考虑出行者异质的多类型充电设施部署优化

来源:《系统工程理论与实践》编辑部时间:2021-02-03


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一、摘要

当下,汽车的供能方式正在经历巨大的变化,电能的重要性越来越迫切。保障电能提供的一个必要条件,就是用户能够适时地找到充电设施。本文是结合用户分析的一个典型的“选址问题(location problem)”。不仅如此,作者还将系统中重要的异质性特征纳入考虑之中,进行有效处理。

本文考虑到新型的兼容插电式充电与无线充电的电动汽车,以及路网中具有不同时间价值的出行者,基于此,本文研究了在有限投资预算约束下的多类型充电设施部署优化问题,包括传统静态插电式充电设施和动态无线充电设施在路网上的布局。为此,本文提出了一个由“上下两层”构成的双层规划数学模型。上层模型描述了政府在给定投资预算下,如何确定充电设施的部署位置与类型,以使得系统总出行成本最小;下层模型采用多类型用户均衡(UE)准则来描述路网流量分配与充电设施部署位置的相互作用,即出行者的出行选择行为。此外,文章还给出了改进的混合整数代理模型优化算法(MSO-MI),并在其中嵌入双投影算法求解下层的多类型UE问题。更进一步,用算例分析验证了提出的模型和MSO-MI算法的有效性。


二、引言

近些年来,随着电动汽车市场份额的稳步增长,出行者在旅行途中的充电需求也随之急剧增加,为了满足出行者日益增长的充电需求,各国政府开始逐渐在路网中部署充电基础设施,合理的充电站路网布局不仅能够满足出行者的充电需求,而且能够实现出行者充电的便利性与经济性,促进电动汽车消费的增长,加快实现低碳高效的绿色交通运输体系。因此,在路网上如何部署电动汽车充电设施,便成为政府部门亟需统筹规划的问题。在充电技术方面,根据汽车充电时的运行状态,充电方式主要分为:静态充电和动态充电。静态充电,即传统的插电式充电,要求电动汽车在充电站点接受充电服务,需要额外的充电的时间,技术相对成熟,建设成本较低,动态充电,即最近兴起的动态无线充电,利用电磁感应技术,令电动汽车可以在行驶的过程中充电,这就大大节省了电动汽车的充电时间,问题是目前建设成本较高。


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近年来,静态充电设施在也以为各国广泛采用,且仍在迅速增长,动态无线充电设施正在初步开始应用,例如,韩国龟尾建造了一条15英里的感应充电车道,为十几辆公共汽车提供服务;犹他州立大学建造了一条电气化的测试轨道,证明了动态无线充电技术可以有效和安全地为动态电动汽车充电等等。与静态充电相比,虽然动态充电技术目前还不足以在市场上推广,但该技术在未来市场拥有巨大的潜力,因此,可以展望,动静态充电设施未来将会在道路网络上互为补充,构成完整的城市电动车路网充电系统,而如何统筹部署动静态电动车充电设施是建设城市路网充电系统的理论基础和目前的研究热点之一。

在充电设施部署优化研究方面,根据是否考虑出行者的出行选择行为,前人的研究大体可分为两类:1)基于最短路或k短路的充电设选址问题,即,给定一定数量的待建设施或者满足所有出行需求的条件下,优化可替代燃油站的部署位置,使得能够服务的交通需求最大或者设施的总建设成本最小,该类问题通常假设出行者在OD点对之间使用最短路径或者k短路径出行,且要求在行程中不会出现电量耗尽的情况;2)考虑网络均衡的充电设施选址问题,通常在充电设施选址模型中嵌入网络均衡分配模型,以包含出行者的出行选择行为与路网充电设施规划之间的关系,即,在给定投资预算或者一定数量的待建设施下,考虑出行者出行选择行为,优化充电设施的部署位置,使得系统出行成本最小、社会福利最大或者能够服务的交通需求最大,除此之外,还有一些文献研究特殊车辆(例如,电动公交车,电动物流汽车)的充电设施选址,以及电动汽车的电池续航能力、充电管理等。

考虑到传统充电站的路网布局现状和无线充电技术的发展,电动汽车很有可能将在未来一段时间兼顾两种充电方式(传统静态充电和动态无线充电),例如宝马公司最近推出的宝马530e.因此,本文考虑了这种新型的兼容插电式充电与无线充电的电动车,研究一般的道路网络上静态充电站与动态充电路段两类充电设施的部署优化问题,同时,本文考虑了路网上异质出行者的出行选择行为,即具有不同时间价值系数的电动汽车司机的出行路径及充电位置选择,据我们所知,目前的文献中还没有这方面的研究内容,因此,本文旨在提出该问题的双层规划数学模型和求解算法,以填补这方面的研究空白。

本文建立了一个双层规划数学模型来描述考虑出行者异质的多类型充电设施部署优化问题:上层模型在给定的投资预算条件下,确定充电设施的部署位置以及类型,即在哪些交叉口处设置静态充电站,在哪些路段上设置无线充电设施,使得系统总出行成本最小:下层模型采用变分不等式描述异质出行者的出行选择行为(包括出行路径选择,充电位置选择,充电设施类型以及充电时间选择)与路网充电设施规划之间的相互作用关系,这里假设异质的出行者总是选择各自出行成本最小的出行方案,因此本文的下层问题可以描述为多类型UE问题,由于双层规划属于NP-hard问题,求解极其困难,针对此类问题,文献通常采用分支定界算法或启发式算法求解。近年来,由于代理模型算法(surrogate-model-based algorithm)较高的求解效率,特别是在求解具有昂贵目标函数的优化问题(指计算可行解的目标函数值较费时的优化问题)方面,它在交通领域逐渐开始被关注。该算法的核心思想:构建响应面模型来近似目标函数与决策变量之间的隐式函数关系,然后根据近似的响应面模型预测的目标函数信息来引导原问题寻找最优解,基于这类算法的框架,本文提出了一个改进的基于代理模型求解混合变量问题的算法(MSO-MI)来求解提出的双层规划模型,最后,采用数值算例验证了提出的模型和MSO-MI算法的有效性。

 

本文内容摘自《系统工程理论与实践》第40卷第11期论文《考虑出行者异质的多类型充电设施部署优化》,论文全文请点击文末链接下载阅读。
作者:邹云程,合肥工业大学汽车与交通工程学院研究生,研究方向城市交通网络设计;通信作者:刘昊翔,合肥工业大学汽车与交通工程学院副研究员,博士,研究方向城市交通网络优化;龙建成,工业安全与应急技术安徽省重点实验室教授,博士,研究方向城市交通规划与管理。

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