基于自適應(yīng)量子遺傳算法的電動(dòng)出租車充電站規(guī)劃

李琥,葛風(fēng)雷，史靜，談健

(1.國網(wǎng)江蘇省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，南京市 210008；2.國網(wǎng)徐州供電公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究所，江蘇省徐州市 221000)

基于自適應(yīng)量子遺傳算法的電動(dòng)出租車充電站規(guī)劃

李琥1,葛風(fēng)雷2，史靜1，談健1

(1.國網(wǎng)江蘇省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，南京市 210008；2.國網(wǎng)徐州供電公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究所，江蘇省徐州市 221000)

電動(dòng)出租車充電基礎(chǔ)設(shè)施的科學(xué)布局與建設(shè)對于電動(dòng)出租車的推廣具有重要的意義?？紤]到對于以收益最大為目的的電動(dòng)出租車駕駛員而言，時(shí)間價(jià)值具有重要的意義，以充電站建設(shè)及運(yùn)行維護(hù)年費(fèi)用、出租車前往充電站耗時(shí)年成本、充電等待時(shí)間年成本及配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗年費(fèi)用構(gòu)建全社會(huì)年總成本目標(biāo)函數(shù)，以配電網(wǎng)安全運(yùn)行為充電站布局規(guī)劃的約束條件建立模型。在量子遺傳算法中引入自適應(yīng)調(diào)整策略，并與Voronoi圖法相結(jié)合對模型進(jìn)行求解，基于Voronoi圖劃分的充電站服務(wù)范圍，采用排隊(duì)論的M/G/c對充電站容量進(jìn)行優(yōu)化配置，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)出租車充電站的選址定容。最后，以36節(jié)點(diǎn)的路網(wǎng)和33節(jié)點(diǎn)的配電網(wǎng)絡(luò)為例說明了模型和方法的有效性和實(shí)用性。

自適應(yīng)量子遺傳；出租車；Voronoi圖；排隊(duì)理論

0 引 言

新能源汽車的推廣有利于減少汽車尾氣排放，減小交通運(yùn)營對化石燃料的依賴，成為解決我國環(huán)境問題的一項(xiàng)重要舉措。近年來，我國大力推廣電動(dòng)出租車，深圳已有800多輛電動(dòng)出租車投入使用[1]，南京則有400輛電動(dòng)出租車正在運(yùn)營。但是，由于電動(dòng)出租車?yán)m(xù)航里程短、充電時(shí)間長，在充電站內(nèi)出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的充電排隊(duì)現(xiàn)象[2]，不利于電動(dòng)出租車的推廣；另外，對于規(guī)?；\(yùn)營的電動(dòng)出租車而言，為充電而消耗的時(shí)間是一種不可忽視的寶貴資源。

出租車運(yùn)行范圍覆蓋區(qū)域較廣，尋找乘客與運(yùn)載乘客過程中的行為模式具有很大的不確定性，給電動(dòng)出租車充電基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃造成了普通電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃不具有的困難。目前，眾多學(xué)者對電動(dòng)汽車充電站的規(guī)劃已有了較多的研究，但是結(jié)合電動(dòng)出租車的充電行為特性針對電動(dòng)出租車充電站規(guī)劃的研究較少。

文獻(xiàn)[3]基于對實(shí)際運(yùn)營系統(tǒng)中電動(dòng)出租車充電行為特性調(diào)研數(shù)據(jù)的分析，得出電動(dòng)出租車在充電站接受充電服務(wù)需要的時(shí)間服從正態(tài)分布；充電車輛到達(dá)充電站的時(shí)間間隔服從負(fù)指數(shù)分布的結(jié)論。文獻(xiàn)[4]分析了城市路網(wǎng)中運(yùn)營的出租車在尋客、載客過程中的行為規(guī)律，運(yùn)用Logit模型對出租車空間分布進(jìn)行預(yù)測。文獻(xiàn)[5]引入隨機(jī)系統(tǒng)理論分析方法，認(rèn)為路網(wǎng)結(jié)構(gòu)中出租車系統(tǒng)的產(chǎn)生與消失是一個(gè)隨機(jī)生滅的過程。文獻(xiàn)[6]認(rèn)為待接受服務(wù)的出租車到達(dá)服務(wù)站點(diǎn)、接受服務(wù)、離開服務(wù)站點(diǎn)3個(gè)過程所花費(fèi)的時(shí)間及目的地出租車的需求量是出租車駕駛員對目的地選擇的主要影響因素。

已有的充電站規(guī)劃研究成果主要針對電動(dòng)汽車這一汽車類別涵蓋較廣的研究對象進(jìn)行充電站的規(guī)劃，由于不同類別的電動(dòng)汽車，其充電行為具有不同的特性[7]，難以進(jìn)行準(zhǔn)確的負(fù)荷預(yù)測，部分研究成果是由道路流量以一定的比例來折算充電負(fù)荷?？紤]到電動(dòng)出租車以快速充電作為主要充電方式，且其每日充電時(shí)間及充電次數(shù)具有一定的規(guī)律性，本文重點(diǎn)研究電動(dòng)出租車的充電行為特性，并將其與充電站規(guī)劃相結(jié)合，建立綜合考慮路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，出租車充電行為特性，出租車需求分布，配網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及容量約束的規(guī)劃模型以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)出租車充電站的規(guī)劃。

1 出租車充電行為特性分析

出租車運(yùn)行范圍覆蓋區(qū)域較廣，尋找乘客與運(yùn)載乘客過程中的行為模式具有很大的不確定性。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，大中城市出租車日均行駛距離約為350～500 km。純電動(dòng)汽車額定行駛里程約為200 km，僅僅進(jìn)行1次能量的補(bǔ)充難以滿足1天的出租車運(yùn)營需求。一般情況下出租車會(huì)在交接班時(shí)進(jìn)行充電，考慮到出租車運(yùn)營效益，當(dāng)班司機(jī)一般中間休息時(shí)間較短，假設(shè)在交班前14：00～18：00和夜班休息時(shí)間02：00～06：00分別進(jìn)行1次快充[7-9]。

2 電動(dòng)出租汽車充電站規(guī)劃

2.1 充電站最優(yōu)規(guī)劃模型

電動(dòng)出租車充電站一方面是為出租車提供充電服務(wù)的城市基礎(chǔ)設(shè)施，另一方面是配電網(wǎng)用電設(shè)施，兼具兩方面的屬性。作為基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施，其站址和容量的規(guī)劃應(yīng)滿足城市出租車運(yùn)營系統(tǒng)的需求，為出租車司機(jī)提供便捷的充電服務(wù)，使出租車尋找充電站，接受充電站服務(wù)，尋找乘客所耗費(fèi)的時(shí)間較短。另外，作為一種用電設(shè)施，充電站的接入必須保證配電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，安全性。在出租車充電站規(guī)劃中為了實(shí)現(xiàn)服務(wù)的便捷性，規(guī)劃的經(jīng)濟(jì)性及城市配電網(wǎng)的安全性，建立如下規(guī)劃模型。

2.1.1 電動(dòng)出租車充電站建設(shè)運(yùn)行年成本

(1)

(2)

2.1.2 充電耗時(shí)成本

出租車的充電總耗時(shí)成本包括前往充電站途中耗時(shí)、接受充電服務(wù)等待耗時(shí)成本以及接受服務(wù)之后尋找乘客的耗時(shí)成本。

(1)前往充電站途中年耗時(shí)成本。

1年按照365日計(jì)算，規(guī)劃區(qū)域中出租車由于前往充電站充電途中損耗時(shí)間年成本為

(3)

(2)充電站等待時(shí)間成本。

電動(dòng)出租車在充電站等待充電所花費(fèi)時(shí)間的大小受到充電站內(nèi)安裝的充電機(jī)數(shù)量的直接影響，充電機(jī)的安裝數(shù)量越多，電動(dòng)出租車充電平均等待時(shí)間越短而充電機(jī)的運(yùn)行維護(hù)成本也越高。因而電動(dòng)出租車充電花費(fèi)的等待時(shí)間與充電站容量的優(yōu)化配置相關(guān)。

文獻(xiàn)[10-12]在電動(dòng)汽車充電站規(guī)劃模型中均假設(shè)電動(dòng)汽車接受服務(wù)時(shí)間服從負(fù)指數(shù)分布模型，文獻(xiàn)[3]基于對實(shí)際運(yùn)營系統(tǒng)中電動(dòng)出租車充電行為特性調(diào)研數(shù)據(jù)的分析，得出電動(dòng)出租車在充電站接受充電服務(wù)需要的時(shí)間服從正態(tài)分布；充電車輛到達(dá)充電站的時(shí)間間隔服從負(fù)指數(shù)分布的結(jié)論。本文采用排隊(duì)論中的M/G/c模型計(jì)算排隊(duì)等待時(shí)間。

(4)

平均等待時(shí)間為

(5)

式中：ρ=λμ；c為服務(wù)臺(tái)數(shù)量。式(4)、(5)成立的條件是c>ρ。

則電動(dòng)出租車在充電站的排隊(duì)等待時(shí)間成本為

(6)

(3)充電后尋找乘客的時(shí)間成本。

充電后尋找乘客的時(shí)間反映的是出租車完成充電后為尋找乘客到達(dá)下一個(gè)交通節(jié)點(diǎn)的平均時(shí)間。由于電動(dòng)出租車充電過程較長，一般為1h左右，因此出租車充電期間一定是非載客狀態(tài)，充電完畢則進(jìn)入尋找乘客的狀態(tài)。

當(dāng)出租車在k站完成充電后，則離開充電站開始尋找需要乘坐出租車的乘客。空駛出租車從k出發(fā)，為尋找乘客而選擇交通節(jié)點(diǎn)j作為充電后首個(gè)到達(dá)地點(diǎn)的概率受到行駛的時(shí)間和目的地出租車需求量的影響，可用如下選擇模型[15-16]來描述：

(7)

式中：Pkj為從充電站k出發(fā)，選擇交通節(jié)點(diǎn)j為尋找乘客目的地的概率；tkj為從充電站k到交通節(jié)點(diǎn)j的行駛時(shí)間；qj為交通節(jié)點(diǎn)j處需要乘坐出租車的乘客數(shù)量；β1，β2為效用函數(shù)影響因素的權(quán)重系數(shù)，且β1,β2>0，θ為模型參數(shù)。

則出租車充電為尋找乘客到達(dá)下一個(gè)目的地的耗時(shí)成本為

(8)

2.1.3 配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗

電動(dòng)出租車充電站接入配電系統(tǒng)后會(huì)影響配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)損耗，為了在充電站規(guī)劃中兼顧到電網(wǎng)運(yùn)營者的經(jīng)濟(jì)性，以配電網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗作為優(yōu)化目標(biāo)的一部分。配電系統(tǒng)網(wǎng)損的目標(biāo)函數(shù)可描述如下：

(9)

式中：p為售電價(jià)格；PLoss表示配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)年損耗；xi表示在節(jié)點(diǎn)i是否接入充電站，若是則為1，否則為0；PSi，QSi分別為i節(jié)點(diǎn)建設(shè)的充電站有功容量，無功容量。

綜上所述，由電動(dòng)出租車充電站建設(shè)及運(yùn)行維護(hù)年費(fèi)用、充電耗時(shí)年成本、配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗年費(fèi)用構(gòu)成的電動(dòng)出租車充電站規(guī)劃全社會(huì)年總成本目標(biāo)函數(shù)最小的表達(dá)式如式(10)所示：

F=CCS+CVH+TG+TW+TF+CLoss

(10)

2.1.4 約束條件

(1)充電站所屬供電區(qū)域的變電站的容量約束：

Si≤Simax

(11)

式中：Si為充電站所屬區(qū)域的變電站的負(fù)載；Simax為該變電站所能承擔(dān)的最大負(fù)載。

(2)配電網(wǎng)絡(luò)允許接入的電動(dòng)汽車最大充電功率約束：

(12)

(3)節(jié)點(diǎn)電壓幅值的上下限約束：

(13)

(4)饋線最大電流約束：

(14)

式中：Iij和Iijmax分別為配電網(wǎng)中饋線ij的電流和允許流過的最大電流。

(5)充電站接入點(diǎn)容量約束

PCij≤Pjmax

(15)

式中：PCij為接入電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)j的充電站i的最大充電功率；Pjmax為電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)j所能允許的最大接入功率，這主要是由節(jié)點(diǎn)j處的負(fù)荷和所在線路的傳輸能力決定的。

2.2 充電站數(shù)預(yù)估

出租車充電站需要為出租車提供排隊(duì)、停車的場地，為充電站提供建設(shè)場地涉及城市用地規(guī)劃、交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、交通組織、居民出行等因素，在實(shí)際中不可能在所有節(jié)點(diǎn)設(shè)立充電站。由于交通區(qū)位和用地等限制，充電站的建設(shè)有最大規(guī)模容量限制；而考慮到服務(wù)站點(diǎn)的經(jīng)營效益，設(shè)置后必須有足夠的出租車到達(dá)該充電站接受服務(wù)，因而充電站有最小規(guī)模容量限制。本文確定的規(guī)劃策略是：利用規(guī)劃區(qū)的總充電需求Qtotal及充電站的最大容量限制Smax和最小容量限制Smin來預(yù)估規(guī)劃區(qū)充電站的最小個(gè)數(shù)Nmin和最大個(gè)數(shù)Nmax，則規(guī)劃區(qū)充電站的個(gè)數(shù)Nmin≤n≤Nmax，其中：

(16)

2.3 基于排隊(duì)理論的充電機(jī)配置及服務(wù)時(shí)間確定

充電站容量配置直接影響充電站用地規(guī)劃和建設(shè)投資。本文采用排隊(duì)論中的M/G/c模型解決容量配置問題和充電等待時(shí)間計(jì)算。

假設(shè)出租車交接班在14：00～18：00和02：00～06：00，2次充電集中在以上2個(gè)時(shí)間段，由于交接班地點(diǎn)固定，2個(gè)時(shí)間段車輛分布和充電行為較為一致，根據(jù)某一時(shí)間段內(nèi)出租車的充電需求確定充電站容量與等待時(shí)間即可。首先基于加權(quán)Voronoi圖劃分服務(wù)范圍，進(jìn)而利用排隊(duì)理論計(jì)算各充電站平均排隊(duì)等待時(shí)間，采用文獻(xiàn)[17]中的整數(shù)規(guī)劃法對充電站最優(yōu)容量進(jìn)行規(guī)劃。

3 模型求解方法及步驟

3.1 自適應(yīng)量子遺傳算法

(1)染色體的量子編碼方式。

在QGA算法中，最小的信息單元是量子位，量子位具有2個(gè)基本態(tài)：|0>態(tài)和|1>態(tài)。任意時(shí)刻量子位的狀態(tài)|ψ>是基本態(tài)的線性組合，稱為疊加態(tài)，即

|φ>=α|0>+β|1>

(17)

式中：α、β為量子態(tài)|0>和|1>的概率幅，為2個(gè)常數(shù)，滿足：

(18)

(19)

(2)解空間變換。

Qi=[qx11,…,qx1k,qx21,…,qxnk,qy11,…,qynk]

(20)

式中qxi1，…，qxik是一個(gè)充電站橫坐標(biāo)的k個(gè)二進(jìn)制基因，對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)記為Xi，則由二進(jìn)制空間向解空間的變換如式(21)所示：

(21)

式中：xmin、xmax分別為充電站橫坐標(biāo)的最小值與最大值，縱坐標(biāo)的變換同橫坐標(biāo)。

(3)染色體更新及自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)角調(diào)整策略。

對染色體pi的更新采用量子旋轉(zhuǎn)門進(jìn)行操作，其更新的過程如下：

(22)

(23)

(24)

式(23)第2項(xiàng)通過測定染色體適應(yīng)度函數(shù)值f，與當(dāng)前最優(yōu)個(gè)體的適應(yīng)度函數(shù)值fbest進(jìn)行對比，根據(jù)結(jié)果調(diào)整染色體旋轉(zhuǎn)角，使朝著有利于最優(yōu)的方向進(jìn)化。第3項(xiàng)的作用是動(dòng)態(tài)的控制旋轉(zhuǎn)角的大小，在迭代初期，其值較大，使進(jìn)化速度加快。隨著迭代的進(jìn)行，其值逐漸減小，放緩速度以尋找最優(yōu)。

Δθ的幅度影響收斂速度，如果太大會(huì)導(dǎo)致早熟，文獻(xiàn)[18]認(rèn)為Δθ在0.01π～0.05π最為合理，本文在自適應(yīng)更新策略中將Δθ設(shè)定在這一范圍內(nèi)，令c1=c2=0.02π。

(4)量子位變異。

為了防止算法早熟從而提高算法全局搜索能力。本文將遺傳算法中的變異策略引入到量子遺傳算法中，其具體操作為：以一定概率選擇種群中的個(gè)體i，將被選中個(gè)體的qi中橫坐標(biāo)對應(yīng)的二進(jìn)制位取非門以增加種群的多樣性。

3.2Voronoi圖法劃分服務(wù)范圍

每個(gè)充電站都有相應(yīng)的服務(wù)范圍，其服務(wù)范圍內(nèi)的車輛選擇該充電站接受服務(wù)時(shí)所需行駛的距離最短，能夠最快捷的補(bǔ)充能量。Voronoi圖作為一種空間的分割方式，使得每一個(gè)Voronoi多邊形內(nèi)的任意一點(diǎn)到本Voronoi多邊形母點(diǎn)的距離，都小于到其他Voronoi多邊形母點(diǎn)的距離，這一性質(zhì)與電動(dòng)出租汽車充電站服務(wù)范圍的概念相對應(yīng)。以充電站的站址集合作為母點(diǎn)對區(qū)域進(jìn)行分割后，每個(gè)充電站服務(wù)范圍內(nèi)的充電需求點(diǎn)便可確定。

本文采用Voronoi圖法對充電站進(jìn)行服務(wù)范圍的劃分，基于各充電站的服務(wù)范圍計(jì)算其服務(wù)的車輛進(jìn)而計(jì)算目標(biāo)函數(shù)值，結(jié)合自適應(yīng)量子遺傳算法進(jìn)行全局尋優(yōu)，可獲得模型最優(yōu)解。

3.3 充電站規(guī)劃步驟

將自適應(yīng)量子遺傳算法與Voronoi圖法相結(jié)合對模型的求解步驟如下所述：

步驟1)初始化規(guī)劃所需的基本數(shù)據(jù)，包括規(guī)劃區(qū)交通節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，各區(qū)域內(nèi)交接班時(shí)間段出租車數(shù)量，區(qū)域出租車歷史需求量等，計(jì)算區(qū)域總負(fù)荷量預(yù)估充電站數(shù)量范圍；

步驟2)隨機(jī)生成染色體對應(yīng)的式(19)，構(gòu)成種群；

步驟3)由式(19)、(20)、(21)進(jìn)行解空間變換，將隨機(jī)生成的θ角空間映射到充電站站址坐標(biāo)空間；

步驟4)利用Voronoi圖對染色體對應(yīng)的充電站進(jìn)行服務(wù)范圍的劃分，確定各充電站服務(wù)范圍內(nèi)的交通節(jié)點(diǎn)；

步驟5)基于服務(wù)范圍內(nèi)的充電需求，由排隊(duì)理論優(yōu)化配置各充電站容量，并計(jì)算各充電站平均排隊(duì)等待時(shí)間；

步驟6)計(jì)算適應(yīng)度函數(shù)值F，若當(dāng)前染色體適應(yīng)度函數(shù)優(yōu)于記錄中的最優(yōu)個(gè)體，將染色體對應(yīng)的充電站接入配電網(wǎng)中距離最近的負(fù)荷點(diǎn)進(jìn)行潮流計(jì)算并檢驗(yàn)式(11)～(15)的配電網(wǎng)安全約束是否滿足，若是，則替換為當(dāng)前最優(yōu)；否則不替換，進(jìn)行步驟7)；

步驟7)采用自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)角調(diào)整策略進(jìn)行量子旋轉(zhuǎn)門更新操作；進(jìn)行量子位變異操作；

步驟8)返回步驟3)循環(huán)計(jì)算，直到滿足收斂條件或代數(shù)達(dá)到最大限制為止。

4 算例及結(jié)果分析

4.1 規(guī)劃區(qū)簡介及參數(shù)設(shè)置

以某區(qū)域電動(dòng)出租車充電站規(guī)劃為例，其區(qū)域道路分布如圖1所示，該區(qū)域共有路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)36個(gè)，電動(dòng)出租車400輛，在出租車集中充電起始階段車輛分布于各個(gè)路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，具體數(shù)值見附表A2。

圖1 某規(guī)劃區(qū)道路分布地理圖Fig.1 A road map of a certain area

規(guī)劃區(qū)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示，網(wǎng)絡(luò)中包含3個(gè)35/10 kV變電站，容量均為2×16 MVA，有33個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，各配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)、線路阻抗及高峰時(shí)刻的負(fù)荷值見附表A3。

圖2 規(guī)劃區(qū)配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Distribution network structure of planning area

4.2 結(jié)果分析

首先由規(guī)劃區(qū)電動(dòng)出租車分布計(jì)算規(guī)劃區(qū)電動(dòng)出租車負(fù)荷需求總量Qtotal，根據(jù)充電站充電機(jī)數(shù)量限制由式(15)計(jì)算充電站數(shù)量范圍為3～10。

從Nmin=3到Nmax=10循環(huán)進(jìn)行上述步驟，獲得各充電站數(shù)量下最小全社會(huì)年總成本，年總成本曲線圖如圖3所示，不同充電站數(shù)量的最優(yōu)方案各項(xiàng)具體數(shù)據(jù)見表1。

圖3 充電站規(guī)劃社會(huì)年總成本曲線Fig.3 Social annual total cost curve of charging station

圖3顯示，在規(guī)劃區(qū)內(nèi)建設(shè)5座出租車充電站時(shí)，包括出租車駕駛員、充電站運(yùn)營商、配電網(wǎng)運(yùn)營企業(yè)在內(nèi)的全社會(huì)所耗費(fèi)的成本最低。規(guī)劃區(qū)內(nèi)建設(shè)5座充電站時(shí)，其站址分布如圖4所示。

圖4 充電站選址結(jié)果及服務(wù)范圍劃分Fig.4 Results of charging stations location and services division

表1的數(shù)據(jù)表明電動(dòng)出租車前往充電站途中耗時(shí)的時(shí)間成本及接受充電服務(wù)的排隊(duì)等待時(shí)間成本在全社會(huì)年總成本中占有較大比例，不同的充電站站址產(chǎn)生的出租車駕駛員充電總耗時(shí)成本具有較大差別。在充電站的具體規(guī)劃中，可以根據(jù)側(cè)重點(diǎn)的不同給予建設(shè)運(yùn)行投資費(fèi)用與充電總耗時(shí)成本以不同的權(quán)重從而改變二者對站址影響的相對大小。另外，隨著充電站設(shè)置數(shù)量的增多，充電途中年耗時(shí)成本與等待時(shí)間年耗時(shí)成本逐漸減小，而充電后尋找乘客途中年耗時(shí)成本并沒有呈現(xiàn)明顯的遞增或遞減趨勢，是因?yàn)槌鲎廛嚦潆姾髮δ康牡氐倪x擇受到了乘客需求分布的影響。

圖4中A～E對應(yīng)的較大的點(diǎn)表示充電站位置，較小的有色點(diǎn)表示路網(wǎng)中的交通節(jié)點(diǎn)，虛線為各充電站服務(wù)區(qū)域邊界線。MATLAB運(yùn)行結(jié)果源圖見附圖A1。充電站數(shù)量為5時(shí)最優(yōu)站址對應(yīng)的容量配置與等待時(shí)間如表2所示。

表1 電動(dòng)出租車充電站社會(huì)年總成本

Table 1 Social annual total cost of electric taxi

表2 各充電站充電機(jī)配置數(shù)量及顧客等待時(shí)間Table 2 Number of charging piles and waiting time in each charging station

由表2可知最優(yōu)方案中各充電站顧客平均等待時(shí)間均在15 min以內(nèi)，顧客到達(dá)充電站稍作等待即可進(jìn)行充電。

5 結(jié) 論

電動(dòng)出租車的推廣作為電動(dòng)汽車推廣的一項(xiàng)具體而有效的舉措，對于解決環(huán)境污染等問題具有重要的意義。作為城市服務(wù)體驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)，其大規(guī)模運(yùn)營需要充電設(shè)施作為支撐。由于目前學(xué)者們主要研究涵蓋范圍較廣的電動(dòng)汽車的充電站規(guī)劃，其方法未能與出租車行為特性相結(jié)合，不具有針對性。因此，本文基于對電動(dòng)出租車實(shí)際運(yùn)營特點(diǎn)的分析，確定其充電站的規(guī)劃場景，以包括建設(shè)維護(hù)費(fèi)用、網(wǎng)損費(fèi)用、充電行為時(shí)間成本在內(nèi)的全社會(huì)成本為目標(biāo)函數(shù)，對站址進(jìn)行優(yōu)化選址，同時(shí)采用排隊(duì)論中能更準(zhǔn)確反映出租車進(jìn)站充電特性的M/G/c模型解決充電站容量配置問題，將自適應(yīng)量子遺傳算法與Voronoi圖相結(jié)合的方法求解模型，進(jìn)而確定充電站最優(yōu)規(guī)劃方案。算例表明，該方法可根據(jù)實(shí)際路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、出租車空間分布、出租車需求空間分布及電動(dòng)出租車的運(yùn)營規(guī)模限制實(shí)現(xiàn)充電站站址的優(yōu)化布局、充電站服務(wù)范圍的劃分以及站內(nèi)充電設(shè)施的最優(yōu)配置，規(guī)劃結(jié)果中站址分布勻稱，能夠反映出租車分布，乘客需求分布，路網(wǎng)結(jié)構(gòu)對規(guī)劃的影響，方法有效實(shí)用。

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(編輯 張媛媛)

附錄A

表A1 量子更新旋轉(zhuǎn)角方向S(αj，βj)查詢表

TableA1Quantumupdaterotationangledirection

S(αj，βj)querytable

Planning of Electric Taxi Charging Station Based on Adaptive Quantum Genetic Algorithm

LI Hu1, GE Fenglei2, SHI Jing1, TAN Jian1

(1.State Grid Jiangsu Economic Research Institute, Nanjing 210000, China;2. State Grid Xuzhou Power Supply Company, Xuzhou 221000, Jiangsu Province, China)

The scientific layout and construction of charging infrastructure for electric taxis is of great significance to the promotion of electric taxis. Taking into account the importance of time value to taxi drivers with the purpose of maximizing the benefits, this paper adopts the annual cost of construction and operation maintenance of charging station, the annual time cost of taxi to the charging station, the annual waiting time cost of charging and the annual cost of distribution network loss to establish the total annual cost objective function in the whole society, and takes the safe operation of distribution network as the constraints of charging station layout planning to construct model. We apply adaptive adjustment strategy in the quantum genetic algorithm to solve the model with combining Voronoi diagram method. Then, we divide the service areas of charging station based on Voronoi diagram, and adopt the queuing theory M/G/c model to perform the optimization configuration of charging station, so as to realize the location of electric taxi charging station. Finally, the example analysis of 36-nodes road network and 33-nodes distribution network verifies the effectiveness and practicality of the model.

adaptive quantum genetic algorithm; taxi; Voronoi diagram; queuing theory

表A2 道路分布圖中各路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信息表Table A2 Distribution network node information in road map

表A3 配電網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及負(fù)荷Table A3 Coordinate and load of each node in distribution network

圖A1 最優(yōu)站址的MATLAB運(yùn)行結(jié)果圖Fig.A1 MATLAB operating result of optimal site map

TM 910； U491.8

A

1000-7229(2016)06-0116-09

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.06.017

2016-01-21

李琥(1979)，男，高級工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃工作；

葛風(fēng)雷(1987)，男，工學(xué)碩士，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃工作；

史靜(1990)，女，工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃工作；

談健(1974)，男，高級工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃工作。