基于仿真分析经济速度对公路运输成本节约的作用

摘要：车辆在不同的行驶速度下有不同的燃油消耗水平，从而带来不同的燃油费用成本。此外，更多的碳排放量使得碳排放的燃油治理成本增加。基于此，本文探究了经济速度对公路运输成本的节约作用，计算车速与百公里燃油量及百公里碳排放量的关系，从而研究经济速度带来公路运输成本的节约。本文使用了AnyLogic对研究结果进行仿真，更直观地表现经济速度对公路运输成本的节约作用。

关键词：运输经济;经济速度;成本节约;碳排放;

要想进一步提高公路运输过程中的效益，降低公路运输的成本是非常必要的。公路运输成本包括客货运的各项支出，如运费、燃油费等，那么燃料成本及其衍生成本都是公路运输成本的重要组成部分。对车辆燃料的相关成本进行节约，可以减少不必要的车辆运行燃油消耗，节省燃油费用，同时降低环境的治理成本，使公路运输成本从整体上下降，对公路运输的经济效益具有正向的推动作用。

随着我国公路事业的蓬勃发展，治理交通环境问题产生的成本逐渐受到人们的重视。2004年，中国公路建设等带来的CO2排放量约为2.9亿t,2015年达到5.22亿t，预计2030年将增加至11.08亿t。碳排放不仅造成严重的环境问题，还使我国的公路交通成本大幅增加。减少车辆的耗油量对成本的节约具有重大意义：第一，车辆的耗油量越小，需要为运输支付的燃油成本就越低。第二，更少的油耗意味着更少的碳排放，对碳排放进行治理的费用也会更少。因此，公路运输过程中需要尽可能减少车辆油耗，有利于运输成本的节约。众多研究表明，车辆的单位燃油消耗量与车速有明确的联系[1,2]，找到使车辆单位油耗量最小的速度，可以减少燃料消耗、节约成本，该速度被称为经济速度[3,4]。

本文在探讨了耗油量与运输成本间的关系，找到减少运输成本的方法。此外，利用Any Logic仿真方法，验证经济速度下油耗量最少，碳排放量最低，成本最有可能被节约。总之，本文研究了不同车速与车辆燃油量之间的具体关系，验证经济速度下车辆运行时产生的公路运输成本最低。

1 车速与耗油量的关系

1.1 车速与耗油量的关系

[5] 蔡春丽,孙朝印,彭波,等.行车速度与碳排放关系研究[J].公路与汽运,2015(3):61-64." href="https://webvpn.qdu.edu.cn/https/77726476706e69737468656265737421fbf952d2243e635930068cb8/KXReader/Detail?invoice=c6VeaFlDW%2B%2BOaTxzrvHdov0OqYf%2BIRco2G%2FLDGSpyLJoDdlhIUjYygbL1RZmPATw%2FzQw%2Fesz6Aj1xTcH3csCw2dpvTsK%2F%2BTTHdV8iAlrS8bWWw8kO5HcSfZfTX0tf7DcPoC3GBywBmWtAxTlSH3CBXAS0Fol%2B%2Bqxm%2FS%2FEloBum4%3D&DBCODE=CJFD&FileName=ZGSM202205019&TABLEName=cjfdauto&nonce=7133B4DB3ED54948AD37D706A8DEE716&uid=&TIMESTAMP=1648645083851">蔡春丽等(2015)[5]在合适的实验条件下，分别测量车速为30～80km/h(步长为10km/h)时的百公里耗油量，建立了车速与百公里耗油量间的关系，由式(1)计算。

其中，y为车辆百公里耗油量[L/(100km)];v为行车速度(km/h)。经过计算，实验车经济速度约为51.08 km/h，近似认为50 km/h为车辆的经济速度。

1.2 经济车速对燃油成本的节约作用

市场上常见的燃油类型有0号柴油、89号汽油、92号汽油和95号汽油，依然可以使用[5] 蔡春丽,孙朝印,彭波,等.行车速度与碳排放关系研究[J].公路与汽运,2015(3):61-64." href="https://webvpn.qdu.edu.cn/https/77726476706e69737468656265737421fbf952d2243e635930068cb8/KXReader/Detail?invoice=c6VeaFlDW%2B%2BOaTxzrvHdov0OqYf%2BIRco2G%2FLDGSpyLJoDdlhIUjYygbL1RZmPATw%2FzQw%2Fesz6Aj1xTcH3csCw2dpvTsK%2F%2BTTHdV8iAlrS8bWWw8kO5HcSfZfTX0tf7DcPoC3GBywBmWtAxTlSH3CBXAS0Fol%2B%2Bqxm%2FS%2FEloBum4%3D&DBCODE=CJFD&FileName=ZGSM202205019&TABLEName=cjfdauto&nonce=7133B4DB3ED54948AD37D706A8DEE716&uid=&TIMESTAMP=1648645083851">蔡春丽等(2015)得到的数学关系式来近似表示其他燃油百公里耗油量与车速的关系。根据不同类型燃油价格可计算车辆百公里燃油成本，由式(2)计算。某日西安市的燃油价格如表1所示，可得到车辆的百公里燃油成本结果，如图1所示。

其中，C为百公里燃油成本(元);y为百公里油耗量[L/(100km)];P为单位燃油价格(元/L)。

由图1可知，经济速度下每种燃料类型的车辆百公里燃油成本最小，说明经济速度能够最大程度地节约燃油成本。不同燃料的燃油成本节约率在相同车速下是相同的，如图2所示。由图2可以看到，不同种类燃料下车辆经济速度对燃油成本节约的曲线可拟合为一条曲线，趋势与燃油成本曲线相似。也就是说，经济速度相对其他速度可节约燃油成本，节约率最大可以达8%以上，节约程度比较可观。

2 经济车速对碳排放治理成本的节约作用

2.1 碳排放量与车速的关系

由于经济车速下的行车耗油量最小，因此经济车速不仅可以减少燃油成本，还可以间接减少碳排放治理而产生的成本。车辆百公里碳排放的计算主要与燃料密度、燃料净发热值、燃料缺省排放因子、燃料特征因子几个参数有关[6,7]。采用燃料净发热值、燃料缺省排放因子、燃料特征因子确定燃料燃烧过程中的碳排放量，由式(3)计算。

其中，E为百公里碳排放量(mg/100km);ρ为柴油或汽油密度(kg/L);N为柴油或汽油缺省净发热值(MJ/kg);Fi为基于净发热值的排放因子(mg/MJ);Ii为特征因子[8]。

各种燃油密度ρ的近似值如表2所示。值得一提的是，0号柴油的密度在一定范围内变动，为了方便，在计算中取值为0.86。汽油或柴油的缺省净发热值N的大小为43MJ/kg。车辆行驶过程中产生的温室气体主要有CO2、CH4、N2O，其他气体排放量很小。采用联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)提出的排放因子作为中国道路运营能源排放因子[9]，结果如表3所示。此外，燃油燃烧所产生温室气体的特征因子如表4所示。

2.2 碳排放量与车速关系的仿真分析

根据式(3)，利用Any Logic建立仿真模型，得到速度与车辆百公里碳排放量之间的关系，如图3所示。由图3可知，经济速度下的碳排放量最小，意味着此时的环境治理成本最小。

上述仿真结果验证了经济速度对碳排放造成环境污染的治理成本具有一定的节约作用，节约程度与对碳排放量的减少程度有关，结果如图4所示。从图4可以看到，经济速度可以有效减少车辆的碳排放量，最大的减少率可以达到8%以上。

3 各燃料类型车辆混行时碳排放与速度的关系

图5是某一时刻某路段上各车的百公里碳排放量(单位为107mg/100km)及积累的路段碳排放量(单位为mg/100km)的可视化结果。由此可以看到，使用不同类型燃料的车辆百公里碳排放量不同。图中车辆为使用0号柴油，89号汽油，92号汽油，95号汽油的混行状态。路段碳排放量是将不同车辆的百公里碳排放量换算到125m后的累计值，进一步对混行条件下平均到每辆车的路段碳排放量与车速的关系进行探讨，结果如图6所示。

从图6可以看到，经济速度下每辆车平均造成的路段碳排放量最小，意味着在车辆数相同的情况下，不管车辆使用燃油的情况如何变化，总碳排放量在经济速度下达到最低。通过仿真可知，即使在不同车辆混行的状态下，经济速度依然是使碳排放最小的车速，最为绿色环保，最有益环境治理。

4 结语

根据本文的研究，可以得到以下结论：

(1)车辆速度与车辆耗油量之间是一个开口向上的抛物线关系。使车辆耗油量最低的速度，即经济速度，大约为50km/h。

(2)在经济速度下，车辆的百公里碳排放量最低，速度过低或者过高都会引起碳排放量的增加。

(3)考虑不同燃油车辆混行的情况下，经济速度依然是使车辆碳排放量最低的车速，证明了经济速度对节能减排的重要意义。

(4)车速与公路交通的成本存在联系，成本包括燃油成本，也包括对车辆造成的环境污染的治理成本。由于经济速度能最大限度地减少碳排放，所以经济速度对环境治理成本有节约作用。同时，由于在经济速度下耗油量最小，在燃油价格一定的条件下，经济速度还可以节约燃油成本，最大节约率可以达到8%以上。

未来的研究应该进一步平衡经济速度带来的好处及人们对运输快速性要求之间的关系。在对以上两个方面权衡后，公路运输的成本更低，经济效益更好，使公路运输活动能够既快速又环保，实现交通强国背景下的快速、绿色交通运输目标，推进交通强国战略的实现。

参考文献

[1] 张德林.谈经济车速与节油[J].汽车技术,1978(4):44-54.

[2] 商国华.浅谈车辆油耗量、排放量名称及单位[J].柴油机,200(2):55.

[3] Kean A J,Harley R A, Kendall G R. Effects of vehicle speed and engine load on motor vehicle emissions[J]. Environmental science&technology, 2003, 37(17):3739-3746.

[4] 王亮,纪海宁,王欢.基于最佳碳排放与油耗最优化的行驶车速区间研究[J].交通节能与环保,2020,16(2):4-8.

[5] 蔡春丽,孙朝印,彭波,等.行车速度与碳排放关系研究[J].公路与汽运,2015(3):61-64.

[6] 刘志杰.公路网络交通碳排放影响因素研究[J].交通与运输(学术版),2012(1):150-153.

[7] Zhou P, Ang B W, Han J Y. Total factor carbon emission performance:a Malmquist index analysis[J]. Energy Economics,2010, 32(1):194-201.

[8] 林秀丽,丁焰,汤大纲.MOBILE6.2中车队特征和平均速度对机动车尾气排放的影响[J].环境科学导刊,2008(3):11-13+51.

[9] 林秀丽.中国机动车污染物排放因子及其修正方法研究[J].环境科学与管理,2009,34(9):38-43.