CN107274035B - 一种交通网络和电动汽车充电站协调规划的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交通网络和电动汽车充电站协调规划的方法，属于交通规划和电动汽车充电调度的技术领域。该方法建立以交通网络可靠度最高、用户满意度最高、电动汽车充电站投资建设费用最低为目标的协调规划模型，首先在电动汽车最大等待时间的约束下确定优先满足用户满意度最高和电动汽车充电站投资建设费用最低的电动汽车充电站规划方案，然后在道路改造和电动汽车充电站投资建设总费用最低的约束下确定交通网络的规划方案，最终获得既能满足用户满意度最高和电动汽车充电站投资建设费用最低又能满足道路改造费用最低的联合规划方案，该双网协调规划方案降低了交通网络对电动汽车用户充电选择的影响，降低了双网规划成本。

Description

一种交通网络和电动汽车充电站协调规划的方法

技术领域

本发明公开了一种交通网络和电动汽车充电站协调规划的方法，设计一种双层网络协调规划的方法，属于交通网络规划和电动汽车充电调度的技术领域。

背景技术

近年来，随着环境问题的日益严重和能源危机的日益加剧，环境问题尤其是城市空气污染问题已成为影响居民幸福感的重要指标，电动汽车的研究和推广越来越受到重视。电动汽车是蓄电池和交通工具的结合体，具备电池特性和交通特性。与以化石能源为燃料的传统汽车不同，电动汽车以清洁的二次能源电能为能量来源，可以减少不可再生能源的消耗和汽车尾气的排放甚至缓解城市的热岛效应。

电动汽车充电设施的建设将直接影响电动汽车的推广和渗透率的提高，但目前相关研究尚不成熟。此外，城市交通网络情况会显著影响电动汽车用户的充电选择，从而可能影响配网的安全与稳定。因此有必要将交通网络规划改造与电动汽车充电设施规划进行统一考虑以实现双网的协调规划，目前，这方面的研究还很匮乏。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种交通网络和电动汽车充电站协调规划的方法，实现了交通网络和电动汽车充电网络的协调规划，解决了目前缺乏协调规划交通网络和电动汽车充电站的统一规划方案的这一技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种交通网络和电动汽车充电站协调规划的方法，建立以交通网络可靠度最高、用户满意度最高、电动汽车充电站投资建设费用最低为目标的协调规划模型，在电动汽车最大等待时间的约束下确定优先满足用户满意度最高和电动汽车充电站投资建设费用最低的电动汽车充电站规划方案，在道路改造和电动汽车充电站投资建设总费用最低的约束下确定交通网络的规划方案。

进一步地，一种交通网络和电动汽车充电站协调规划的方法，采用各道路不可靠度之和最小表征交通网络可靠度最高的目标，各道路不可靠度之和f₁为：

f_a,b为节点a和节点b之间的道路的不可靠度，θ_ab为表示节点a和节点b相邻与否的状态矩阵，k为节点数目。

进一步地，一种交通网络和电动汽车充电站协调规划的方法，采用综合充电时间最少表征用户满意度最高的目标，综合充电时间f₂为：

b_i,j为表示电动汽车i在电动汽车充电站j充电与否的状态矩阵，m为电动汽车充电站的数目，n为电动汽车的数目，t_i ^drive、t_i ^wait、t_i ^charge分别为电动汽车i的充电行程行驶时间、充电等待时间和充电时间，

l′_ab＝γ_abl_ab，l_ab、l′_ab分别为节点a和节点b之间的道路的实际长度、有效行驶距离，γ_ab为节点a和节点b之间的道路的拥塞度折算系数，

v_ab、c_ab分别为节点a和节点b之间的道路的流量、实际通行能力，β₀为道路的可靠性系数，ρ₁为节点a和节点b之间的道路通畅时的拥塞度折算系数值，ρ₂为节点a和节点b之间的道路中度拥塞时的拥塞度折算系数值，ρ₃为节点a和节点b之间的道路重度拥塞时的拥塞度折算系数值，v_i电动汽车i的平均行驶速度。

进一步地，一种交通网络和电动汽车充电站协调规划的方法，采用土地征收使用费和充电设施投资费用之和最小表征电动汽车充电站投资建设费用最低的目标，土地征收使用费和充电设施投资费用之和f₃为：

m为电动汽车充电站的数目，S_j、Q_j分别为电动汽车充电站j的占地面积和充电容量，S_j＝μQ_j+S₀，μ为电动汽车充电站单位充电容量的占地面积，S₀为电动汽车充电站的基础面积，α为征收单位面积土地的费用，β为增加单位电动汽车充电桩的费用。

再进一步地，一种交通网络和电动汽车充电站协调规划的方法，在电动汽车最大等待时间的约束下确定优先满足用户满意度最高和电动汽车充电站投资建设费用最低的电动汽车充电站规划方案，在道路改造和电动汽车充电站投资建设总费用最低的约束下确定交通网络的规划方案，具体包括如下步骤：

A、选取进行改造的道路并初始化道路参数；

B、初始化包含各电动汽车充电站建设地址及布点位置、充电桩个数及分配方案的电动汽车充电站参数；

C、根据当前道路参数以及当前电动汽车充电站参数计算当前综合充电时间及当前最大等待时间；

D、在当前综合充电时间为当前充电桩个数下的最小整体充电时间时，进入步骤E，否则，重新调整充电桩分配方案后返回步骤C；

E、在当前最大等待时间未超过其最大值时，进入步骤F，否则，增加充电桩个数并调整充电桩分配方案后返回步骤C；

F、在当前电动汽车充电站投资建设费用最小时，由当前电动汽车充电站参数确定电动汽车充电站的规划方案并进入步骤G，否则，重新规划电动汽车充电站的建设地址及布点位置后返回步骤C；

G、在根据当前道路参数确定的道路改造费用和当前电动汽车充电站投资建设费用之和最小时，根据当前选取进行改造的道路及其参数确定交通网络的规划方案，否则，重新选取进行改造的道路并初始化道路参数后返回步骤B。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明提出了一种统一规划交通网络和电动汽车充电站的方案，建立以交通网络可靠度最高、用户满意度最高、电动汽车充电站投资建设费用最低为目标的协调规划模型，首先在电动汽车最大等待时间的约束下确定优先满足用户满意度最高和电动汽车充电站投资建设费用最低的电动汽车充电站规划方案，然后在道路改造和电动汽车充电站投资建设总费用最低的约束下确定交通网络的规划方案，最终获得既能满足用户满意度最高和电动汽车充电站投资建设费用最低又能满足道路改造费用最低的联合规划方案，该双网协调规划方案降低了交通网络对电动汽车用户充电选择的影响，降低了双网规划成本，为统一考虑交通网络规划改造与电动汽车充电设施规划提供了一种可行方案。

附图说明

图1为本申请协调规划方案的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。本发明提出了一种统一规划交通网络和电动汽车充电站的方案，建立以交通网络可靠度最高、用户满意度最高、电动汽车充电站投资建设费用最低为目标的协调规划模型，首先在电动汽车最大等待时间的约束下确定优先满足用户满意度最高和电动汽车充电站投资建设费用最低的电动汽车充电站规划方案，然后在道路改造和电动汽车充电站投资建设总费用最低的约束下确定交通网络的规划方案，具体流程如图1所示，包括以下6个步骤。

步骤1)：提出电动汽车充电调度系统架构

电动汽车充电调度系统集成实时信息采集系统、智能感知系统和实时通讯系统。其中，实时信息采集系统采集所有电动汽车的状态参数、位置信息、交通网络中的实时路况数据和充电站中的车辆数据，实时通讯系统将实时信息采集系统采集到的数据传输给智能感知系统并反馈智能感知系统发布的调度指令或充电建议给电动汽车用户。智能感知系统是该系统的控制中心，根据实时的电动汽车信息、路况信息和充电站信息对未来时刻的道路拥堵情况和充电站排队情况进行感知预测，从而为电动汽车选择合适的充电站和相应的充电行程路由以满足电动汽车用户的个性化需求。

当用户有充电需求时，电动汽车信息更新，实时信息采集系统获取实时的路况信息、充电站信息和电动汽车状态信息。智能感知系统根据电动汽车状态量预测电动汽车充电需求和充电时间，并根据道路和充电站数据预测相应未来时刻的道路情况和充电站车辆情况，从而计算电动汽车充电行程的综合时间，最后以综合时间最短为目标协助用户选择合适的充电站和相应的充电行程路由。

步骤2)：建立用户满意度模型

21)表征有效行驶距离：

Pattara等将交通状态划分为3个等级：通畅、中等拥塞及高度拥塞，依此定义道路拥塞度折算系数γ：

式中，ρ₁、ρ₂、ρ₃分别为该路段的在通畅、中度拥塞和重度拥塞情况下的拥塞折算系数。基于拥塞度折算系数，将拥塞度折算入道路长度得到各道路的有效行驶距离：

l′_ab＝γ_abl_ab (2)，

式中，a和b分别为道路两段节点编号，l_ab和l′_ab分别为节点a和节点b之间的道路的实际长度和道路有效行驶距离。

22)表征排队等待时间：

当充电站电动汽车数量大于充电桩数量时，一些电动汽车就需要在站内等待充电。电动汽车按照“排队原则”依次进行充电。因此，在电动汽车用户选择充电站前往充电时，电动汽车到达充电站后需要排队等待的时间是其需要考虑的一个重要因素。各电动汽车的排队等待时间可由步骤1)中介绍的智能感知系统预计和反馈。

23)表征综合满意度：

采用综合充电时间来表征用户满意度，综合充电时间包括充电行程行驶时间、站内等待时间和充电时间，综合充电时间越短，则用户满意度越高，其计算公式如下：

T_i＝t_i ^drive+t_i ^wait+t_i ^charge (3)，

式中，T_i为电动汽车i的综合充电时间，t_i ^drive、t_i ^wait和t_i ^charge分别为电动汽车i的充电行程行驶时间、充电等待时间和充电时间，其中，t_i ^drive为有效行驶距离l′_ab与电动汽车i平均行驶速度v_i的比值，可由下式求得：

用全部用户的综合充电时间T^total最短表征整体用户满意度最高：

式中，n和m分别为电动汽车数量和充电站数量b_i,j为表示电动汽车i在电动汽车充电站j充电与否的二元矩阵，赋值如下：

步骤3)：建立交通网络规划模型

31)表征道路不可靠度

饱和度是常用的反映道路拥挤程度的综合指标，可表示为道路流量v与实际通行能力c的比值。路段可靠度可简化为路网中的弧。假设弧的可靠度为r_ab(a和b分别为道路的起点和终点)，则路段不可靠度计算公式为f_ab＝1-r_ab，

本文假定f_ab＝hf(v/c)(h为修正系数)的函数f(v/c)表达式如下：

式中，β₀为道路的可靠性系数，取值范围为(0,1)，v、c分别为道路的流量、实际通行能力，k为节点数目。

32)表征区域路网的不可靠度

网络不可靠度可由各路段不可靠度之和F来表征：

其中，f_a,b为节点a和节点b之间的道路的不可靠度，θ_ab为表示节点a和节点b相邻与否的二元矩阵，赋值如下：

步骤4)：建立充电站规划模型

充电站投资建设费用主要包括土地征收使用费和充电设施投资费用，设征收单位面积土地费用为α，增加单位电动汽车充电桩的费用为β，则电动汽车充电站投资建设费用最低可以表征如下：

其中，C为电动汽车充电站投资建设费用，S_j、Q_j分别为电动汽车充电站j的占地面积和充电容量，占地面积与充电容量成正比，关系可由下式表征：

S_j＝μQ_j+S₀ (11)，

其中，S₀为电动汽车充电站的基础面积，μ为电动汽车充电站单位充电容量的占地面积。

步骤5)：建立交通网络和电动汽车充电设施协调规划模型

双层网络协调规划是一个多目标整数规划问题，目标是实现交通网可靠度最高、用户整体满意度最高和充电站建设投资费用最低最小，可由下式表示：

步骤6)：求解得到规划方案

该多目标整数规划问题可使用遗传编码等智能算法求解，本专利采用了一种简化的处理方法，避免陷入局部最优。各个目标的量纲不同，可将其均转化为经济性指标，并对各目标的优先级进行排序，对于优先级靠后的目标赋予较小的权重或进行简化处理。本问题中，可将用户整体满意度最大作为辅助性目标，同时将电动汽车最大等待时间作为约束条件。该协调规划问题的求解流程如下：

61)选取进行改造的道路，修改相应道路参数，计算各支路有效行驶距离，更新邻接矩阵；

62)从备选地址中选择充电站建设地址，确定充电站布点位置；

63)输入初始充电桩个数为N_pile；

64)将充电桩分配给各充电站；

65)计算电动汽车整体充电时间T^Total和最大等待时间T_max；

66)如果T^Total不是该充电桩个数下的最小整体充电时间，则返回步骤64)重新分配充电桩；否则，进入下一步；

67)判断最大等待时间是否大于限定值，若T_max大于30min，返回步骤63)，增加充电桩个数；否则，进入下一步；

68)判断充电站建设费用是否为最小值，若不是，返回步骤62)，重新选择建设地址；否则，进入下一步；

69)判断道路改造和充电站建设总费用是否为最小值，若不是，返回步骤61)，重新选择进行改造的线路；否则，输出规划结果。

Claims (1)

1.一种交通网络和电动汽车充电站协调规划的方法，其特征在于，采用各道路不可靠度之和最小表征交通网络可靠度最高的目标，采用综合充电时间最少表征用户满意度最高的目标，采用土地征收使用费和充电设施投资费用之和最小表征电动汽车充电站投资建设费用最低的目标，建立以交通网络可靠度最高、用户满意度最高、电动汽车充电站投资建设费用最低为目标的协调规划模型，在电动汽车最大等待时间的约束下确定优先满足用户满意度最高和电动汽车充电站投资建设费用最低的电动汽车充电站规划方案，在道路改造和电动汽车充电站投资建设总费用最低的约束下确定交通网络的规划方案，

所述综合充电时间f₂为：

b_i,j为表示电动汽车i在电动汽车充电站j充电与否的状态矩阵，m为电动汽车充电站的数目，n为电动汽车的数目，t_i ^drive、t_i ^wait、t_i ^charge分别为电动汽车i的充电行程行驶时间、充电等待时间和充电时间，

l′_ab＝γ_abl_ab，l_ab、l′_ab分别为节点a和节点b之间的道路的实际长度、有效行驶距离，γ_ab为节点a和节点b之间的道路的拥塞度折算系数，

v_ab、c_ab分别为节点a和节点b之间的道路的流量、实际通行能力，β₀为道路的可靠性系数，ρ₁为节点a和节点b之间的道路通畅时的拥塞度折算系数值，ρ₂为节点a和节点b之间的道路中度拥塞时的拥塞度折算系数值，ρ₃为节点a和节点b之间的道路重度拥塞时的拥塞度折算系数值，v_i电动汽车i的平均行驶速度；

所述各道路不可靠度之和f₁为：

f_a,b为节点a和节点b之间的道路的不可靠度，θ_ab为表示节点a和节点b相邻与否的状态矩阵，k为节点数目；

所述土地征收使用费和充电设施投资费用之和f₃为：

m为电动汽车充电站的数目，S_j、Q_j分别为电动汽车充电站j的占地面积和充电容量，S_j＝μQ_j+S₀，μ为电动汽车充电站单位充电容量的占地面积，S₀为电动汽车充电站的基础面积，α为征收单位面积土地的费用，β为增加单位电动汽车充电桩的费用；

确定优先满足用户满意度最高和电动汽车充电站投资建设费用最低的电动汽车充电站规划方案以及在道路改造和电动汽车充电站投资建设总费用最低的约束下确定交通网络的规划方案的具体方法为：

A、选取进行改造的道路并初始化道路参数；

B、初始化包含各电动汽车充电站建设地址及布点位置、充电桩个数及分配方案的电动汽车充电站参数；

C、根据当前道路参数以及当前电动汽车充电站参数计算当前综合充电时间及当前最大等待时间；

D、在当前综合充电时间为当前充电桩个数下的最小整体充电时间时，进入步骤E，否则，重新调整充电桩分配方案后返回步骤C；

E、在当前最大等待时间未超过其最大值时，进入步骤F，否则，增加充电桩个数并调整充电桩分配方案后返回步骤C；

F、在当前电动汽车充电站投资建设费用最小时，由当前电动汽车充电站参数确定电动汽车充电站的规划方案并进入步骤G，否则，重新规划电动汽车充电站的建设地址及布点位置后返回步骤C；

G、在根据当前道路参数确定的道路改造费用和当前电动汽车充电站投资建设费用之和最小时，根据当前选取进行改造的道路及其参数确定交通网络的规划方案，否则，重新选取进行改造的道路并初始化道路参数后返回步骤B。

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