CN110659794A - 一种基于综合成本评估的公交车队置换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于综合成本评估的公交车队置换方法，在考虑影响公交置换以及置换期间运营成本因素的基础上，建立了一个混合整数规划，创新地融入生命周期成本与社会碳排放成本，以实现公交车队置换最优方案的求解。本发明提供的技术方案对于降低公交车队电气化置换过程成本，科学规划置换方案，实现可持续绿色公交运营有着很大作用。

Description

一种基于综合成本评估的公交车队置换方法
技术领域
本发明涉及公共交通信息处理技术领域，更具体的说是涉及一种基于综合成本评估的公交车队置换方法。
背景技术
近年来，随着我国城市化进程加快以及交通产业的快速发展，自然资源的过度消耗、交通阻滞情况恶化以及空气污染的急速加剧等问题，逐步进入了公众的视野之中，可持续交通理念逐渐受到关注。公共交通在提高运输能耗效率，降低交通能耗方面相对于传统车辆有着显著优势。然而传统的内燃机驱动公交车仍存在能耗大、污染重的弊端。在社会发展和环境能源之间的矛盾日益加剧的背景下，公交电动化成为了公交发展的新选择。
电动公交具有运行期间“低能耗、零排放”的优势。另外，随着储能技术进步，电动公交的成本优势也将在近期逐渐显现。电气化是当下汽车产业发展主要趋势之一。从全球范围看，以动力电气化、材料轻量化、车辆智能化三大科技为核心的新能源汽车技术大变革，正在深入发展。
现有的公交置换方案大多基于即有经验制定，根据可投入预算与设备购置成本对方案可行性进行粗略核验，方案评价量化程度有限。而已有的相关研究更多集中于公交车辆的购买而非置换带来的影响。
我国公共交通体量巨大，城市公路公交网络复杂，公交车辆置换成本较高且置换过程影响因素复杂。一种能够广域应用的，评价不同公交置换方案，导出最优结果的公交车队置换方案优化方法具有较强的现实意义，具体可体现在：为城市公交运营公司提供置换工作成本优化方案，为城市交通管理部门科学指导开展电动公交置换工作提供理论方法，为搭建大规模公交车队置换方案交互平台提供模型基础。
因此，如何规划公交车队置换方案是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于综合成本评估的公交车队置换方法，在考虑影响公交置换以及置换期间运营成本因素的基础上，建立了一个混合整数规划，创新地将生命周期成本与社会碳排放成本融入模型中，从而科学规划置换方案。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于综合成本评估的公交车队置换方法，包括：
标定步骤：根据预期车队置换地区环境，对反应交通环境的参数进行标定；
确定置换方案输入参数步骤：根据实际置换需求确定置换参数，基于公交运行情况确定公交运营过程参数；
构建模型步骤：基于标定的参数、置换参数和公交运营过程参数和生命周期成本、社会碳排放成本确定规划模型；
求解步骤：对所述规划模型进行求解，得到公交车队置换方案。
优选的，所述规划模型包括：
Figure BDA0002159047400000021
约束条件如下：
(1)逻辑约束：
Figure BDA0002159047400000022
Figure BDA0002159047400000023
C0＝Q0 (3)
Figure BDA0002159047400000031
(2)假设约束：
Figure BDA0002159047400000032
Figure BDA0002159047400000033
Figure BDA0002159047400000034
Pt，1＝0 (8)
(3)目标约束：
Figure BDA0002159047400000035
Figure BDA0002159047400000036
Figure BDA0002159047400000037
Figure BDA0002159047400000038
其中，i为公交使用时长，单位年，k为公交使用燃料种类，t为年数；Pt,k为第t年k种类公交购置数量；Qt为第t年充电基础设施安装数，Rt,k,i为第t年使用了i年的k种类公交回收数量；At,k,i为第t年使用了i年的k种类公交总数；Ct为第t年充电基础设施总数；Bt为总年预算，ek为k种类公交资本成本，fk,i为使用了i年的k种类公交车每公里的经营成本与维护成本；jk为k种类公交车每公里的燃料成本；l为充电基础设施资本成本；n为充电基础设施经营成本和维护成本；sk为k种类公交回收价值；δ为单位社会碳排放成本；θk为k种类公交单位距离运营耗能；dt为第t年公交需求；m为平均里程数；fac1k为k种类公交单位燃料生产成本因子；fac2k为k种类公交单位燃料燃放成本因子，α为利率因子；β为通膨因子；max为公交运营最大年限；min为公交运营最小年限；ω为最终电动公交最小占比；hk,i为最初时，使用了i年的k种类公交数。
优选的，在标定步骤中，标定的参数包括：置换期间年预算，柴油、电动公交资本成本，柴油公交每公里运营燃油成本，电动公交每公里耗电成本，充电基础设施资本成本，充电基础设施经营成本与维护成本，公交回收价值，单位社会碳排放成本，社会公交车辆需求数，公交单位燃料，生产成本因子，公交单位燃料燃放成本因子，年利率因子，年通膨因子，公交运营最大年限和公交运营最小年限；且参数基于不同交通环境进行调整。
优选的，所述置换参数包括：置换周期，置换结束时电动公交占总运营公交车辆数比例，置换期间年支出预算，且置换参数根据置换目标进行设置选择。
优选的，所述公交运营过程参数包括：目标线路公交运营平均里程，年公交需求数，置换初期车队车辆组成情况，柴油公交运营单位距离能耗，柴油和电动公交运营单位距离能耗。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于综合成本评估的公交车队置换方法，在考虑影响公交置换以及置换期间运营成本因素的基础上，建立了一个混合整数规划，创新地融入生命周期成本与社会碳排放成本，以实现公交车队置换最优方案的求解。本发明提供的技术方案对于降低公交车队电气化置换过程成本，科学规划置换方案，实现可持续绿色公交运营有着很大作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种基于综合成本评估的公交车队置换方法的流程图。
图2为本发明提供的546路公交车队置换方案规划结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
近年来，随着公交管理精细化理念的推广，车辆运营相关参数的采集、车辆运营轨迹记录以及运营过程中的能耗估计结果能够为车队置换方案评估提供丰富的输入；日益完善的传统运营成本评价方法以及可持续发展研究中提出的新型成本评价指标为制定符合当前社会需求的公交置换成本评价指标提供了重要参考。
基于此，结合背景技术中提到的问题，本发明实施例公开了一种基于综合成本评估的公交车队置换方法，具体参见附图1，包括如下步骤：
S1标定步骤：根据预期车队置换地区环境，对反应交通环境的参数进行标定；
S2确定置换方案输入参数步骤：根据实际置换需求确定置换参数，基于公交运行情况确定公交运营过程参数；
S3构建模型步骤：基于标定的参数、置换参数和公交运营过程参数和生命周期成本、社会碳排放成本确定规划模型；
S4求解步骤：对所述规划模型进行求解，得到公交车队置换方案。
本发明提供的方法核心是建立的混合整数规划模型，该模型要求提前标定燃料价格，利率，通膨率，社会碳排放成本在内的社会经济参数；包括公交及相关设备的资本成本与运营管理成本，回收价值，运营属性，使用年限，车辆排放指标，车辆需求在内的车辆运营参数；包括单位社会碳排放成本在内的环境指标。使用时输入置换计划年限，目标电动率，计划预算，车队初始状态以完成模型初始化。而本发明的规划模型中的目标成本函数由运营生命周期成本模块与社会碳排放成本模块组成，对公交置换以及置换过程中各类运营成本进行统一量化以实现不同方案的对比评价。该模型的最终输出包括年公交购买量，年公交回收量，年电桩安装量以及对应的年公交运营量，年电桩运营量。本发明提供的方法通过整合模型输出数据，得出基于综合成本评价的最优置换方案。
为了进一步优化上述技术方案，所述规划模型包括：
Figure BDA0002159047400000061
约束条件如下：
(1)逻辑约束：
Figure BDA0002159047400000062
Figure BDA0002159047400000063
C0＝Q0 (3)
(2)假设约束：
Figure BDA0002159047400000065
Figure BDA0002159047400000066
Figure BDA0002159047400000067
Pt，1＝0 (8)
(3)目标约束：
Figure BDA0002159047400000071
Figure BDA0002159047400000072
Figure BDA0002159047400000073
其中，i为公交使用时长，单位年，k为公交使用燃料种类，t为年数；Pt,k为第t年k种类公交购置数量；Qt为第t年充电基础设施安装数，Rt,k,i为第t年使用了i年的k种类公交回收数量；At,k,i为第t年使用了i年的k种类公交总数；Ct为第t年充电基础设施总数；Bt为总年预算，ek为k种类公交资本成本，由购买公交占用的资本产生，fk,i为使用了i年的k种类公交车每公里的经营成本与维护成本；jk为k种类公交车每公里的燃料成本；l为充电基础设施资本成本；n为充电基础设施经营成本和维护成本；sk为k种类公交回收价值；δ为单位社会碳排放成本，每吨二氧化碳带来的损失量化，单位元/g；θk为k种类公交单位距离运营耗能；dt为第t年公交需求；m为平均里程数；fac1k为k种类公交单位燃料生产成本因子；fac2k为k种类公交单位燃料燃放成本因子，α为利率因子；β为通膨因子；max为公交运营最大年限；min为公交运营最小年限；ω为最终电动公交最小占比；hk,i为最初时，使用了i年的k种类公交数(初始条件)。
为了进一步优化上述技术方案，在标定步骤中，标定的参数包括：置换期间年预算，柴油、电动公交资本成本，柴油公交每公里运营燃油成本，电动公交每公里耗电成本，充电基础设施资本成本，充电基础设施经营成本与维护成本，公交回收价值，单位社会碳排放成本，社会公交车辆需求数，公交单位燃料，生产成本因子，公交单位燃料燃放成本因子，年利率因子，年通膨因子，公交运营最大年限和公交运营最小年限；且参数基于不同地区交通环境进行调整。
为了进一步优化上述技术方案，所述置换参数包括：置换周期，置换结束时电动公交占总运营公交车辆数比例，置换期间年支出预算，且置换参数根据置换目标进行设置选择。
为了进一步优化上述技术方案，所述公交运营过程参数包括：目标线路公交运营平均里程，年公交需求数，置换初期车队车辆组成情况，柴油公交运营单位距离能耗，柴油和电动公交运营单位距离能耗，其中，置换初期车队车辆组成情况包括各种类公交车辆数量、车龄等。
本发明提供的技术方案具有如下优点：
1、本发明综合统计并量化了影响公交置换成本的各类因素，能够较为全面地估计公交置换方案成本并进行对比；
2、本发明通过构建规划模型实现成本评估功能，根据不同的使用场景对模型参数进行标定，本发明提供的方法能够适用于不同交通环境下的置换方案导出，具有可推广性。
3、本发明设定的方案综合成本评价指标在传统公交运营生命周期成本基础上，量化结合公交运营社会碳排放成本指标，考虑了可持续交通发展需求。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步阐述。
本实施例中，为了方便本发明的参数理解及模型体现，对单条实际公交路线数据进行具体处理。
置换路线公交运营数据与车队初始数据等由北京市XX公司提供。本实施例提取2017年11月，北京546路柴油公交运营线路数据代入模型处理。具体参数标定单位和数据如表1所示：
表1置换涉及参数
参数 单位 值
e<sub>k</sub> 万元/辆 65(k＝1)；200(k＝2)
f<sub>i，k</sub> 元/km m(k＝1,2)
j<sub>k</sub> 元/km 1.883(k＝1)；1.04(k＝2)
l 万元/根 34
n 万元/(根*年) 5.86
S<sub>k</sub> 万元/辆 15(k＝1)；40(k＝2)
δ 元/g 0.1612872
θ<sub>k</sub> MJ/km /
d<sub>t</sub> 辆 /
m km/年 /
fac1<sub>k</sub> g/MJ 1.42(k＝1)；244.4(k＝2)
fac2<sub>k</sub> g/MJ 76.8(k＝1)；0(k＝2)
α / 0.015
β / 0.0435
max / 5
min / 3
h<sub>i，k</sub> 辆 /
本实施例限定置换周期为5年，并暂设每年预算不超过4500万元(实际运用中根据要求设置每年预算即可)，置换计划结束时电动公交占比为1(柴油公交完全置换为电动公交)。设使用时长达到5年的公交作为二手公交售出，各年线路车辆需求数从北京公交集团数据获得。
数据处理主要包括以下几步：
1.规划模型文件编写
利用CPLEX算子内置开发环境对目标函数和约束进行编程，以生成可完成数据输入和计算的mod文件。
2.模型参数和输入文件编写
本实施例中使用参数已于表1列出。本发明提出的车队置换方法在实际使用过程中，需要针对置换公交线路的相关环境进行调查，使得标定参数能够准确反映公交运营环境因素和环境因素对置换成本的影响，进而提高置换结果的参考意义。完整的数据集将输出为dat文件作为输入。
3.运行CPLEX求解
将上述生成文件代入CPLEX算子求解，理论上可得到符合现实逻辑和目标要求的置换最优方案。需要注意的是，在部分给定条件下，模型可能出现无解情况。出现无解结果时，可结合实际情况对输入参数(如预算、周期、置换比例)进行调整，求得符合要求的最优置换方法。
将546路公交运营数据经过以上三步的处理，最终输出的最适置换方案结果如表2和图2所示，其中，DB代表柴油公交，BEB代表电动公交。
表2 546路置换方案
Figure BDA0002159047400000101
读取表中的置换方案结果，17年作为初始年并未进行电动车辆的购置。从18年开始，每年计划购入一定数量的电动公交并安装了相应数量的电桩。可以发现电动公交的购买数量并未在一开始达到最大，并且实际上所有柴油公交的回收皆是因为该车辆达到了使用年限。具体置换期间每年该路线的公交保有量如表3所示。
表3置换期间车辆配置
Figure BDA0002159047400000111
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种基于综合成本评估的公交车队置换方法，其特征在于，包括：
标定步骤：根据预期车队置换地区环境，对反应交通环境的参数进行标定；
确定置换方案输入参数步骤：根据实际置换需求确定置换参数，基于公交运行情况确定公交运营过程参数；
构建模型步骤：基于标定的参数、置换参数和公交运营过程参数和生命周期成本、社会碳排放成本确定规划模型；
求解步骤：对所述规划模型进行求解，得到公交车队置换方案。
2.根据权利要求1所述的一种基于综合成本评估的公交车队置换方法，其特征在于，所述规划模型包括：
Figure FDA0002159047390000011
约束条件如下：
(1)逻辑约束：
Figure FDA0002159047390000013
C0＝Q0 (3)
(2)假设约束：
Figure FDA0002159047390000015
Figure FDA0002159047390000016
Figure FDA0002159047390000017
Pt，1＝0 (8)
(3)目标约束：
Figure FDA0002159047390000021
Figure FDA0002159047390000022
Figure FDA0002159047390000023
其中，i为公交使用时长，单位年，k为公交使用燃料种类，t为年数；Pt,k为第t年k种类公交购置数量；Qt为第t年充电基础设施安装数，Rt,k,i为第t年使用了i年的k种类公交回收数量；At,k,i为第t年使用了i年的k种类公交总数；Ct为第t年充电基础设施总数；Bt为总年预算，ek为k种类公交资本成本，fk,i为使用了i年的k种类公交车每公里的经营成本与维护成本；jk为k种类公交车每公里的燃料成本；l为充电基础设施资本成本；n为充电基础设施经营成本和维护成本；sk为k种类公交回收价值；δ为单位社会碳排放成本；θk为k种类公交单位距离运营耗能；dt为第t年公交需求；m为平均里程数；fac1k为k种类公交单位燃料生产成本因子；fac2k为k种类公交单位燃料燃放成本因子，α为利率因子；β为通膨因子；max为公交运营最大年限；min为公交运营最小年限；ω为最终电动公交最小占比；hk,i为最初时，使用了i年的k种类公交数。
3.根据权利要求1所述的一种基于综合成本评估的公交车队置换方法，其特征在于，在标定步骤中，标定的参数包括：置换期间年预算，柴油、电动公交资本成本，柴油公交每公里运营燃油成本，电动公交每公里耗电成本，充电基础设施资本成本，充电基础设施经营成本与维护成本，公交回收价值，单位社会碳排放成本，社会公交车辆需求数，公交单位燃料，生产成本因子，公交单位燃料燃放成本因子，年利率因子，年通膨因子，公交运营最大年限和公交运营最小年限；且参数基于不同地区交通环境进行调整。
4.根据权利要求1所述的一种基于综合成本评估的公交车队置换方法，其特征在于，所述置换参数包括：置换周期，置换结束时电动公交占总运营公交车辆数比例，置换期间年支出预算，且置换参数根据置换目标进行设置选择。
5.根据权利要求1所述的一种基于综合成本评估的公交车队置换方法，其特征在于，所述公交运营过程参数包括：目标线路公交运营平均里程，年公交需求数，置换初期车队车辆组成情况，柴油公交运营单位距离能耗，柴油和电动公交运营单位距离能耗。
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