安實，趙曉晨，王健

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江　哈爾濱　150090）

電動汽車租賃換電設(shè)施布局研究

安實，趙曉晨，王健

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150090）

電動汽車租賃服務(wù)已成為城市公共交通中的重要組成部分，為了使電動汽車租賃服務(wù)在城市中有效運行，兼顧租賃服務(wù)換電設(shè)施的選址布局尤為重要。文中在分析電動汽車租賃換電設(shè)施選址影響因素及滿足公共服務(wù)設(shè)施建站原則的基礎(chǔ)上，建立了基于用戶到租賃換電設(shè)施距離最小化和電動汽車在租賃換電站內(nèi)逗留時間最小化的選址模型，得到了租賃換電設(shè)施最優(yōu)選址方案，并給出了求解算法，最后通過算例對模型和算法進(jìn)行了驗證。

城市交通；電動汽車；租賃換電設(shè)施；遺傳算法；選址模型

面對能源危機和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力，使用清潔能源的電動汽車應(yīng)運而生。電動汽車租賃作為新的公共交通方式可以給城市交通發(fā)展帶來前所未有的變化，有效緩解城市交通運力不足、交通擁堵和停車難的問題。電動汽車租賃換電設(shè)施是由租賃停車場、常規(guī)充電機和換電服務(wù)臺組成的集租車和換電于一體的電動汽車綜合服務(wù)設(shè)施，由電動汽車租賃公司負(fù)責(zé)建造，為該公司所租車輛提供換電服務(wù)。這些設(shè)施白天為電動汽車提供換電服務(wù)、為電動汽車租賃者提供租車服務(wù)，晚上提供夜間停車及整車充電服務(wù)。作為電動汽車普及必備的設(shè)施，換電設(shè)施的興建勢在必行。在換電設(shè)施興建領(lǐng)域，美國特斯拉公司于2013年底在橫跨美國的高速公路上建立了完整的太陽能充電站體系。隨著電動汽車技術(shù)的成熟，中國在電動汽車租賃領(lǐng)域也有了長足發(fā)展，杭州微公交體系的發(fā)展給中國電動汽車租賃服務(wù)的普及提供了試點。在國內(nèi)，以換電為主的集中換電模式是電動汽車租賃服務(wù)的發(fā)展主流。研究汽車共享的短時租車模式下的電動汽車租賃換電設(shè)施的布局在當(dāng)前具有十分顯著的社會意義。

目前，針對電動汽車換電設(shè)施選址的文獻(xiàn)有很多。在宏觀方面，主要對建站服務(wù)能力、可行性、建站原則及標(biāo)準(zhǔn)、約束布局的影響因素、分析比較不同區(qū)域換電設(shè)施建設(shè)需求及建設(shè)成本等方面進(jìn)行研究。在微觀方面，主要針對選址模型及具體算法進(jìn)行研究。但針對換電設(shè)施服務(wù)功能改進(jìn)的研究較少。該文考慮到電動汽車換電站同時提供電動汽車租賃服務(wù)，研究電動汽車租賃換電設(shè)施的選址問題，分析影響租賃換電服務(wù)設(shè)施選址的因素，構(gòu)建電動汽車租賃換電設(shè)施選址模型，以同時決策租賃換電設(shè)施的建址位置及各個建址點需要配備多少電動汽車等問題。

1　影響電動汽車租賃換電設(shè)施選址的因素

1.1電動汽車租賃需求量

（1）預(yù)測電動汽車規(guī)模。以以往汽車市場規(guī)模作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對未來汽車市場規(guī)模進(jìn)行預(yù)測。通過對比各種預(yù)測方法并分析電動汽車市場的發(fā)展規(guī)律，選取回歸方法，通過對影響汽車發(fā)展的因素進(jìn)行分析，確定人口規(guī)模及GDP為影響因素，回歸分析影響因素和汽車市場規(guī)模之間的關(guān)系，得到汽車市場規(guī)?；貧w方程，預(yù)測未來年汽車市場規(guī)模。

（2）預(yù)測電動汽車分擔(dān)率。依據(jù)BASS擴張模型預(yù)測電動汽車在未來汽車市場中所占比例。由于電動汽車的發(fā)展在國內(nèi)尚處于初級階段，難以取得大量歷史數(shù)據(jù)，采用類比法，將傳統(tǒng)汽車作為類似產(chǎn)品，分析電動汽車及傳統(tǒng)汽車的發(fā)展特性，對比關(guān)鍵影響因素，獲得電動汽車市場擴張的關(guān)鍵參數(shù)。其中，外部影響因素選取政策對策發(fā)展、經(jīng)濟社會背景及競爭替代產(chǎn)品，內(nèi)部影響因素選取價格、使用年限及用戶便利性。

（3）預(yù)測規(guī)劃區(qū)域電動汽車租賃需求。采用調(diào)查問卷形式統(tǒng)計居民電動汽車租賃意愿和購買意愿，根據(jù)預(yù)測得到的規(guī)劃區(qū)域電動汽車保有量預(yù)測該區(qū)域電動汽車租賃需求量。

1.2電動車需求點及租賃備選點位置

（1）電動車租賃需求點位置。依據(jù)地形和土地性質(zhì)將規(guī)劃區(qū)域劃分為若干個交通小區(qū)，對每個交通小區(qū)進(jìn)行電動車需求訖點分析，集聚交通小區(qū)的各訖點電動車需求量于一點作為該交通小區(qū)的電動車需求點。在一定的時間內(nèi)，需求點位置及電動車數(shù)量是一定的，將電動車需求數(shù)量少的相鄰交通小區(qū)合并，最終得到租賃換電設(shè)施的電動車需求點。

（2）租賃換電設(shè)施備選點位置。租賃換電設(shè)施備選點位置的選取需考慮以下幾個方面：1）電動車需求點。租賃換電設(shè)施的布點分布應(yīng)與電動車需求點的分布一致。2）社會環(huán)境。選擇固有停車場或公交總站、改建加油站等作為初始選址點。3）環(huán)保安全。選址時注意噪聲污染對周圍環(huán)境的影響，選擇離變電站近的地方布設(shè)。

1.3電動汽車平均入站率和平均換電時間

電動汽車的換電行為受用戶習(xí)慣、電池容量及周圍環(huán)境變化的影響，到達(dá)租賃換電設(shè)施的數(shù)量具有不確定性。假設(shè)到達(dá)租賃換電設(shè)施準(zhǔn)備換電的電動汽車數(shù)量為d，租賃換電設(shè)施內(nèi)換電服務(wù)臺數(shù)量為N，當(dāng)0≤d≤N時，無需排隊全部接受換電服務(wù)；當(dāng)d>N時，d-N輛電動汽車需要排隊等候，按照先到先服務(wù)的順序接受換電服務(wù)。

電動汽車的平均入站率受租賃換電設(shè)施輻射半徑內(nèi)電動汽車需求量及租賃換電設(shè)施規(guī)模的影響，可通過對比城市加油站汽車平均入站率獲得租賃換電設(shè)施電動汽車平均入站率。平均換電時間與換電站員工操作熟練程度及電池容量有關(guān)，參照國內(nèi)外換電站的換電時間確定。

1.4電動汽車充換電模式

（1）常規(guī)充電。又稱慢充，充電時間較長，一般采用較小電流即可為電動汽車提供充電服務(wù)，充電設(shè)施可使用車載充電機或小型充電樁。車載充電機作為標(biāo)配放置于電動汽車后備箱里，小型充電樁可安裝在小區(qū)、大型商場的停車場或租賃換電設(shè)施里，供電動汽車就近選擇充電。小型充電樁特別適合于租賃換電設(shè)施內(nèi)安裝，供夜間整車充電。

（2）快速充電。又稱應(yīng)急充電，一般充電時間為幾分鐘到幾十分鐘，補充電池電量至總?cè)萘康?0％～80％。由于電動汽車的充電時間與汽車加油時間相仿，在建設(shè)快速充電站時可以將距離供電網(wǎng)近的加油站點作為快速充電的備選站點。

（3）換電。電池更換速度較快，又有一套系統(tǒng)的作業(yè)方式，幾分鐘即可完成操作，在用時上是幾種方式中最短的。對于換電服務(wù)設(shè)施的選址，結(jié)合租賃停車服務(wù)設(shè)施選址一起考慮，著重研究集換電和租賃服務(wù)于一體的電動汽車服務(wù)設(shè)施選址。

2　電動汽車租賃換電設(shè)施選址規(guī)劃模型

電動汽車租賃換電設(shè)施選址在國內(nèi)還沒有形成系統(tǒng)的理論方法，為了進(jìn)一步簡化分析，將每個交通小區(qū)的電動汽車租賃需求量集中于一點作為電動汽車租賃需求點，該點位于交通小區(qū)電動汽車租賃需求量最大處，便于計算電動汽車租賃換電設(shè)施位置和電動汽車租賃者之間的距離。由于租賃換電設(shè)施提供夜間停車和電池?fù)Q電服務(wù)，為了更準(zhǔn)確確定電動汽車租賃換電設(shè)施的位置，以區(qū)域內(nèi)租賃者與租賃換電設(shè)施之間的距離和電動汽車在租賃換電設(shè)施內(nèi)換電平均逗留時間最短作為模型建立的目標(biāo)，使系統(tǒng)內(nèi)的服務(wù)水平最高。

2.1模型構(gòu)建

某區(qū)域的汽車租賃公司要建設(shè)電動汽車租賃換電設(shè)施，已知該規(guī)劃區(qū)域有n個租賃需求點Vi（i=1，2，…，n），其中第i個租賃需求點的坐標(biāo)為（xi， yi）；i點的租賃需求量為ti；備選租賃換電設(shè)施為Wj（j=1，2，…，S），最多有S個租賃換電設(shè)施備選點；m為租賃公司擬建租賃換電設(shè)施個數(shù)，其中第j個租賃換電設(shè)施備選點的坐標(biāo)為（αj，βj）。設(shè)第j個租賃換電設(shè)施備選點的電動汽車儲存量為pj，第j個租賃換電設(shè)施備選點服務(wù)于第i個租賃需求點的電動汽車數(shù)量為aij。

2.1.1電動汽車租賃設(shè)施選址目標(biāo)函數(shù)

以規(guī)劃區(qū)域內(nèi)所有電動汽車需求點到租賃點的總距離為衡量標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

2.1.2電動汽車換電設(shè)施選址目標(biāo)函數(shù)

以規(guī)劃區(qū)域內(nèi)所有電動汽車在換電設(shè)施內(nèi)的總逗留時間為衡量標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中：Ws為電動汽車在租賃換電設(shè)施內(nèi)的平均逗留時間。

假設(shè)電動汽車在租賃換電設(shè)施內(nèi)排隊等候換電的過程符合標(biāo)準(zhǔn)多服務(wù)臺排隊模型，即電動汽車換電入站率為λ，平均換電時間為1/μ；每個電動汽車租賃換電設(shè)施設(shè)c個換電設(shè)施，假設(shè)電動汽車到達(dá)服從泊松分布、換電時間服從負(fù)指數(shù)分布。則平均逗留時間Ws的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

2.1.3電動汽車換電設(shè)施選址的約束條件

為保證電動汽車租賃服務(wù)的有效運行，要求租賃換電設(shè)施的電動汽車供應(yīng)量大于或等于租賃需求點的電動汽車需求量、每個電動汽車租賃換電設(shè)施的電動汽車供應(yīng)量等于各租賃需求點到該租賃換電設(shè)施的租車量之和、每個電動汽車租賃需求點的電動汽車需求量等于該租賃需求點到各租賃換電設(shè)施的租車量之和、租賃公司擬建租賃換電設(shè)施個數(shù)m不大于租賃換電設(shè)施備選點的個數(shù)，即：

2.1.4電動汽車租賃換電設(shè)施選址的目標(biāo)函數(shù)

為確定電動汽車租賃服務(wù)和換電服務(wù)在租賃換電設(shè)施選址規(guī)劃中各自所占的重要程度，引入權(quán)重值η，其取值為換電服務(wù)重要度與租賃服務(wù)重要度之比，0<η<1。權(quán)重的取值有多種衡量標(biāo)準(zhǔn)，這里依據(jù)電動汽車租賃和換電服務(wù)功能對使用電動汽車的居民產(chǎn)生的影響程度來選取衡量指標(biāo)，選取電動汽車租賃普及率、換電服務(wù)模式（快充、慢充、換電）所占比例、專家經(jīng)驗及居民傾向調(diào)查等指標(biāo)作為衡量指標(biāo)。η取0.4。則規(guī)劃區(qū)域內(nèi)電動汽車租賃換電設(shè)施優(yōu)化選址模型為：

2.2模型算法

與傳統(tǒng)算法相比，遺傳算法對數(shù)據(jù)要求低，不受搜索空間限制，可同時考慮多種目標(biāo)函數(shù)及約束，故采用遺傳算法對電動汽車租賃換電設(shè)施選址模型進(jìn)行求解，適應(yīng)度函數(shù)f=min T。

運算過程如下：1）采用掃描法獲得初始種群。2）將初始種群分別代入適應(yīng)度函數(shù)中，得到各條染色體的適應(yīng)度函數(shù)值，并按照從大至小的順序排列。3）依照概率0.25選擇初始種群中的較優(yōu)解直接復(fù)制到下一代。4）將剩余的初始種群進(jìn)行交叉和變異，產(chǎn)生新一代種群。交叉概率pc=0.6，變異概率pm=0.01。5）當(dāng)交叉和變異達(dá)到最大迭代次數(shù)時，算法終止。

運用電動汽車租賃換電設(shè)施選址規(guī)劃模型，通過以上運算，可求出租賃換電設(shè)施的建設(shè)數(shù)量m及每個租賃換電設(shè)施的電動汽車供應(yīng)量pj。

3　算例驗證

下面以某市汽車租賃公司在某區(qū)域為電動汽車租賃換電設(shè)施選址為例加以說明。該規(guī)劃區(qū)域面積為10 km2；至2020年，該區(qū)域人口密度為4 500 人/km2；電動汽車保有量為9％，電動汽車需求量為1 350輛。將該區(qū)域劃分為10個交通小區(qū)，各小區(qū)電動汽車位置及數(shù)量如表1所示。

表1　電動汽車位置坐標(biāo)及數(shù)量

該汽車租賃公司預(yù)先選定備選租賃換電設(shè)施6 座，各備選租賃換電設(shè)施位置坐標(biāo)如表2所示。

表2　備選租賃換電設(shè)施位置

根據(jù)調(diào)查，該區(qū)域電動汽車換電入站率為40 輛/h，換電服務(wù)臺服務(wù)率為12輛/h，每座租賃換電設(shè)施計劃配備5個換電服務(wù)臺。根據(jù)模型計算可得規(guī)劃區(qū)域內(nèi)最優(yōu)租賃換電設(shè)施建設(shè)數(shù)目為4座，分別為備選租賃換電站點2、3、4和6，其坐標(biāo)和每個租賃換電設(shè)施的電動汽車泊位供應(yīng)量如表3所示。

表3　計算結(jié)果

從表3可以看出：租賃換電設(shè)施的選址基本滿足城市電動汽車服務(wù)設(shè)施建設(shè)的基本要求。擬建4座標(biāo)準(zhǔn)租賃換電設(shè)施，分設(shè)電動汽車租賃充電區(qū)和換電服務(wù)區(qū)，各功能區(qū)具體面積及布局參照城市加油站和停車場布設(shè)，此處不贅述。

4　結(jié)語

該文在分析電動汽車租賃換電設(shè)施選址影響因素的基礎(chǔ)上，充分考慮電動汽車租賃和換電兩種服務(wù)功能的用戶便利性，建立了基于用戶到租賃換電設(shè)施距離最小化和電動汽車在租賃換電站內(nèi)逗留時間最小化的選址模型。其創(chuàng)新之處在于提出了具有兩種服務(wù)功能（租賃和換電）的電動汽車服務(wù)設(shè)施選址模型，并提出了該模型的算法。不足之處在于未考慮過路電動汽車的換電需求，這也是今后的延伸研究方向。

［1］應(yīng)夏暉，李錦霞，陳錦生.電動汽車充電站的選址優(yōu)化研究［J].交通科技與經(jīng)濟，2014，16（1）.

［2］陳峻，劉東，陳學(xué)武，等.城市停車設(shè)施選址模型與遺傳算法設(shè)計［J].中國公路學(xué)報，2001，14（1）.

［3］任玉瓏，史樂峰，張謙，等.電動汽車充電站最優(yōu)分布和規(guī)模研究［J].電力系統(tǒng)自動化，2011，35（14）.

［4］張國亮，李波，王運發(fā).多等級電動汽車充電站的選址與算法［J].山東大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2011，41（6）.

［5］夏德建.電動汽車研究綜述［J].能源技術(shù)經(jīng)濟，2010， 22（7）.

［6］褚葉祺，翁曉冬.電動汽車微公交商業(yè)模式研究：以杭州市為例［J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2014， 13（3）.

［7］陳榮章，袁好.電動汽車租賃模式研究及可行性分析［J].北京汽車，2014（2）.

［8］郭艷東.城市電動汽車充電站研究［D].北京：華北電力大學(xué)，2013.

［9］馮亮.電動汽車充電站規(guī)劃研究［D].天津：天津大學(xué)， 2013.

［10］Yu（Marco）Nie，Mehrnaz Ghamami.A corridor-centric approach to planning electric vehicle charging infrastructure［J].Transportation Research Part B： Methodological，2013，57（11）.

［11］Seyed Mohammad Nourbakhsh，Yanfeng Ouyang.A structured flexible transit system for low demand areas［J].Transportation Research Part B：Methodological，2012，46（1）.

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1671-2668（2016）01-0033-04

2015-04-11