能化等級(jí)分為：DA（駕駛輔助）、PA（部分自動(dòng)駕駛）、CA（有條件自動(dòng)駕駛）、HA（高度自動(dòng)駕駛）和FA（完全自動(dòng)駕駛）。

發(fā)展自動(dòng)駕駛汽車有重要的戰(zhàn)略意義。一是，推動(dòng)新技術(shù)應(yīng)用，培育智能經(jīng)濟(jì)，促進(jìn)以汽車為載體的芯片、軟件、信息通信、數(shù)據(jù)服務(wù)等產(chǎn)業(yè)發(fā)展，構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、人機(jī)協(xié)同、跨界融合、共創(chuàng)共享的智能經(jīng)濟(jì)，培養(yǎng)經(jīng)濟(jì)新增長(zhǎng)點(diǎn);二是優(yōu)化智能交通系統(tǒng)和智慧城市體系，構(gòu)建智能社會(huì)，解決汽車社會(huì)帶來(lái)的交通安全、道路擁堵、能源消耗、污染排放等問題，滿足智能社會(huì)人民群眾日益增長(zhǎng)的美好生活需求。

2自動(dòng)駕駛技術(shù)對(duì)燃油效率的影響分析

自動(dòng)駕駛有可能影響車輛設(shè)計(jì)、駕駛風(fēng)格，進(jìn)而影響燃油效率。但是，這些影響具有一定不確定性，現(xiàn)有研究對(duì)這些影響進(jìn)行估計(jì)時(shí)給出的范圍也比較寬泛?，F(xiàn)有文獻(xiàn)資料中有可能會(huì)影響燃油效率的因素分為以下幾類：（1）緩解交通擁堵;（2）自動(dòng)節(jié)能駕駛模式;（3）車輛編隊(duì)行駛;（4）改變高速路段速度;（5）調(diào)節(jié)車輛動(dòng)力系統(tǒng)及車身尺寸;（6）增加輔助功能。

對(duì)于上述每一個(gè)類別，本研究在充分利用了前人研究成果的基礎(chǔ)上給出了綜合判斷。

2.1緩解交通擁堵

自動(dòng)駕駛技術(shù)可以提升車流整體運(yùn)行速度，同時(shí)也可以減少交通事故的發(fā)生頻率[1]，進(jìn)而緩解交通擁堵，減少能源消耗。Schrank[2] 評(píng)估了美國(guó)從1982 年以來(lái)每年因交通擁堵造成的燃料浪費(fèi)。該評(píng)估結(jié)果表明，因交通擁堵造成的燃料浪費(fèi)比例從1984 年的0.5% 逐步提升到2005 年的1.8%，并且預(yù)期到2020 年將達(dá)到2.6%。按照這個(gè)趨勢(shì)向未來(lái)遞推，長(zhǎng)期來(lái)看因交通擁堵造成的燃料浪費(fèi)比例可能達(dá)到近4.2%。因此，若完全消除交通擁堵，現(xiàn)在可減少燃料消耗大約2.4%，長(zhǎng)期來(lái)看可減少大約4.2%。

2.2自動(dòng)節(jié)能駕駛模式

自動(dòng)駕駛技術(shù)可以推動(dòng)節(jié)能駕駛模式的廣泛使用，這可以在不改變車輛設(shè)計(jì)的情況下降低燃料消耗量。節(jié)能駕駛模式通過(guò)兩種方式降低燃料消耗量：一種是使發(fā)動(dòng)機(jī)在盡量多路況中處于最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)，在這種狀態(tài)下汽車以較平穩(wěn)的速度行駛并可以承載更高的負(fù)載;另一種方式是在行駛過(guò)程中盡量減少頻繁的剎車，剎車會(huì)造成能源浪費(fèi)[3]。

一部分關(guān)于節(jié)能駕駛模式的文獻(xiàn)聚焦于通過(guò)駕駛行為降低燃料消耗量。Barth andBoriboonsomsin[3] 研究認(rèn)為給駕駛員實(shí)時(shí)提供駕駛建議可以降低燃料消耗量10-20%。在駕駛模擬器中實(shí)時(shí)給駕駛員最佳的加速減速建議，可以降低燃料消耗量0%-26%[4]。Degraeuwe and Beusen[5] 研究認(rèn)為如果沒有持續(xù)的提醒，學(xué)習(xí)了節(jié)能駕駛課程的駕駛員仍然會(huì)逐漸恢復(fù)低能效的駕駛習(xí)慣。Berry[6]分析了大量關(guān)于節(jié)能駕駛行為的研究，發(fā)現(xiàn)節(jié)能駕駛行為在短途行程中平均可節(jié)能20%，在長(zhǎng)途行駛中可節(jié)能近10%。

另一部分文獻(xiàn)聚焦于通過(guò)最優(yōu)化駕駛循環(huán)降低燃料消耗量，最優(yōu)化駕駛循環(huán)需要考慮技術(shù)或者法律的限制（如速度限制）和出行時(shí)間的控制。在頻繁啟停的市區(qū)工況，節(jié)能的潛力最大。在嚴(yán)重?fù)矶碌穆窙r下，最優(yōu)化駕駛循環(huán)可以減少燃料消耗量35-50%[7]，但是這種路況在實(shí)際中僅僅是偶發(fā)性的。雷諾科雷傲在最優(yōu)化駕駛循環(huán)情況下，可以比NEDC 工況測(cè)試節(jié)油16%，這個(gè)最優(yōu)循環(huán)兼顧了出行時(shí)間和速度限制方面的要求[8]。與實(shí)際路況循環(huán)相比，節(jié)能潛力可高達(dá)34%。然而路上其他車輛的干擾，使駕駛員很難沿著最節(jié)能的循環(huán)駕駛。為與其他車輛保持安全距離的情況，節(jié)能效率下降到了15%[9]?；靹?dòng)版豐田普銳斯在最優(yōu)化駕駛循環(huán)模式下比實(shí)際路況僅節(jié)能10%[10]。這是因?yàn)榛靹?dòng)技術(shù)既可以對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行回收，又可以使發(fā)動(dòng)機(jī)有更多時(shí)間處于較經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)運(yùn)行。

2.3車輛編隊(duì)行駛

自動(dòng)駕駛和車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有助于安全、高效地實(shí)現(xiàn)車隊(duì)編組（即多輛車相互跟隨，緊緊地排成一列，從而減少氣動(dòng)阻力并降低油耗）。在高速公路上行駛期間，車輛消耗的燃油有很大一部分用于克服氣動(dòng)阻力。Kasseris[11] 指出在高速公路上行駛期間，克服氣動(dòng)阻力約占牽引能量需求的50%-75%。

Schito 和Braghin[12] 以輕型貨車編組為研究對(duì)象，開展了一系列試驗(yàn)和分析，以了解車隊(duì)編組對(duì)交通模式和燃油效率的影響。他們發(fā)現(xiàn)，編組后，每輛貨車的氣動(dòng)阻力降低了大約45%-55%。如果再結(jié)合考慮50% 的牽引能量用于克服氣動(dòng)阻力，則可以估計(jì)出車隊(duì)編組有可能會(huì)節(jié)約22.5% 到27.5% 的能量。Zabat[13] 還以面包車為研究對(duì)象，通過(guò)一系列風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬，評(píng)估了車隊(duì)編組的節(jié)油情況。他們發(fā)現(xiàn)，每輛車的平均節(jié)油幅度在10% 到30% 之間，而且大多數(shù)情況下節(jié)油幅度在20% 到25% 之間，具體取決于編組空間、車輛數(shù)和其他變量。Wadud[14] 將車隊(duì)編組減少的氣動(dòng)阻力換算為節(jié)省的燃油量，評(píng)估了車隊(duì)編組對(duì)燃油效率的影響。研究結(jié)果顯示車隊(duì)編組可減少20% 到60% 的氣動(dòng)阻力。根據(jù)文獻(xiàn)資料中報(bào)告的在高速公路上行駛時(shí)克服氣動(dòng)阻力所需的牽引能量，以及FHWA 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（即高速公路行駛占行駛距離的33% 到55%[11]），綜合評(píng)估LDV 的節(jié)油范圍應(yīng)在3% 到25% 之間。

綜合來(lái)看，對(duì)全自動(dòng)駕駛車輛來(lái)說(shuō)，車隊(duì)編組最多可節(jié)省25% 的燃油，但該節(jié)油效果僅適用于非高峰時(shí)段的高速公路駕駛，因?yàn)榈缆凡粨矶?、行駛速度快是車?duì)編組的最有利條件。在半自動(dòng)駕駛場(chǎng)景中，車隊(duì)編組也可實(shí)現(xiàn)節(jié)油效果。但是，此場(chǎng)景在獲得駕駛員認(rèn)可和合規(guī)方面會(huì)面臨一定難度，這會(huì)限制節(jié)油幅度和/ 或車隊(duì)編組系統(tǒng)的編組持續(xù)時(shí)間。

2.4改變高速路段速度

相對(duì)于人類駕駛而言，自動(dòng)駕駛技術(shù)在判斷安全行駛速度時(shí)不需要考慮注意時(shí)間和反應(yīng)時(shí)間，因此自動(dòng)駕駛技術(shù)可能導(dǎo)致高速行駛時(shí)速度提升。這會(huì)提升行駛中的能耗，因?yàn)榭諝庾枇p失會(huì)隨著速度提升而增加。

為了評(píng)估高速行駛速度增加的影響，需要先判斷在沒有速度限制時(shí)司機(jī)的駕駛速度。目前在美國(guó)多數(shù)州際公路和其他限速高速，速度限制從88km/h 到113km/h（55-77mph）不等，而實(shí)際上州際公路上的平均車速約為105km/h 到113km/h（65-70mph）[15]。在無(wú)速度限制條件下估計(jì)司機(jī)的駕駛速度，我們假設(shè)司機(jī)會(huì)加速到節(jié)省時(shí)間的邊際收益與增加燃料消耗量的邊際收益相等的速度。本研究中駕駛時(shí)間的價(jià)值設(shè)置為每小時(shí)120 元（約為18 美元[16]），燃料價(jià)格設(shè)置為每升6 元。若沒有速度限制或者安全顧慮，在美國(guó)高速公路上，一輛典型車的速度可能提升至127km/h（79mph）[6]。在無(wú)限制的德國(guó)高速公路上，平均車速可達(dá)到140km/h（88mph）[17]。將高速路段速度提升至這一水平會(huì)使燃油效率提升20-40%。若高速旅程中33%-55% 的距離達(dá)到這個(gè)速度水平，輕型車的平均燃油效率會(huì)提升7-22%。

2.5調(diào)節(jié)車輛動(dòng)力系統(tǒng)及車身尺寸

自動(dòng)駕駛技術(shù)的一個(gè)潛在優(yōu)勢(shì)是讓車輛載重量與個(gè)人出行需求相匹配。Wadud 認(rèn)為這是影響車輛燃油效率的潛在因素[14]。他們?cè)谘芯恐屑僭O(shè)所有單人出行都乘坐單座汽車，所有雙人出行都乘坐緊湊型汽車，而3到4 人和5 到7 人出行將乘坐中型汽車和商務(wù)車。特別是，他們假定單座汽車的燃油效率是緊湊型汽車的一半，并具有同等技術(shù)水平。結(jié)果顯示，整個(gè)車隊(duì)的距離加權(quán)油耗節(jié)省了45%。

Brown 等[18] 單獨(dú)分析了車輛小型化的潛在優(yōu)勢(shì)，而且還確認(rèn)由于自動(dòng)駕駛技術(shù)對(duì)動(dòng)力的要求更加平穩(wěn)，車輛動(dòng)力系統(tǒng)也有可能進(jìn)行小型化。當(dāng)前的車輛設(shè)計(jì)通常使用動(dòng)力性能遠(yuǎn)超日常駕駛需要的發(fā)動(dòng)機(jī)（因?yàn)槌叽缡怯上M(fèi)者對(duì)快速加速性能的需求決定的）。因此，自動(dòng)駕駛技術(shù)的動(dòng)力系統(tǒng)尺寸不僅可以隨著車輛尺寸變小而減小，還可以隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)放松了對(duì)車輛加速性能的需求而減小。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸將根據(jù)車輛的平均功率要求來(lái)確定，而且發(fā)動(dòng)機(jī)在燃油效率最高的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行的時(shí)間將更長(zhǎng)，從而可以提升整體車輛燃油經(jīng)濟(jì)性。Brown 使用了兩種不同的方法來(lái)評(píng)估安全有保障后的輕量化與車輛/動(dòng)力系統(tǒng)小型化的潛在綜合效應(yīng)。第一種方法是將Burns 等[19] 估計(jì)的車隊(duì)輕量化（最高減重75%）的巨大潛力與多份參考資料中的說(shuō)法（即重量每減輕10%，燃油效率就會(huì)提高6%-8%）綜合起來(lái)考量。由于估計(jì)重量會(huì)減輕75%，這會(huì)導(dǎo)致燃油效率大約提升50%。Brown 還觀察到，現(xiàn)代輕型車輛的銷量加權(quán)平均燃油經(jīng)濟(jì)性大約是1994 GeoMetro 的燃油經(jīng)濟(jì)性（47mpg）的一半，因此與真實(shí)的輕型、低功率大眾市場(chǎng)車輛比較后估算出了與前一種方法一致的50% 燃油效率改進(jìn)。

2.6增加特色功能

自動(dòng)駕駛技術(shù)可能使駕駛員將更多的駕駛時(shí)間花費(fèi)在其他活動(dòng)上。此外駕駛員可能駕駛時(shí)間更長(zhǎng)，增加汽車使用時(shí)間。這些變化可能導(dǎo)致消費(fèi)者增加對(duì)車輛性能和舒適性的需求，進(jìn)而導(dǎo)致增加汽車重量，導(dǎo)致燃料消耗量增加。整車額外增加安全配置、排放、舒適性、便捷性等性能，美國(guó)1989-2010 年新車會(huì)平均增重200kg[20]。假設(shè)在舒適性和便捷性的需求下，新車平均增重240kg，這些額外增重將會(huì)使一輛1452kg 典型車能耗增加11%。

3結(jié)語(yǔ)

基于以上分析，本研究可以得出如下結(jié)論：

（1）自動(dòng)駕駛技術(shù)可以提升車流整體運(yùn)行速度，改善燃油效率，長(zhǎng)期來(lái)看可使實(shí)際路況的燃料消耗量降低4.2%。

（2）自動(dòng)駕駛技術(shù)可以使車輛運(yùn)行在較節(jié)能速度區(qū)間，使燃料消耗量下降20%。

（3）自動(dòng)駕駛和車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有助于安全、高效地實(shí)現(xiàn)車隊(duì)編組，減小車隊(duì)風(fēng)阻，使燃料消耗量下降25%。

（4）由于自動(dòng)駕駛技術(shù)提升了車輛行駛過(guò)程中的安全性，高速路段行駛的安全速度可能相應(yīng)提升。若高速路段33%-55% 路段達(dá)到140km/h，會(huì)使燃料消耗量增加7%-22%。

（5）自動(dòng)駕駛、智能網(wǎng)聯(lián)和共享出行綜合影響，可以使駕駛出行的人數(shù)與車型大小尺寸更好匹配，從而使燃料消耗量降低45-50%。

（6）駕駛員不再開車的情況下，整車需要額外增加安全配置、排放、舒適性、便捷性等性能，從而增大車重，使燃料消耗量提升約11%。