呂潔

摘要：隨著全球新能源汽車的快速發(fā)展，在各城市區(qū)域間建設(shè)與之相匹配的新能源汽車充電站就變的尤為重要。本文將站在高速公路新能源汽車基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃者的角度，針對(duì)高速公路新能源汽車的車流情況及充電需求變化，構(gòu)建考慮消費(fèi)者偏好的高速公路充電需求預(yù)測(cè)模型。該模型通過(guò)分析消費(fèi)者偏好對(duì)高速公路充電站規(guī)劃的影響，構(gòu)建消費(fèi)者偏好度評(píng)價(jià)模型，確定影響消費(fèi)者偏好的主要因素，將主要影響因素引入到充電需求預(yù)測(cè)建模中，建立考慮了消費(fèi)者偏好的高速公路新能源汽車充電需求優(yōu)化模型，以便為后期新能源汽車高速公路充電站站址優(yōu)化提供參考，避免充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)資源的不必要浪費(fèi)。

Abstract： With the rapid development of global new energy vehicles， it is becoming more important to build matching charging stations for new energy vehicles between cities and regions. In this paper， from the perspective of planners for the construction of expressway new energy vehicle infrastructure， a prediction model for expressway charging demand that takes into account of consumer preferences is constructed in accordance with the traffic conditions of highway new energy vehicles and changes in charging demand. This model analyzes the impact of consumer preferences on the planning of expressway charging stations， constructs an evaluation model of consumer preferences， determines the main factors affecting consumer preferences， introduces the main influencing factors into the charging demand forecasting modeling， and an optimization model for expressway new energy vehicle charging demand considering consumer preferences is established to provide a reference for the optimization of the new energy vehicle expressway charging station site in the future， and to avoid unnecessary waste of the charging infrastructure construction resources.

關(guān)鍵詞：新能源汽車;高速公路充電需求;消費(fèi)者偏好

Key words： new energy vehicles;expressway charging needs;consumer preferences

中圖分類號(hào)：TU714;TU17 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）01-0058-04

0 ?引言

隨著全球能源緊缺和環(huán)境污染不斷加劇，節(jié)能、低耗、零排放、儲(chǔ)量豐富、更舒適的新能源汽車，開(kāi)始受到世界各國(guó)政府與企業(yè)的重點(diǎn)關(guān)注。國(guó)際能源署統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全球新能源汽車2011年銷量?jī)H有5萬(wàn)輛，而截止2014年12月，全球新能演汽車保有量已急劇達(dá)到66.5萬(wàn)輛，預(yù)計(jì)到2030年，全球新能源汽車保有量將達(dá)到1.25億輛。在2014年，作為我國(guó)新能源汽車啟動(dòng)元年，全年產(chǎn)量8.40萬(wàn)輛。2017年，我國(guó)新能源汽車產(chǎn)銷量為58萬(wàn)輛，位居全球第一。根據(jù)國(guó)務(wù)院相關(guān)規(guī)劃，預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)新能源汽車產(chǎn)銷量將達(dá)到500萬(wàn)輛。于是，建設(shè)與之相匹配的充電基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)新能源汽車的推廣及應(yīng)用尤為重要。然而新能源汽車因?yàn)殡姵厝萘颗c續(xù)航里程的限制，目前新能源汽車遠(yuǎn)距離的行駛需求成為了抑制新能源汽車發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題之一，這無(wú)疑對(duì)高速公路充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。如何確定新能源汽車高速公路的充電需求，從而保證新能源汽車在高速公路行駛時(shí)有充足的電量補(bǔ)給，便具有重要的理論意義和研究?jī)r(jià)值。

近年來(lái)，城市區(qū)域內(nèi)充電基礎(chǔ)設(shè)施的布點(diǎn)規(guī)劃已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)，楊耿杰[1]基于流體動(dòng)力學(xué)的交通模型來(lái)預(yù)測(cè)電動(dòng)汽車的到達(dá)率，基于排隊(duì)論和到達(dá)率計(jì)算充電需求，考慮了單條高速公路上單向、雙向以及高速路網(wǎng)的情況，建立了一種針對(duì)高速路口附近快速充電站的新能源汽車充電需求時(shí)空分布模型。BRAHMA S M[2]基于電量分布及行駛里程提出了一種高速公路上進(jìn)行充電站選址定容的模型，以某一路段中到充電站充電的新能源汽車數(shù)量期望值最大化為目標(biāo)優(yōu)化充電站的布局，以充電站的服務(wù)成本和顧客的等待成本之和最小為目標(biāo)來(lái)優(yōu)化容量配置，同時(shí)利用排隊(duì)論原理分析充電站的服務(wù)水平和運(yùn)行效率。賈龍，胡澤春[3]等人基于單條高速公路和高速路網(wǎng)中新能源汽車電池荷電狀態(tài)變化得出新能源汽車充電需求的分布情況，再采用兩階段法確定新能源汽車充電站的最優(yōu)建站方案。對(duì)于城市區(qū)域間高速公路充電基礎(chǔ)設(shè)施布點(diǎn)規(guī)劃，馮亮[4]基于新能源汽車在高速公路上行駛的電量分布及行駛里程提出了高速公路充電站的布點(diǎn)規(guī)劃。董曉紅，穆云飛[5]等人在原有充電需求預(yù)測(cè)模型基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一種考慮配網(wǎng)潮流約束的高速公路快速充電站校正規(guī)劃的方法，但規(guī)劃方法僅僅關(guān)注了配電網(wǎng)絡(luò)需求約束。

1 ?消費(fèi)者偏好對(duì)充電需求預(yù)測(cè)的影響分析

黃維梁[6]認(rèn)為消費(fèi)者行為是指消費(fèi)者獲取、使用、消費(fèi)和處置產(chǎn)品或服務(wù)時(shí)所表現(xiàn)出的各種行為及其過(guò)程。Ajzen與Fishbein[7]提出理性行為理論（TRA），認(rèn)為任何因素只能通過(guò)態(tài)度和主觀準(zhǔn)則來(lái)間接地影響使用行為，假設(shè)人有完全控制自己行為的能力。但是，在客觀條件下，個(gè)體的行為受到管理干預(yù)以及外部環(huán)境的制約。于是，Ajzen[8]又引入了感知行為控制變量，并提出了計(jì)劃行為理論（TPB），提出行為意向除了由態(tài)度和主觀準(zhǔn)則決定以外，還會(huì)受到感知行為控制的影響。Silk與Urban[9]也基于標(biāo)準(zhǔn)性假設(shè)提出，某一商品被選概率取決于消費(fèi)者對(duì)其偏好程度。偏好指的是消費(fèi)者對(duì)同類商品表現(xiàn)出的品牌、價(jià)格、產(chǎn)地和設(shè)計(jì)等的偏好之情，在很大程度上，這種偏好決定了消費(fèi)者對(duì)某種商品的選擇。目前，現(xiàn)有的高速公路新能源汽車充電需求對(duì)于消費(fèi)者充電行為觀點(diǎn)均基于標(biāo)準(zhǔn)化決策理論基礎(chǔ)，認(rèn)為消費(fèi)者偏好是穩(wěn)定的，但對(duì)于消費(fèi)者決策行為，張全成[10]在研究中證實(shí)，消費(fèi)者對(duì)特定商品的價(jià)值判斷、評(píng)價(jià)和選擇都離不開(kāi)情境、方案的對(duì)比參照，因此消費(fèi)者偏好對(duì)高速公路新能源汽車用戶在進(jìn)行充電選擇時(shí)具有重要影響。

2 ?考慮消費(fèi)者偏好的高速公路新能源汽車充電需求預(yù)測(cè)

由于新能源汽車在高速公路行駛過(guò)程中，汽車是單向行駛的，不能掉頭，本文僅考慮一個(gè)方向的車流情況，對(duì)高速公路新能源汽車充電需求進(jìn)行預(yù)測(cè);當(dāng)新能源汽車用戶在行駛過(guò)程中發(fā)現(xiàn)汽車電池電量不滿足其在高速公路上的行駛里程時(shí)，前面行駛路段中任一個(gè)充電站都可能成為其充電選擇對(duì)象，消費(fèi)者可以根據(jù)消費(fèi)者偏好對(duì)后面可能遇到的充電站進(jìn)行排序。本文針對(duì)這種情況，在現(xiàn)有僅考慮新能源汽車的電池電量分布的高速公路新能源汽車充電需求預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)消費(fèi)者偏好的影響因素分析，考慮影響消費(fèi)者偏好的主要因素對(duì)高速公路新能源汽車充電需求預(yù)測(cè)影響，在已有的高速公路新能源汽車充電需求模型基礎(chǔ)上建立考慮消費(fèi)者偏好的新能源汽車充電需求預(yù)測(cè)模型，最后本文以《2018北京交通發(fā)展年報(bào)》的出行行為數(shù)據(jù)為依據(jù)，以京開(kāi)高速公路段新能源汽車出行情況為例，得出考慮了消費(fèi)者偏好的高速公路充電需求對(duì)比分析，為進(jìn)行高速公路充電站建設(shè)合理規(guī)劃時(shí)提供參考。

2.1 考慮新能源汽車電池電量分布的高速公路新能源汽車充電需求預(yù)測(cè)模型

為了盡可能的接近實(shí)際最大續(xù)航能力，根據(jù)國(guó)內(nèi)常用六款新能源汽車綜合續(xù)航里程N(yùn)EDC（New European Driving Cycle）確定新能源汽車在充滿電的前提下一直跑到電量耗盡時(shí)行駛的平均最大續(xù)航里程Lmax。這樣，在已知新能源汽車的初始電量S0、行駛路徑Di、最大續(xù)航里程Lmax的條件下，我們可以得到任意第i輛新能源汽車在高速公路任意地點(diǎn)的電池電量，當(dāng)最大續(xù)航里程Lmax>Di時(shí)，則表示該第i輛新能源汽車不需要在高速公路上充電，當(dāng)最大續(xù)航里程Lmax？燮Di時(shí)，則表示該新能源汽車在該高速路段上的充電次數(shù)N？叟1。當(dāng)N？叟1時(shí)，則根據(jù)整個(gè)高速路網(wǎng)中的新能源汽車的電池電量分布[3]基礎(chǔ)模型，第i輛新能源汽車在經(jīng)過(guò)充電站點(diǎn)k時(shí)的電池電量為：

2.2 考慮消費(fèi)者偏好的高速公路新能源汽車充電需求預(yù)測(cè)模型

孫魯平，蘇萌[12]研究表明，消費(fèi)者的不準(zhǔn)確知識(shí)、購(gòu)買意愿強(qiáng)度以及購(gòu)買延遲時(shí)間均對(duì)其實(shí)際偏好（購(gòu)買行為）具有顯著影響。本文結(jié)合多種來(lái)源的高速公路新能源汽車充電市場(chǎng)消費(fèi)者相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)查，從高速公路充電站服務(wù)對(duì)象的角度出發(fā)，通過(guò)對(duì)服務(wù)對(duì)象的特性分析和充電需求特性分析，對(duì)高速公路充電消費(fèi)者、消費(fèi)者目的進(jìn)行分類，識(shí)別影響高速公路充電消費(fèi)者充電需求偏好的主要因素。如圖1結(jié)果所示，在消費(fèi)者對(duì)于充電站服務(wù)區(qū)配套設(shè)施齊全度、行車路線熟悉度等所掌握的信息和知識(shí)不斷更新，以及消費(fèi)者本身的不準(zhǔn)確知識(shí)的影響過(guò)程中，隨著新能源汽車剩余電量分布的變化，消費(fèi)者的充電意愿強(qiáng)度Ap和充電延遲時(shí)間Td對(duì)于充電需求的判斷就會(huì)有最為顯著影響。

3 ?實(shí)證分析

為了驗(yàn)證帶有消費(fèi)者偏好的影響因素對(duì)于高速公路新能源汽車充電需求的影響，根據(jù)已有的新能源汽車充電需求預(yù)測(cè)模型與考慮了消費(fèi)者偏好的新能源汽車高速公路充電需求預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。首先，分析高速公路新能源汽車充電需求所遵循的規(guī)則：

①由于新能源汽車在高速公路行駛過(guò)程中，汽車是單向行駛的，不能掉頭，于是本次實(shí)證分析僅考慮一個(gè)方向的車流情況;

②假設(shè)高速公路新能源汽車行駛路徑總是遵循最短路徑原則，路網(wǎng)中每一個(gè)起始點(diǎn)之間的路徑都是唯一的;

③ 為保證車輛能快速充滿電，假設(shè)在進(jìn)入高速公路后，新能源汽車的初始電量如圖2所示服從期望為0.7、方差為0.12的正態(tài)分布。

④本文以目前電池容量較大的新能源汽車特斯拉model s以及蔚來(lái)ES8進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)相應(yīng)新能源汽車比例來(lái)分別確定電池容量和續(xù)航里程的加權(quán)平均值分別為85kW·h、467km，設(shè)充電站的標(biāo)準(zhǔn)容量配置為20臺(tái)快充充電樁，充電功率為96kW。

綜合考慮以上規(guī)則，本文以北京京開(kāi)高速公路為例，已知通車總里程為670km，日斷面交通流量為60069輛，其中，進(jìn)京為31387輛，出京車輛流量為28282輛。跟據(jù)新能源汽車滲透率的預(yù)測(cè)[13]可知，假設(shè)新能源汽車的滲透率為25%，則2018年京開(kāi)高速公路新能源汽車的日斷面交通流量應(yīng)有15017輛左右，其中，進(jìn)京新能源汽車為7847輛，出京車輛為7170輛左右。為滿足新能源汽車在高速公路上的最大充電需求，本文將以進(jìn)京新能源汽車數(shù)量7847輛為依據(jù)進(jìn)行單向的充電站數(shù)量規(guī)劃。

一般情況下，由于消費(fèi)者偏好存在很強(qiáng)的主觀性，新能源汽車的剩余電量與消費(fèi)者偏好之間存在的反向相關(guān)關(guān)系難以用客觀的數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行表述。于是假設(shè)引用模糊數(shù)學(xué)理論，建立從電池電量狀態(tài)到該集合的隸屬度函數(shù)，如線性函數(shù)式（2）所示，以此來(lái)表達(dá)新能源汽車用戶的消費(fèi)者偏好[14]：

由新能源汽車國(guó)家檢測(cè)與管理中心發(fā)布的2018年4月《全國(guó)新能源汽車統(tǒng)計(jì)與分析月報(bào)》研究顯示，大部分新能源車輛在SOC為40%左右時(shí)已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行充電。由此可見(jiàn)，當(dāng)電池電量狀態(tài)大于80%時(shí)，則基本沒(méi)有充電需求;當(dāng)電池電量狀態(tài)低于40%時(shí)，則一定會(huì)進(jìn)行充電。于是假定新能源汽車剩余電量少于68kW·h時(shí)即產(chǎn)生充電需求，當(dāng)新能源汽車剩余電量少于34kW·h時(shí)便一定會(huì)選擇充電。

根據(jù)《高速公路交通工程及沿線設(shè)施設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中高速公路上設(shè)置的服務(wù)區(qū)平均間距不宜大于50公里、最大間距不宜大于60公里的規(guī)定。假設(shè)在高速公路上，新能源汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施點(diǎn)間距均為50km。于是隨著行駛里程變化，考慮了消費(fèi)者偏好的充電需求對(duì)比分析如下圖3可知，高速公路新能源汽車充電需求受消費(fèi)者偏好的影響，隨著新能源汽車的行駛里程越短，考慮了消費(fèi)者偏好的充電需求量越低;隨著新能源汽車行駛里程的增加，考慮了消費(fèi)者偏好的充電需求呈曲線逐漸增加，并在行駛接近350km時(shí)與未考慮消費(fèi)者偏好時(shí)的充電需求量達(dá)成一致。

4 ?結(jié)論

本文提出了一種在考慮了基于消費(fèi)者偏好的新能源汽車高速公路充電站需求預(yù)測(cè)模型。以原有的充電需求預(yù)測(cè)模型為基礎(chǔ)，最大程度考慮消費(fèi)者偏好對(duì)新能源汽車充電需求的影響。①首先從高速公路充電站服務(wù)對(duì)象的角度出發(fā)，通過(guò)對(duì)服務(wù)對(duì)象的特性分析和充電需求特性分析，對(duì)高速公路充電消費(fèi)者、消費(fèi)者目的進(jìn)行分類，識(shí)別影響高速公路充電消費(fèi)者充電需求偏好的主要因素。②基于消費(fèi)者偏好對(duì)消費(fèi)者充電選擇行為進(jìn)行分析，基于消費(fèi)者的充電意愿強(qiáng)度和充電延遲時(shí)間，建立了考慮消費(fèi)者偏好的充電需求模型，并引用模糊數(shù)學(xué)理論，對(duì)新能源汽車的剩余電量與消費(fèi)者偏好之間存在的反向相關(guān)關(guān)系建立從電池電量狀態(tài)到該集合的優(yōu)化隸屬度函數(shù)。③以北京京開(kāi)高速公路為例，基于考慮消費(fèi)者偏好的充電需求模型，對(duì)北京京開(kāi)高速路段的充電需求進(jìn)行了對(duì)比分析。分析結(jié)果驗(yàn)證了考慮消費(fèi)者偏好的優(yōu)化充電需求模型與僅考慮新能源汽車電池電量分布對(duì)充電需求預(yù)測(cè)結(jié)果的差異性影響。

但本次充電需求預(yù)測(cè)未考慮到在服務(wù)區(qū)直接更換電池的情況，如果未來(lái)國(guó)家部門或行業(yè)干預(yù)出臺(tái)電池規(guī)格或接口等統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，換電方式肯定有利于新能源汽車后續(xù)的服務(wù)市場(chǎng)，于是換電方式對(duì)于未來(lái)高速公路新能源汽車充電需求量預(yù)測(cè)的影響可能會(huì)成為未來(lái)進(jìn)行高速公路充電站充電樁定容優(yōu)化考慮的重要因素之一。

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