任焕焕 刘勇 陈川 冉纯嘉

关键词：自动驾驶 燃油效率 影响

1引言

自动驾驶是影响未来出行方式的重要技术。按照美国汽车工程师学会（简称“SAE”）的自动驾驶分级标准，自动驾驶汽车按照汽车操纵的接管程度和驾驶区域分为6 个等级：无自动化（L0）、驾驶支援（L1）、部分自动化（L2）、有条件自动化（L3）、高度自动化（L4）和完全自动化（L5）。参照欧美国家的分类并考虑中国道路交通情况特点，我国智能网联汽车智能化等级分为：DA（驾驶辅助）、PA（部分自动驾驶）、CA（有条件自动驾驶）、HA（高度自动驾驶）和FA（完全自动驾驶）。

发展自动驾驶汽车有重要的战略意义。一是，推动新技术应用，培育智能经济，促进以汽车为载体的芯片、软件、信息通信、数据服务等产业发展，构建数据驱动、人机协同、跨界融合、共创共享的智能经济，培养经济新增长点;二是优化智能交通系统和智慧城市体系，构建智能社会，解决汽车社会带来的交通安全、道路拥堵、能源消耗、污染排放等问题，满足智能社会人民群众日益增长的美好生活需求。

2自动驾驶技术对燃油效率的影响分析

自动驾驶有可能影响车辆设计、驾驶风格，进而影响燃油效率。但是，这些影响具有一定不确定性，现有研究对这些影响进行估计时给出的范围也比较宽泛。现有文献资料中有可能会影响燃油效率的因素分为以下几类：（1）缓解交通拥堵;（2）自动节能驾驶模式;（3）车辆编队行驶;（4）改变高速路段速度;（5）调节车辆动力系统及车身尺寸;（6）增加辅助功能。

对于上述每一个类别，本研究在充分利用了前人研究成果的基础上给出了综合判断。

2.1缓解交通拥堵

自动驾驶技术可以提升车流整体运行速度，同时也可以减少交通事故的发生频率[1]，进而缓解交通拥堵，减少能源消耗。Schrank[2] 评估了美国从1982 年以来每年因交通拥堵造成的燃料浪费。该评估结果表明，因交通拥堵造成的燃料浪费比例从1984 年的0.5% 逐步提升到2005 年的1.8%，并且预期到2020 年将达到2.6%。按照这个趋势向未来递推，长期来看因交通拥堵造成的燃料浪费比例可能达到近4.2%。因此，若完全消除交通拥堵，现在可减少燃料消耗大约2.4%，长期来看可减少大约4.2%。

2.2自动节能驾驶模式

自动驾驶技术可以推动节能驾驶模式的广泛使用，这可以在不改变车辆设计的情况下降低燃料消耗量。节能驾驶模式通过两种方式降低燃料消耗量：一种是使发动机在尽量多路况中处于最经济的运行状态，在这种状态下汽车以较平稳的速度行驶并可以承载更高的负载;另一种方式是在行驶过程中尽量减少频繁的刹车，刹车会造成能源浪费[3]。

一部分关于节能驾驶模式的文献聚焦于通过驾驶行为降低燃料消耗量。Barth andBoriboonsomsin[3] 研究认为给驾驶员实时提供驾驶建议可以降低燃料消耗量10-20%。在驾驶模拟器中实时给驾驶员最佳的加速减速建议，可以降低燃料消耗量0%-26%[4]。Degraeuwe and Beusen[5] 研究认为如果没有持续的提醒，学习了节能驾驶课程的驾驶员仍然会逐渐恢复低能效的驾驶习惯。Berry[6]分析了大量关于节能驾驶行为的研究，发现节能驾驶行为在短途行程中平均可节能20%，在长途行驶中可节能近10%。

另一部分文献聚焦于通过最优化驾驶循环降低燃料消耗量，最优化驾驶循环需要考虑技术或者法律的限制（如速度限制）和出行时间的控制。在频繁启停的市区工况，节能的潜力最大。在严重拥堵的路况下，最优化驾驶循环可以减少燃料消耗量35-50%[7]，但是这种路况在实际中仅仅是偶发性的。雷诺科雷傲在最优化驾驶循环情况下，可以比NEDC 工况测试节油16%，这个最优循环兼顾了出行时间和速度限制方面的要求[8]。与实际路况循环相比，节能潜力可高达34%。然而路上其他车辆的干扰，使驾驶员很难沿着最节能的循环驾驶。为与其他车辆保持安全距离的情况，节能效率下降到了15%[9]。混动版丰田普锐斯在最优化驾驶循环模式下比实际路况仅节能10%[10]。这是因为混动技术既可以对制动能量进行回收，又可以使发动机有更多时间处于较经济的状态运行。

2.3车辆编队行驶

自动驾驶和车联网技术有助于安全、高效地實现车队编组（即多辆车相互跟随，紧紧地排成一列，从而减少气动阻力并降低油耗）。在高速公路上行驶期间，车辆消耗的燃油有很大一部分用于克服气动阻力。Kasseris[11] 指出在高速公路上行驶期间，克服气动阻力约占牵引能量需求的50%-75%。

Schito 和Braghin[12] 以轻型货车编组为研究对象，开展了一系列试验和分析，以了解车队编组对交通模式和燃油效率的影响。他们发现，编组后，每辆货车的气动阻力降低了大约45%-55%。如果再结合考虑50% 的牵引能量用于克服气动阻力，则可以估计出车队编组有可能会节约22.5% 到27.5% 的能量。Zabat[13] 还以面包车为研究对象，通过一系列风洞试验和数值模拟，评估了车队编组的节油情况。他们发现，每辆车的平均节油幅度在10% 到30% 之间，而且大多数情况下节油幅度在20% 到25% 之间，具体取决于编组空间、车辆数和其他变量。Wadud[14] 将车队编组减少的气动阻力换算为节省的燃油量，评估了车队编组对燃油效率的影响。研究结果显示车队编组可减少20% 到60% 的气动阻力。根据文献资料中报告的在高速公路上行驶时克服气动阻力所需的牵引能量，以及FHWA 统计数据（即高速公路行驶占行驶距离的33% 到55%[11]），综合评估LDV 的节油范围应在3% 到25% 之间。

综合来看，对全自动驾驶车辆来说，车队编组最多可节省25% 的燃油，但该节油效果仅适用于非高峰时段的高速公路驾驶，因为道路不拥堵、行驶速度快是车队编组的最有利条件。在半自动驾驶场景中，车队编组也可实现节油效果。但是，此场景在获得驾驶员认可和合规方面会面临一定难度，这会限制节油幅度和/ 或车队编组系统的编组持续时间。

2.4改变高速路段速度

相对于人类驾驶而言，自动驾驶技术在判断安全行驶速度时不需要考虑注意时间和反应时间，因此自动驾驶技术可能导致高速行驶时速度提升。这会提升行驶中的能耗，因为空气阻力损失会随着速度提升而增加。

为了评估高速行驶速度增加的影響，需要先判断在没有速度限制时司机的驾驶速度。目前在美国多数州际公路和其他限速高速，速度限制从88km/h 到113km/h（55-77mph）不等，而实际上州际公路上的平均车速约为105km/h 到113km/h（65-70mph）[15]。在无速度限制条件下估计司机的驾驶速度，我们假设司机会加速到节省时间的边际收益与增加燃料消耗量的边际收益相等的速度。本研究中驾驶时间的价值设置为每小时120 元（约为18 美元[16]），燃料价格设置为每升6 元。若没有速度限制或者安全顾虑，在美国高速公路上，一辆典型车的速度可能提升至127km/h（79mph）[6]。在无限制的德国高速公路上，平均车速可达到140km/h（88mph）[17]。将高速路段速度提升至这一水平会使燃油效率提升20-40%。若高速旅程中33%-55% 的距离达到这个速度水平，轻型车的平均燃油效率会提升7-22%。

2.5调节车辆动力系统及车身尺寸

自动驾驶技术的一个潜在优势是让车辆载重量与个人出行需求相匹配。Wadud 认为这是影响车辆燃油效率的潜在因素[14]。他们在研究中假设所有单人出行都乘坐单座汽车，所有双人出行都乘坐紧凑型汽车，而3到4 人和5 到7 人出行将乘坐中型汽车和商务车。特别是，他们假定单座汽车的燃油效率是紧凑型汽车的一半，并具有同等技术水平。结果显示，整个车队的距离加权油耗节省了45%。

Brown 等[18] 单独分析了车辆小型化的潜在优势，而且还确认由于自动驾驶技术对动力的要求更加平稳，车辆动力系统也有可能进行小型化。当前的车辆设计通常使用动力性能远超日常驾驶需要的发动机（因为尺寸是由消费者对快速加速性能的需求决定的）。因此，自动驾驶技术的动力系统尺寸不仅可以随着车辆尺寸变小而减小，还可以随着自动驾驶技术放松了对车辆加速性能的需求而减小。因此，发动机尺寸将根据车辆的平均功率要求来确定，而且发动机在燃油效率最高的转速范围内运行的时间将更长，从而可以提升整体车辆燃油经济性。Brown 使用了两种不同的方法来评估安全有保障后的轻量化与车辆/动力系统小型化的潜在综合效应。第一种方法是将Burns 等[19] 估计的车队轻量化（最高减重75%）的巨大潜力与多份参考资料中的说法（即重量每减轻10%，燃油效率就会提高6%-8%）综合起来考量。由于估计重量会减轻75%，这会导致燃油效率大约提升50%。Brown 还观察到，现代轻型车辆的销量加权平均燃油经济性大约是1994 GeoMetro 的燃油经济性（47mpg）的一半，因此与真实的轻型、低功率大众市场车辆比较后估算出了与前一种方法一致的50% 燃油效率改进。

2.6增加特色功能

自动驾驶技术可能使驾驶员将更多的驾驶时间花费在其他活动上。此外驾驶员可能驾驶时间更长，增加汽车使用时间。这些变化可能导致消费者增加对车辆性能和舒适性的需求，进而导致增加汽车重量，导致燃料消耗量增加。整车额外增加安全配置、排放、舒适性、便捷性等性能，美国1989-2010 年新车会平均增重200kg[20]。假设在舒适性和便捷性的需求下，新车平均增重240kg，这些额外增重将会使一辆1452kg 典型车能耗增加11%。

3结语

基于以上分析，本研究可以得出如下结论：

（1）自动驾驶技术可以提升车流整体运行速度，改善燃油效率，长期来看可使实际路况的燃料消耗量降低4.2%。

（2）自动驾驶技术可以使车辆运行在较节能速度区间，使燃料消耗量下降20%。

（3）自动驾驶和车联网技术有助于安全、高效地实现车队编组，减小车队风阻，使燃料消耗量下降25%。

（4）由于自动驾驶技术提升了车辆行驶过程中的安全性，高速路段行驶的安全速度可能相应提升。若高速路段33%-55% 路段达到140km/h，会使燃料消耗量增加7%-22%。

（5）自动驾驶、智能网联和共享出行综合影响，可以使驾驶出行的人数与车型大小尺寸更好匹配，从而使燃料消耗量降低45-50%。

（6）驾驶员不再开车的情况下，整车需要额外增加安全配置、排放、舒适性、便捷性等性能，从而增大车重，使燃料消耗量提升约11%。