電動(dòng)汽車充電站選址與定容規(guī)劃

電動(dòng)汽車充電站選址與定容規(guī)劃

0電動(dòng)汽車充電站建設(shè)及運(yùn)行路徑模型隨著物流業(yè)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電動(dòng)汽車已在市場上引入，其“零污染、零排放”的優(yōu)勢彌補(bǔ)了傳統(tǒng)燃油汽車的不足。目前,國內(nèi)外對(duì)電動(dòng)汽車的研究主要集中在充電站建設(shè)和行駛路徑規(guī)劃方面。YI等國內(nèi)外對(duì)電動(dòng)汽車充電站的研究歷史較短,且大多數(shù)研究都是針對(duì)原有問題提出算法或參數(shù)上的改進(jìn),忽視了模型創(chuàng)新。本文在充電站建設(shè)成本固定的情況下,在電動(dòng)汽車的單次充電行駛里程有限和充電站容量有限的條件下,考慮司機(jī)為給電動(dòng)汽車充電偏離最短路徑轉(zhuǎn)而行駛到偏差路徑的意愿程度和為充電付出的等待時(shí)間,在保證一定服務(wù)水平的前提下使電動(dòng)汽車車流量需求被最大化滿足,以此為衡量標(biāo)準(zhǔn)得到充電站的合理規(guī)劃布局。1模型建設(shè)1.1b單次充電行駛里程鑒于電動(dòng)汽車的單次充電行駛里程有限和交通網(wǎng)絡(luò)中充電站較少的現(xiàn)狀,本文從建設(shè)者的角度考慮:司機(jī)為給車輛充電,在道路信息已知時(shí)放棄之前規(guī)劃好的最短路徑而選擇偏差距離可接受的偏差路徑;當(dāng)司機(jī)進(jìn)入偏差路徑時(shí),由于充電時(shí)間較長,會(huì)產(chǎn)生等待時(shí)間,影響服務(wù)速率。在滿足成本、偏差距離等約束的條件下,通過合理選擇充電站位置和設(shè)置相應(yīng)充電樁數(shù)量來保證服務(wù)水平。為更有效地找到路徑中有效節(jié)點(diǎn)組合,構(gòu)建擴(kuò)張網(wǎng)絡(luò),如圖1所示,在起、終點(diǎn)前加入虛擬點(diǎn)集合M、N,虛線表示電動(dòng)汽車在單次充電行駛里程允許范圍內(nèi)可繞過某些節(jié)點(diǎn)到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)充電。圖1闡述考慮偏差距離的充電站選址問題與傳統(tǒng)選址問題的差別,由6個(gè)節(jié)點(diǎn)和2條路徑(見表1)組成,其中數(shù)字表示相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。假設(shè)圖1中2條路徑上的車流量均為100輛,電動(dòng)汽車的單次充電行駛里程為100km。由于成本限制,僅能建設(shè)2個(gè)充電站,而節(jié)點(diǎn)B為已知選址點(diǎn)。若考慮偏差距離,則節(jié)點(diǎn)B處充電站也許可覆蓋2條路徑中的車流量。若使用傳統(tǒng)選址思路,則由于單次充電行駛里程限制,路徑BC上的車流量無法被節(jié)點(diǎn)B處充電站覆蓋,需在節(jié)點(diǎn)C再建設(shè)一個(gè)充電站;同理,需在節(jié)點(diǎn)E再建設(shè)一個(gè)充電站才能覆蓋路徑BE上的車流量。路徑BC與路徑BE上車流量相等,重要性也相同,但由于成本限制,僅能再建設(shè)一個(gè)充電站。若考慮偏差距離,則可在節(jié)點(diǎn)D或F建設(shè)充電站。選節(jié)點(diǎn)D建設(shè)充電站時(shí):其在滿足路徑BE上的車流量需求時(shí)偏差距離為0,即節(jié)點(diǎn)D位于BE最短路徑中;其在滿足路徑BC上的車流量需求時(shí)偏差距離為1.2電動(dòng)汽車偏差距離函數(shù)(1)模型包括多個(gè)基于OD矩陣的往返行程,往返行駛路線相同,司機(jī)對(duì)電動(dòng)汽車充電站的位置、最優(yōu)可偏離路徑信息已知;(2)模型考慮偏差路徑時(shí)使用距離衰退函數(shù)(即隨著偏差距離上升,愿意偏離最短路徑轉(zhuǎn)向偏差路徑的車輛會(huì)減少),并設(shè)定司機(jī)能容忍的偏差距離上限;(3)電動(dòng)汽車在起點(diǎn)時(shí)電量為總電量的一半,電量消耗與距離成正比;(4)電動(dòng)汽車為抵達(dá)目的地,途中可能需要多次停下充電,一旦開始充電,會(huì)等充滿后再離開;(5)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)為電動(dòng)汽車充電站位置的候選點(diǎn);(6)充電站存在容量限制,電動(dòng)汽車到達(dá)充電站服從泊松分布,到達(dá)后按照先到先服務(wù)的排隊(duì)規(guī)則進(jìn)行充電,不同充電站的充電樁服務(wù)時(shí)間服從同樣的負(fù)指數(shù)分布。1.3符號(hào)表明變量:Q為OD矩陣中從起點(diǎn)到終點(diǎn)的路徑(最短路徑)集合,q∈Q;f決策變量:x假設(shè)1.4節(jié)點(diǎn)c的確定式(1)和(2)為目標(biāo)函數(shù),式(1)表示在成本固定時(shí)可覆蓋的最大車流量,式(2)表示車輛的最短平均等待時(shí)間。式(3)～(11)為約束條件:式(3)表示流量平衡;式(4)表示到達(dá)節(jié)點(diǎn)i的電動(dòng)汽車需求量不大于節(jié)點(diǎn)i處的總?cè)萘?式(5)表示建設(shè)充電站的成本為c1.5節(jié)點(diǎn)權(quán)重與節(jié)點(diǎn)位置距離模型引入空間引力模型確定路徑中的車流量。由空間引力模型可知,某條路徑上的車流量與起點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)權(quán)重成正比,與節(jié)點(diǎn)之間的距離成反比。在本文網(wǎng)絡(luò)中,某條特定路徑上的車流量可表示為式中:w1.6距離衰減函數(shù)懲罰函數(shù)用該函數(shù)表示路徑q中愿意轉(zhuǎn)向偏差路徑r的車流量百分比。用D、d1.7不同充電站容量約束層函數(shù)使用雙層規(guī)劃求解雙目標(biāo),將式(1)作為上層函數(shù),式(2)作為下層函數(shù),在滿足成本、充電站容量約束的條件下,考慮司機(jī)進(jìn)入充電站后的等待時(shí)間,尋找最優(yōu)方案,使得目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)。2計(jì)算2.1節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的提出本文采用由BERMAN和SIMCHI-LEVI最早提出、后經(jīng)HODGSON改進(jìn)的25個(gè)節(jié)點(diǎn)的樣本網(wǎng)絡(luò)為測試網(wǎng)絡(luò),見圖2。已知該網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)間的距離和節(jié)點(diǎn)權(quán)重,參照KUBY等2.2定容分析模型為研究各參數(shù)對(duì)選址的影響,使用Lingo進(jìn)行求解。假定電動(dòng)汽車充電站備選點(diǎn)有6個(gè),v=3,6,9輛/h,分別得出當(dāng)S=45,55,65km時(shí)網(wǎng)絡(luò)路徑中車流量隨各參數(shù)變化的趨勢,具體結(jié)果見表2。2.2.1不同模型參數(shù)下的控制參數(shù)根據(jù)結(jié)果可以得出,即使考慮偏差路徑,隨著成本的不斷增加,當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí),可覆蓋的車流量先持續(xù)增加,直到達(dá)到一定水平后保持不變,這是因?yàn)殡S著成本增加,可建的充電站和充電樁數(shù)也相應(yīng)增加,可覆蓋的車流量也相應(yīng)增加,但由于S、τ在v和d2.2.2偏差距離敏感當(dāng)d表2中還顯示了司機(jī)對(duì)偏差距離的敏感程度對(duì)選址的影響。由表2可知,與司機(jī)對(duì)偏差距離敏感時(shí)相比,當(dāng)司機(jī)不在意偏差距離(即無論偏差距離多大,司機(jī)都會(huì)轉(zhuǎn)到偏差路徑上行駛)時(shí),可覆蓋的車流量總數(shù)未必多,建設(shè)的充電樁數(shù)也未必少。在v=6輛/h、S=55km、c2.2.3充電樁覆蓋設(shè)計(jì)當(dāng)其他參數(shù)相同、成本固定時(shí),隨著v的增加,充電站可覆蓋的車流量逐漸增加,之后保持不變。從表2可以看出,在其他參數(shù)不變的前提下,當(dāng)v較大時(shí),隨著成本的增加,最終可覆蓋的車流量都會(huì)趨于一個(gè)固定值。此時(shí),所有充電站內(nèi)都配備足夠多的充電樁,但由于S和τ隨著v的增加,單個(gè)充電樁可以服務(wù)的電動(dòng)汽車數(shù)量增多,故覆蓋相同數(shù)量的車流量時(shí)所需建設(shè)的充電站和充電樁數(shù)減少。如當(dāng)S=55km、d3仿真結(jié)果與分析在政府節(jié)能減排的號(hào)召下,電動(dòng)汽車替代燃油汽車已成為一種趨勢,加快電動(dòng)汽車的推廣十分重要。與傳統(tǒng)燃油汽車相比,電動(dòng)汽車的單次充電行駛里程較短,充電站較為稀缺,充電時(shí)間較長,需在對(duì)其進(jìn)行選址定容時(shí)既保證一定的服務(wù)水平,又盡可能滿足最大的車流量需求。因此,本文在規(guī)劃充電站網(wǎng)絡(luò)時(shí),放松了普通車流量覆蓋問題的限制,考慮司機(jī)愿意偏離最短路徑轉(zhuǎn)向偏差路徑的意愿程度,得出司機(jī)對(duì)偏差距離的敏感程度也是影響選址的因素之一。使用雙目標(biāo)函數(shù)求解在一定服務(wù)水平下覆蓋的最大車流量,最后通過算例分析該方法的有效性,具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。本文考慮偏差距離和等待時(shí)間,雖然對(duì)建設(shè)電動(dòng)汽車充電網(wǎng)絡(luò)有一定的指導(dǎo)意義,