基于ArcGIS空間分析技術(shù)的電動汽車充電站選址漸進優(yōu)化布局研究

毛 薇，謝莉莉

（杭州電子科技大學(xué) 管理學(xué)院，浙江 杭州 310018）

1 引言

環(huán)境保護是國家當(dāng)前和今后工作的重點。十九大報告指出：“推進能源生產(chǎn)和消費革命，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系?！狈e極推動電動汽車發(fā)展，有利于減少汽車尾氣排放，促進節(jié)能減排，全面向汽車強國邁進。為此我國相繼頒發(fā)了《電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南》（2015-2020年）（《指南》）、《關(guān)于“十三五”新能源汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施獎勵政策及加強新能源汽車推廣應(yīng)用的通知》等一系列相關(guān)政策逐步推進新能源電動汽車的發(fā)展。

完善的充電基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施體系是推動新能源電動汽車發(fā)展的重要保障。在對新能源電動汽車保有量進行預(yù)測并分析其發(fā)展的影響因素[1]基礎(chǔ)上，相關(guān)學(xué)者主要從以下幾方面對電動汽車充電服務(wù)設(shè)施選址問題進行了研究：在模型構(gòu)建方面，相關(guān)學(xué)者構(gòu)建了動態(tài)空間[2]、充電站運營商和用戶充電損耗成本最小化[3-4]、新能源電動汽車快速充電站建站成本和用戶整體繞行成本之和最小的雙層整數(shù)規(guī)劃[5]、繞行成本最小化和出行頻率最大化的新型雙目標(biāo)充電站優(yōu)化等選址模型[6]。在約束條件方面，學(xué)者綜合考慮電動汽車充電排隊時間和里程約束[7]；基于云重心理論[8]，綜合考慮了充電站服務(wù)半徑[9-10]、服務(wù)容量[11-12]等因素對充電服務(wù)設(shè)施選址的影響。在運用方法方面，學(xué)者運用差分進化粒子群算法[13]、遺傳算法[14-15]、蝙蝠算法[16]對充電服務(wù)設(shè)施選址建設(shè)進行布局規(guī)劃，并結(jié)合Delphi 法和灰色層次分析法（GAHP）對其選址進行評價[17]。在地區(qū)規(guī)劃方面，學(xué)者對南京市[18]、莆田市[19]等地區(qū)的充電服務(wù)設(shè)施選址建設(shè)進行了深入研究。

綜上所述，相關(guān)學(xué)者主要從充電服務(wù)設(shè)施選址建設(shè)的模型構(gòu)建、約束條件、運用方法、地區(qū)規(guī)劃等方面進行了深入探討。然而，基于服務(wù)半徑的電動汽車充電站選址建設(shè)還有待深入研究。為此，本文將綜合考慮基于道路網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)半徑對充電服務(wù)設(shè)施選址建設(shè)優(yōu)化布局的影響，并對其選址建設(shè)進行服務(wù)水平評價。

2 電動汽車充電站選址建設(shè)模型構(gòu)建

2.1 位置分配模型理論

位置分配理論最早是在1963年由Cooper[20]提出的，主要為某種設(shè)施布局提供優(yōu)化配置方案，其原理是在限制條件內(nèi)，使得所需設(shè)施數(shù)量和配置達(dá)到最優(yōu)化?；谏鲜隼碚撫槍Τ潆娬具x址建設(shè)問題，綜合考慮電動汽車充電距離成本最小化同時滿足充電站建設(shè)成本最小化目標(biāo)研究充電站建設(shè)數(shù)量最小化。運用ArcGIS10.6 的空間分析技術(shù)[21]構(gòu)建最小化阻抗模型和最小化設(shè)施點模型對充電站選址建設(shè)漸進優(yōu)化布局進行研究。

2.2 電動汽車充電站選址建設(shè)特征

充電站的選址建設(shè)應(yīng)在滿足各出行興趣點處的充電需求基礎(chǔ)上進行漸進優(yōu)化，同時兼顧充電站的建設(shè)成本最小化。

（1）充電站選址布局應(yīng)顧及合理的充電服務(wù)半徑。在相關(guān)文獻研究基礎(chǔ)上，綜合考慮電動汽車的行駛里程及充電站建設(shè)規(guī)劃等對充電站服務(wù)半徑的影響，設(shè)定電動汽車平均行駛速度約為20km/h，當(dāng)產(chǎn)生充電需求時可在10min內(nèi)行駛到充電站進行充電，電動汽車在道路行駛過程中其道路曲折系數(shù)大約在1.1-1.3之間，文中設(shè)定為1.1。則充電站的服務(wù)半徑R計算公式[22]如下：

（2）充電站選址建設(shè)應(yīng)以電動汽車保有量為基礎(chǔ)。充電站的選址建設(shè)應(yīng)在滿足電動汽車充電需求基礎(chǔ)上適當(dāng)進行超前擴建，以應(yīng)對逐漸增加的電動汽車保有量產(chǎn)生的充電需求。對不同等級的充電站選址布局應(yīng)優(yōu)先滿足充電需求量較大的區(qū)域，且按照建設(shè)順序應(yīng)優(yōu)先建設(shè)大型充電站，并在此基礎(chǔ)上繼續(xù)建設(shè)中小型充電站。

（3）充電站選址建設(shè)應(yīng)構(gòu)成完善的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)體系。由于電動汽車充電行駛里程的限制并結(jié)合區(qū)域內(nèi)已有的道路網(wǎng)絡(luò)，充電站的選址建設(shè)應(yīng)構(gòu)成充電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)體系，為電動汽車保有量的持續(xù)增長提供充電服務(wù)便利性。

2.3 電動汽車充電站建設(shè)數(shù)量測算

電動汽車充電站的建設(shè)規(guī)模通常是根據(jù)總充電需求及充電站的總服務(wù)能力共同決定的，兩者共同反映了該區(qū)域各充電站服務(wù)水平，并以此來驗證充電站的選址建設(shè)是否合理。

2.3.1 充電站的充電服務(wù)供求條件關(guān)系。充電站候選點的總服務(wù)能力要滿足各出行興趣點處用戶充電總需求量。計算公式如下：

式中，α為電動汽車充電需求比例數(shù)；β為道路曲折系數(shù)，假設(shè)為1.1；Nt、Ns為各出行興趣點處電動出租車和電動私家車的保有量；Dt、Ds為各出行興趣點電動出租車和電動私家車產(chǎn)生的充電需求；Mb、Mm、Ms為大、中、小型充電站建設(shè)數(shù)量；為快充和慢速模式下充電站服務(wù)能力；為大型充電站不同模式下充電樁數(shù)量；同分別為中、小型充電站不同模式下的充電樁數(shù)量[23]。

2.3.2 充電站服務(wù)能力測算。大、中、小型充電站都以充電樁為基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施進行充電[23]，每個充電樁服務(wù)能力為：

依據(jù)現(xiàn)有充電站建設(shè)規(guī)模，大、中、小型充電站分別設(shè)有20、8 和4 個充電樁。為提高充電效率，假定各充電站全部建設(shè)快充模式，依據(jù)《指南》中建設(shè)比例，假定充電站可提供區(qū)域內(nèi)70%的充電需求，且按照建設(shè)順序優(yōu)先建設(shè)大型充電站。

3 基于ArcGIS10.6空間分析技術(shù)的電動汽車充電站選址漸進優(yōu)化布局

首先，本文以服務(wù)半徑3km的中斷距離，建立基于道路網(wǎng)絡(luò)的最小化阻抗模型，求得使用戶的充電行駛距離成本最小的充電站建設(shè)數(shù)量；其次，建立基于充電站建設(shè)成本最小化的最小化設(shè)施點模型，得到充電服務(wù)設(shè)施點在最大化覆蓋范圍內(nèi)需要建設(shè)的最小化充電站數(shù)量；最后，綜合以上模型求解可得到該區(qū)域內(nèi)充電站建設(shè)漸進優(yōu)化選址仿真結(jié)果。

在ArcGIS10.6 中可采用空間距離的地理可達(dá)性來測量用戶充電便利性。運用網(wǎng)絡(luò)空間分析技術(shù)在各出行興趣點圖層上做疊加分析，統(tǒng)計各出行興趣點處的總充電需求量；采用充電需求和距離的權(quán)重最小，可生成各出行興趣點到充電站接受充電服務(wù)分布圖，并對權(quán)重進行匯總統(tǒng)計。

3.1 某區(qū)域地理概況與數(shù)據(jù)源

以某區(qū)域的充電站建設(shè)為例，該區(qū)域總面積為63.62km2，道路總長為37.66km。在該區(qū)域內(nèi)選取94個出行興趣點和32 個充電站候選點，基于Arc-GIS10.6的空間分析技術(shù)確定充電站建設(shè)的最優(yōu)數(shù)量及位置，如圖1所示。所用數(shù)據(jù)源具體如下：

圖1 94個用戶出行興趣點和32個充電站建設(shè)候選點分布

（1）行政規(guī)劃區(qū)域及道路交通網(wǎng)絡(luò)。將該區(qū)域內(nèi)道路劃分為主干路、次干路和支路3 個等級，同時記錄每段道路的長度，以Shapefile 的格式存儲，運用ArcGIS10.6建立道路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集，進行拓?fù)錂z查和修改，以保證城市道路網(wǎng)絡(luò)連通性。假設(shè)電動汽車在各級道路上保持直線勻速行駛，且電動汽車在道路交匯處允許轉(zhuǎn)彎、掉頭。

（2）電動汽車用戶的出行興趣點。不同出行興趣點即不同類型設(shè)施點的位置數(shù)據(jù)與城市的空間分布有關(guān)[24]，電動汽車用戶出行興趣點主要考慮已有的不同行業(yè)商業(yè)機構(gòu)、交通設(shè)施、旅游景點等。在各用戶出行興趣點處統(tǒng)計出電動出租車和電動私家車保有量及所產(chǎn)生的充電需求量。

（3）充電站建設(shè)候選點。在已建成充電站基礎(chǔ)上，對該區(qū)域內(nèi)充電站選址建設(shè)漸進優(yōu)化分析。據(jù)上述充電站的服務(wù)能力測算公式，現(xiàn)設(shè)定大型充電站的服務(wù)能力為1 800輛/天，并通過綜合性分析將充電站候選點初步分為3類，具體數(shù)據(jù)見表1。

①候選站（20個）。為一般選址對象，可選，也可不選。

②已建站（3 個）。已建成的充電站處于重要交通樞紐主干路附近，車流量較大。

③不可建站點（9個）。受電網(wǎng)傳送、地理位置等自然條件限制，不宜建設(shè)充電站，原則上不選。

3.2 最小化阻抗模型

在最小化阻抗模型[25]中出行興趣點處到各充電站的所有加權(quán)成本之和最小，即每個出行興趣點處到充電站充電的平均充電成本最小。在ArcGIS10.6中建立該區(qū)域內(nèi)充電站最小化阻抗模型，依次增建充電站建設(shè)數(shù)量，可得到不同數(shù)量充電站選址建設(shè)分布圖（如圖2所示），并將結(jié)果匯總在表2中。

圖2 不同數(shù)量充電站所服務(wù)的出行興趣點情況

表2 不同充電站選址建設(shè)情況匯總

據(jù)已建成的3座大型充電站位置可知，在3km的服務(wù)半徑內(nèi)并不能完全滿足各出行興趣點處電動汽車用戶的充電需求。通過最小化阻抗模型仿真結(jié)果得知，至少需要6座大型充電站才能完全滿足全部各出行興趣點的充電需求。

3.3 最小化設(shè)施點模型

在充電站的3km 服務(wù)半徑內(nèi)，使盡可能多的用戶出行興趣點被分配到充電站的服務(wù)半徑內(nèi)，同時保證覆蓋出行興趣點的充電站建設(shè)數(shù)量最小化[23]。在ArcGIS10.6中，構(gòu)建基于3km的服務(wù)半徑建立大型充電站建設(shè)的最小化設(shè)施點模型，具體如圖3所示。

圖3 大型充電站建設(shè)分布及所覆蓋的出行興趣點個數(shù)

由3km的服務(wù)半徑建立的最小化設(shè)施點模型得知，該區(qū)域內(nèi)至少需要建設(shè)6座大型充電站才能滿足最大化覆蓋范圍內(nèi)各出行興趣點處的充電需求，這與最小化阻抗模型分析得出的結(jié)果一致。從上述構(gòu)建的最小化阻抗模型和最小化設(shè)施點模型的分析結(jié)果可知，該區(qū)域內(nèi)需再增建3 座大型充電站才能在3km 的服務(wù)半徑內(nèi)滿足各出行興趣點處的全部充電需求。

4 電動汽車充電站建設(shè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)水平評價

運用充電站的充電服務(wù)率和覆蓋面積服務(wù)率2個評價指標(biāo)對上述仿真結(jié)果中6 座大型充電站選址建設(shè)進行服務(wù)水平評價，以此驗證該仿真結(jié)果的合理性。具體如下：

在ArcGIS10.6 中，以各充電站位置為充電服務(wù)中心，結(jié)合區(qū)域內(nèi)道路網(wǎng)絡(luò)狀況，生成服務(wù)半徑3km的服務(wù)覆蓋面；并與行政邊界圖層疊加，裁去范圍外的多余的區(qū)域，獲得各充電站的有效服務(wù)覆蓋面積；最后與各出行興趣點圖層疊加，得到充電站在各服務(wù)覆蓋面內(nèi)所服務(wù)的出行興趣點個數(shù)，具體見表3。

表3 各充電站服務(wù)水平分析情況

由表3可知，在3km服務(wù)半徑內(nèi)6座大型充電站的各覆蓋面積較為均衡，總服務(wù)覆蓋面積占該區(qū)域總面積的98.65%，滿足各出行興趣點處電動汽車的全部充電需求。根據(jù)各出行興趣點處電動汽車總充電需求及充電站的服務(wù)能力，各充電站的服務(wù)效率從高到低依次為6、29、5、19、3、20。

5 結(jié)束語

通過運用ArcGIS10.6 軟件的網(wǎng)絡(luò)空間分析技術(shù)對該區(qū)域內(nèi)充電站選址建設(shè)漸進優(yōu)化分析，得出需在已建充電站的基礎(chǔ)上依次增建編號為6、19、20的3座大型充電站可滿足各出行興趣點處的電動汽車產(chǎn)生的全部充電需求，總服務(wù)面積覆蓋率可達(dá)到總區(qū)域面積的98.65%。然而，隨著電動汽車保有量的逐漸增長，現(xiàn)有的充電站總服務(wù)能力不能完全滿足電動汽車逐步增長的充電需求。為了進一步提升充電站的服務(wù)能力、縮小充電站的服務(wù)半徑或逐步增建充電站數(shù)量來滿足電動汽車的充電需求，后續(xù)將在此基礎(chǔ)上擴建中小型充電站。