ETC环境下驾驶行为对车辆排放的影响分析

王文娜，曹 静，石建军

(北京工业大学 城市交通学院，北京 100124)

ETC (Electronic Toll Collection )，电子不停车收费系统自20世纪90年代问世以来，在国内外已经得到了普遍推广和应用，它是目前世界上最先进的收费系统，是智能交通系统的服务功能之一。电子不停车收费(ETC)系统的实施，能够明显提高收费站区的车辆通行效率，带来出行者在途时间节约、机动车燃料节约、废气排放减少，以及人工运营成本降低等多方面的经济效益[1]，对ETC系统收费站区的不同驾驶行为的排放进行量化分析具有重要意义。

国内外研究者利用仿真平台或车辆排放软件，模拟ETC行驶过程，并测算ETC系统所带来的排放减少[2-5]；余志[6]采用PARAMICS微观仿真平台，结合综合尾气排放模型(CMEM)，建立收费站交通运行模型，发现通过提高速度使通过车辆的油耗总量和尾气排放量快速下降；陆建[7-8]等从交通特性、交通、安全、能源与环境、收费运营方面分析了ETC系统产生的影响，根据不同层次的评价要求，构建了综合评价框架；宋国华[9]等利用PEMS收集轻型车的排放数据研究了收费站ETC系统的减排效果；翁剑成，荣建[10]等提出ETC系统的环境效益评价指标和测算模型.通过获取收费站区车辆行驶特性，选定7类典型车型开展实车排放测试实验，模拟车辆通过ETC车道和MTC车道的行驶过程，构建基于排队长度和车型聚类的ETC环境效益评价指标计算模型。

由于不同的车辆具有的排量、车辆本身的性能差异性导致尾气排放的不同，为了排除这些外界因素对驾驶行为的影响。本文通过设计和实施不同驾驶员驾驶同一辆车对排量进行实地测试，收集ETC收费环境内车辆不同驾驶行为下的瞬时速度和排放数据并对其分析研究。

1 驾驶行为分析

驾驶员的驾驶行为并不是简单的、重复的、单一的，而是一门涉及较多学科，综合性、系统性、复杂性较强，大脑与肢体相互协调的操作过程。驾驶员的驾驶行为指标主要表现在四个方面：驾驶人感知、驾驶决策、车辆操控和最终行驶状态，在车辆行驶中，驾驶人的感知、决策、操控三个环节相互影响的[11]其中感知部分是以驾驶人视觉信息为基础，从而提出了驾驶决策规则和反应时间，产生了一系列的驾驶动作，最终决定了车辆的行驶状态。从人因工程学动态测量的角度来讲，驾驶行为是由一系列驾驶动作依次发生和相互配合产生的。

1.1 ETC收费环境下驾驶行为分析

驾驶员在即将进行高速公路收费时，利用听觉、视觉等感觉器官对“减速指示牌、周围车辆信息、道路条件”等外界行驶信息进行收集，并对接收到的信息逐个进行分析、处理和筛选，在大脑中形成多个备选方案，不同驾驶员在信息处理和备选方案这一部分是存在差异的，这就导致了驾驶行为的不同，这些不同将通过驾驶员对车辆的操作控制表现出来，由车辆的行驶状态反映出来。自动收费和人工收费是有差异性的，自动收费使车辆在收费口不需要考虑停车，最终所有车辆将减速通过收费站，驾驶员在高速路上接受标志到减速通过收费这段路程中，如何更好地控制车速行驶，将最终决定车辆完成收费的排放情况。ETC收费站驾驶行为图框如图1所示。

图1 ETC收费站驾驶行为图框

1.2 驾驶行为对排放的影响

车辆在行驶的过程中会由于消耗燃油的原因产生大量尾气的排放，排放量的产生除了受车辆本身性能和外界环境(风速、温度、天气等)造成的影响之外，还有一部分主要因素就是驾驶员操作车辆而导致的。驾驶员是车辆操控的主体，车辆的行驶状态是驾驶员驾驶行为的直观表现。驾驶员停车、启动、加减速程度的不同也是导致车辆尾气排放量多少的主要原因。

2 试验设计

污染物排放的最大影响因素是车辆的行驶工况，Eva Ericssion[12]在文献中详尽地列出了影响驾驶工况的因素。并根据实际城市交通中驾驶工况数据，制定了26个参数，用来描述驾驶工况，准确地分析了道路环境、驾驶员、交通条件对驾驶工况的影响。到目前为止，各种因素对于驾驶工况影响研究大多为定性研究[13]。驾驶工况如车速、加速度的变化等影响着汽车的燃料消耗和污染物排放，影响着汽车运行经济效益和对环境产生的影响。因此要确定车辆实际的排放状况，必须分析车辆排放和行驶工况的相关性，从而通过行驶工况来分析车辆的排放情况。目前，机动车行驶工况和排放的相关分析方法大概有3种[14-15]：速度和排放的关系分析方法，加速度和排放的关系分析方法，VSP和排放的关系分析方法。考虑到车辆行驶速度的不同对车辆的行驶状态有直观的影响，而车辆的行驶状态又是驾驶行为的直观反映，如图1所示，因此本文采用的是速度和排放的关系分析方法。

2.1 影响因素确定

驾驶行为的影响因素大致可以分为内部因素和外部因素。内部因素主要指来自驾驶员本身的影响因素,主要包括驾驶员性别、年龄、驾驶经验、自我评价和对交通法律法规的态度等。外部因素主要是来自其他道路使用者和道路环境的影响, 如道路行驶条件、外部车辆信息以及信号灯控制等。由于外部因素主要是通过内部因素而对驾驶行为产生影响的,可以说外部因素是间接影响驾驶员行为的,内部因素是直接影响驾驶行为,是决定性的因素。所以,文章通过考察内部因素,来预测驾驶员的驾驶行为,内部因素也就是我们问卷主要调查的变量。

问卷主要是针对驾驶员的内部因素进行调查，共收集到有效问卷200份，其中收集到男性驾驶员问卷108份女性92份，包含青年驾驶员问卷68份中年65份中老年67份，分布较均匀。对问卷结果进行统计分析得出年龄、性别以及驾龄所占的权重较大，问卷调查的统计结果如图2所示。教育程度、熟悉度、行驶速度以及开始减速的距离这些因素分布相对较集中，其中受教育程度主要集中在大专；对道路熟悉程度为一般的较多；车辆在接收到500 m处黄色标识提示信息时的速度大多数分布在60～90 km/h左右；开始减速的距离主要分布区间是0～100 m之间。因为这些因素分布过于集中所以这些因素本文不做过多考虑。而相比性别、年龄和驾龄这三个驾驶因素来说，分布的情况较均匀，可以作为分析驾驶员行为的主要影响因素。问卷分析结果如图2所示。

图2 问卷分析结果

2.2 实验水平划分

对不同专业驾驶员驾驶捷达轻型车通过西红门ETC收费站上游500 m的减速路段进行实地排放测试检验。根据国内外研究现状，可以将驾驶员年龄分为3个水平，依次为青年(18～30岁)、中年(31～50岁)和中老年(51岁～65岁)；性别分为2个水平，男和女；驾驶员的驾龄分为3个水平，依次为0～3年、4～8年、8年以上。对这3因素进行混合水平的正交实验。

2.3 正交实验方案

通过对实验因素水平的分析，对照正交实验表，得出9种实验方案，如表1所示。

表1 正交实验方案

2.4 测试地点及设备

实验测试地点选定在西红门高速收费站，由京开高速的北口进入南口驶出，共有4个ETC收费口。测试时间选取在下午1:00—3:00的平峰路段，目的是为了排除高峰拥堵时车辆不断停车-启动时对排放量产生的影响。设计的路线是在距离收费站500 m处的提示标牌开始到完成收费这一范围进行，测试路线图如图3所示。

图3 测试的实验地点

实验测试采用的设备是美国的尾气排放设备SEMTECH-DS气态分析系统。SEMTECH-DS车载尾气分析仪具实验室级分析精度，能用于车载发动机排放气体污染物和颗粒的测量，满足EPA-1065排放法规，并能够实现美国NTE法规测试循环。系统主要包括：主控计算机、无线数据通讯接口、车载气体排放分析仪及颗粒分析仪、系统软件、防雨防震防冻的环境箱、便捷式电源及电池、Pitot管排气流量计、GPS定位仪，及SAE-J1708等重型车机车运行参数接口、加热采样管线等。

实验车辆是一辆北京市具有代表性的轻型车—捷达车，该车生产于2010年，属于国三排放标准水平，排量1.6 L。测试开始时该车的里程表读数为212 130 km。本实验的数据采集、处理和分析均是基于该实验车。

3 数据分析

由于驾驶员从接受到减速标志提示处开始减速，大脑接受到这一信息的外界刺激、而采取一系列的驾驶行为、驾驶动作来控制车辆的行驶状态。根据测试得出车辆测试的速度范围是高速规定速度60 km/h～80 km/h区间减速到完成ETC收费的限速20 km/h～30 km/h速度区间。

3.1 数据收集

在完成ETC收费的过程中，车辆速度的变化受驾驶行为的直观影响，所以实验收集速度和排放的情况，来表现驾驶行为与排放的情况。

由于车辆每一瞬时车速对应的排放量都是不同，这就导致了测试数据比较复杂不方便统计。为了研究的准确性，本次实验将测试的速度分为7个不同的区间，即(20,30]，(30,40]，(40,50]，(50,60]，(60,70]，(70,80]，(80,0]，这些区间依次用V23，V34，V45，V56，V67，V78，V80表示，每个速度区间的排放量均为该区间的平均排放量。行驶车辆排放的主要测试污染物为二氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物和黑烟及微粒等[16]。此次试验对部分排放污染物进行统计测试，以下为9种实验方案a-i(表1的正交试验方案)相对应的驾驶速度和CO2、NOx排放率的关系曲线如图4所示。

图4 速度排放关系

3.2 驾驶行为和排放的关系

每个驾驶员所具有的驾驶行为是不同的，这就导致了驾驶员在准备完成收费时，操作车辆逐渐减速的过程是不同的，有速度变化的差异性表现出来。如图4速度排放关系可以看出，不同的驾驶员从开始减速到完成收费的每一速度区间的排放量是不同的。

对比图4中的序号a和序号c、序号d和序号i、序号e和序号h，可以看出在相同年龄阶段的男性驾驶员，拥有驾龄较长的驾驶员在完成收费的整个过程中产生的尾气排放量是较少的。分别对比序号c和序号e、序号d和序号h、序号a和序号i可以发现拥有相同驾龄年限的男性驾驶员，中年驾驶员驾驶车辆造成的车辆尾气排放量要比中老年驾驶员、青年驾驶员驾驶车辆产生的尾气排放量少，而青年驾驶员驾驶车辆造成的尾气排放量相比于中老年驾驶员要少。

由图4中的序号b、序号f和序号g可以看出驾龄较高的年轻女性驾驶员对相比其他驾龄层次的女驾驶员具有较低的排放量，但是中老年的女司机虽然相比中年的女司机具有较高的驾龄但是也存在着较高的排放量。对比序号b、序号c和序号e三类驾驶员的排放量可以看出，具有相同驾龄的驾驶员，男性的驾驶员造成的尾气排放量相比女性驾驶员来说是相对较小的，这可能是由于性别的差异性导致的对信息处理程度和车辆操纵的不同而产生了不同的驾驶行为。

3.3 速度和排放的关系

图5 数据拟合曲线图

由图5可以看出ETC收费环境下，行车速度和CO2、NOx的排放量分别呈现出良好的曲线关系，在整个实验过程中NOx和CO2排放趋势是存在差异的，CO2的排放率随着车辆速度的降低呈现一个递减的趋势，而NOx的排放率则出现一个由高到低再升高的波动趋势。根据我国交通运输部《收费公路联网电子不停车收费技术要求》[17]车辆在完成ETC收费的限速为20Km/h。NOx的排放率的曲线在不同速度区间的波动相比CO2的排放率曲线的波动要大，同时NOx的排放值在70 km/h～80 km/h区间取得最大值，主要是由于驾驶员在该速度区间收到标志信息提示而开始减速，所以该区间是一个端点区间，即排放量相对较大。在速度处于30 km/h～40 km/h之间时NOx和CO2的排放量都处在速度区间的一个相对较低值的状态。

4 结束语

收费站相比其他路段具有较特殊的驾驶环境，尤其是ETC环境下对驾驶员的驾驶行为更是有着较高的要求。通过对驾驶员异质性的分析研究，有利于对ETC收费站的交通执法和交通标准的提供制定标准，同时可对ETC收费站减速路段的排放量差异性分析的提供研究基础，为今后ETC收费站的规划和标志标线的布局提供一个重要依据，对帮助制定或改进收费道路的综合规划有着重要的意义。