大型货运车辆生态驾驶及节油潜力评估

程 颖，张佳乐，张少君，郭继孚，张 达

(1.北京工业大学城市交通学院，北京100124；2.北京交通发展研究院，北京100073；3.清华大学a.环境学院，b.能源环境经济研究所，北京100084)

0 引 言

随着我国机动化进程的加速发展，交通部门产生的能源消耗和污染排放日益增大，已经成为大城市生态环境保护工作的重点领域.在交通部门内部，驾驶强度和能耗排放强度较大的大型货运车辆是政策管控的重点.2017年，全国货车排放氮氧化物363.9万t，颗粒物38.0万t，排放量分别占机动车排放总量的68.3%、77.9%[1].

自2000年起，我国借鉴国际先进经验，制定了旨在降低交通部门能源消耗和污染排放的多项政策，包括制定和实施各类燃油质量、燃油消耗和尾气排放等标准，大力推广公共交通系统，智能交通管理和新能源车等先进措施及技术.随着政策被严格执行，其节能减排潜力逐步减小.因此，减少不良驾驶行为，提升驾驶效率的生态驾驶逐渐受到关注.

“生态驾驶”(Eco Driving)是指在驾驶过程中避免急加速、急减速、空踩油门及长时间怠速等不经济、不环保驾驶行为的驾驶汽车方式.生态驾驶不仅具有降低车辆排放的环境效益，还能有效地节约车辆使用成本(包括燃料成本和车辆维护成本)，提高行车舒适性和安全性，是实现道路运输节能减排经济、现实、见效明显的重要措施.研究生态驾驶方法并推广应用于实际驾驶中，对交通行业节能减排具有重要意义.

国内外关于生态驾驶的推广政策、驾驶特征判别等研究已经开始涌现.如Barkenbus[2]介绍了各类与生态驾驶相关网站和资料，提及美国、欧洲、日本等各国政府开展的生态驾驶推广项目.Ericsson[3]和Beusen[4]等建议在生态驾驶评估中引入加速度、减速度、速度、换挡特征、滑行距离、发动机平均转速、油门/刹车踏板作用距离等指标.付锐等[5]对国内外生态驾驶相关研究做了综述，指出驾驶人个体特征、外界刺激信息、道路状况、车辆自身特征和行驶参数等是生态驾驶的可能影响因素.

受限于数据基础和实验条件，关于生态驾驶节油潜力的相关研究大多通过驾驶培训、对比实验的方法进行，针对个体驾驶员的具体驾驶行为和驾驶行为改进潜力评估尚不多见.因此，本文通过采集典型大型货运车辆微观驾驶工况数据，分析刻画大型货运车辆驾驶行为特征；建立面板数据固定效应回归模型，诊断显著影响大型货车油耗的不良驾驶行为，并根据模型结果评价大型货车生态驾驶行为的节油潜力.

1 数据获取与分析

1.1 数据收集方法

采用车辆远程在线监控技术(On-Board Diagnostic,OBD)系统，进行货车实时驾驶信息采集.本文共采集北京市199辆大型货车在2018年5月28～31日期间的经纬度定位信息，速度、时间、瞬时油耗、转速、转向等微观运行参数；数据采集间隔为1 s，原始数据量达到每天200万条.

1.2 数据处理

1.2.1 数据清洗

为防止部分监测异常数据对后续数据分析产生影响，基于一般大型货车时速规定和燃油速率经验，只保留速度在[0，200)km/h 的数据，并删除燃油速率大于100 L/h的不合理数据.

每一秒的油耗都受上一秒的影响，仅分析瞬时油耗并不能充分反映驾驶行为对油耗的影响.因此，取30 min为研究时间段，将每辆大型货车的数据按时间分组，计算每辆大型货车在研究时间段内的燃油均值和行驶里程.获得每辆车在研究时段内的平均百公里油耗，用来反映大型货车在不同驾驶情况下的燃油经济性.

式中：L为研究时间段的平均百公里油耗(L/100 km)；为研究时间段的平均瞬时油耗(L/h)；S为研究时间段的行驶里程(km).

由于部分车辆在研究时间段内几乎完全处于怠速状态，通过上述方法计算出的百公里油耗远大于其他车辆.因此，为防止车辆在某个研究时间段内怠速状态时间过长，删去平均速度小于20 km/h的研究时间段.

1.2.2 不良驾驶行为及判定方法

根据国内外研究结果[6-7]，认为急加速、过急加速、急减速、过急减速和超长怠速是可能影响大型货车百公里油耗的不良驾驶行为，故本文相应提出这5种不良驾驶行为的判定方法.

首先，通过某一秒与前两秒的速度差除以时间得到该秒的加速度.当速度、转速不为0时，选取加速度的99分位数和99.5分位数为急加速和过急加速的识别阈值，1 分位数和0.5 分位数为急减速和过急减速的识别阈值.通过对加速度做描述性统计，确定急加速、过急加速、急减速和过急减速的识别阈值分别为4.957，6.097，-6.093，-7.848 m/s2.当某一秒的加速度大于急减速、过急加速的识别阈值或小于急减速、过急减速的识别阈值时，认为是一次急减速、过急加速或急减速、过急减速事件，事件时间为1 s.分别统计每辆大型货车在每个研究时间段内每种不良驾驶行为的总时间.

怠速是指发动机处于空转的一种工作状态.当车辆处于怠速工况时，燃油消耗主要用于维持发动机转动，可能导致油耗增高.根据《汽车驾驶节能操作规范》，停车超过60 s 时，应将发动机熄火[8].因此，认为发动机转速不为0、车速为0且持续60 s以上的状态为超长怠速状态.统计每辆大型货车在每个研究时间段内处于超长怠速状态的总时长.

1.3 描述性统计

对可能影响大型货车油耗的不良驾驶行为进行判定及定量评估后，对5种不良驾驶行为进行描述性统计，获得199辆大型货车4 d内2 745个有效研究时间段，结果如表1所示.其中，油耗均值为25.98 L/(100 km)，超长怠速时间均值为151.24 s，平均速度为49.74 km/h，每个研究时间段内急加速和过急加速行为的时间均值为12.31 s 和12.16 s，急减速和过急减速事件的时间均值为12.46 s 和12.76 s，各项指标5%，25%、50%、75%和95%分位数的值如表1所示.

表1 描述性统计Table 1 Descriptive statistics

图1为时刻与油耗的关系.可以看出，1 d内大型货车百公里油耗较稳定，凌晨01:00-04:00 的油耗均值略高于其他时间.

图1 大型货车油耗随时刻变化Fig.1 Fuel consumption change by time for sample large freight vehicles

平均速度、急加速时间、过急加速时间、急减速时间、过急减速时间和超长怠速时间分别对百公里油耗做散点图，结果如图2所示.

由图2可以看出，超长怠速等不良驾驶行为与油耗有一定相关关系，但还需要通过模型进一步定量描述.

2 模型方法

为定量评估超长怠速、急加速、过急减速、急减速和过急减速等不良驾驶行为对百公里油耗的影响，考虑车辆和驾驶时刻的不同，建立面板数据固定效应回归模型，即

式中：yit为司机i在t时段的油耗；Xit为可能引起油耗增加的不良驾驶行为(包括超长怠速时间、急加速时间、过急加速时间、急减速时间、过急减速时间)；δt为时刻固定效应；σk(it)为车辆固定效应；β为回归系数；εit为误差项.

基于上述回归模型可以识别出，统计上显著增加油耗，即对应回归系数β显著大于0的不良驾驶行为.为更准确地了解各种不良驾驶行为对油耗的影响，尝试多种回归模型，选择3 个拟合效果较好的模型(m1,m2和m3)用于分析，结果如表2所示.其中，m1只考虑平均速度和平均速度的平方对百公里油耗的影响，m2考虑超长怠速行为对百公里油耗的影响，m3综合考虑超长怠速、急减速、过急减速、急减速和过急减速对百公里油耗的影响.

图2 驾驶行为与油耗散点图Fig.2 Scatter diagrams of driving behavior and fuel consumption

模型回归结果可以看出，超长怠速时间和过急减速对百公里油耗有显著性影响且系数为正，这说明过长的怠速时间及过急减速行为是显著增加油耗的不良驾驶行为.

虽然发现，急加速驾驶行为对油耗有显著的下降影响(急加速可能会避免等候交通信号灯过程中的怠速)，但由于急加速行为可能造成潜在的安全隐患，在结果中对其不作详细讨论或推荐.

3 节油潜力计算

模型回归结果显示，超长怠速和过急减速行为会显著增加油耗.假设超长怠速和过急减速行为反映了部分司机以往形成的、可以减少的不良驾驶习惯，通过理想效果下的生态驾驶培训可以完全避免.因此，利用式(3)定量评估减少超长怠速和过急减速时间的理论节油潜力.在实际驾驶过程中，由于部分司机驾驶行为改变困难及驾驶环境的变化，完全达到这一理论节油潜力有一定困难.然而，估算这一理论节油潜力仍有较强的现实意义，因为其反映了某一司机不良驾驶习惯增加油耗的程度，对于相关绩效评价和培训设计具有参考价值.

式中：β为超长怠速或过急减速的回归模型系数；Xit为第i辆车在t时间的超长怠速时间或过急减速时间.

表2 回归模型结果Table 2 Results of model regression

通过计算得出，减少超长怠速时间的平均节油潜力为2.6%，减少过急减速时间的平均节油潜力为3.8%，这说明如果货车司机完全避免以上不良驾驶行为可以减少6.4%的油耗.图3为节油潜力的频率分布直方图.

图3 节油潜力的频率分布直方图Fig.3 Frequency histogram of fuel-saving potential

4 结 论

本文分析了北京市199辆大型货车4 d逐秒详细驾驶行为数据，以定量方法判定并描述了急加速、急减速、超长怠速等不良驾驶行为；通过建立面板数据固定效应回归模型，考虑时刻和车辆的固定效应，评估了5 种不良驾驶行为对油耗的影响.研究结果发现，超长怠速和过急减速是造成大型货车油耗增加的重要因素.超长怠速时间和过急减速对大型货车燃油消耗的贡献达2.6%和3.8%，说明推广避免超长怠速和过急减速的生态驾驶在我国有很大的节能减排空间.以北京市为例，当前北京市所有货车的年均柴油消耗量大约为52万t，如果所有货车司机都能避免超长怠速和过急减速的不良驾驶行为，北京市每年的柴油消耗量将减少3.3万t.

因此，建议有关部门重视推广生态驾驶行为.可以通过增加生态驾驶技能与效果方面的培训课程，制定生态驾驶的相关规范，督促货车司机树立减少超长怠速和过急减速行为等不良驾驶行为的生态驾驶意识.