电动公交车线路和充电设施及策略规划方法研究

电动公交车线路和充电设施及策略规划方法研究

姜岚清，张勇*

【摘 要】摘要：针对电动公交车充电设施配置不合理的现象，对电动公交车线路和充电设施及策略规划方法进行研究。综合考虑充电站及充电桩配置与公交线路运营特征设计参数两者的相互影响，以充电等待时间和运力为约束条件，建立社会福利最大化模型。基于两种不同的充电策略，讨论其对充电站内车辆排队充电等待时间的影响。以拉格朗日函数求解算法和遗传算法对模型进行求解，并以苏州市931路纯电动公交线路为算例对模型与算法进行了验证。研究结果表明，相比于遗传算法，基于拉格朗日函数的求解算法效率更高，求解结果更稳定。根据所构建模型设计的充电桩数量及线路运营特征参数,在满足充电等待时间约束的条件下可以实现社会福利最大。该研究所提出的模型可为电动公交车线路规划提供决策依据。 【期刊名称】《山东科学》 【年(卷),期】2019(032)006 【总页数】13

【关键词】公共交通规划；电动公交；充电设施；线路设计；社会福利 【交通运输】

开放科学(资源服务)标识码(OSID)：

基金项目：国家自然科学基金(51108289);国家社科基金重大项目 (13&ZD175);江苏省属高校自然科学基金(10KJB580003)

电动汽车替代传统燃油汽车已成为汽车产业可持续发展的必然趋势，也是解决能源消耗与环境污染问题的有效手段。电动公交车具有固定的行驶路线、发车

时间以及停车场所，能够很好地适应电动汽车续航里程短、充电时间长的特点，使得电动公交车成为电动汽车在中国市场推广的先驱。在国家的大力支持和推动下，我国电动公交事业进入快速发展时期，2015年交通部出台的《关于加快推进新能源汽车在交通运输行业推广应用的实施意见》，指出到2020年城市新能源公交车将达到20万辆[1]。目前，国内主要城市新能源公交车占比都已达到40%以上，其中深圳在2017年已实现公交100%车电动化，根据各地规划要求，到2020年全国公交车电动化率有望达到70%。由于电动公交车与汽油车补能方式不同，时间差别大，因此要求电动公交线路设计时要考虑充电桩配置要求。但是从目前各地市电动公交车充电设施建设情况来看，由于多依赖经验配置、缺乏理论指导，充电桩配置数量相差较大，有的按照“一车一桩”配置，有的按照“四车一桩”配置，有的按照“六车一桩”配置，造成车桩配置不合理[2]。因此，发展电动公交事业，首先要对其充电基础设施的规划建设问题进行研究。

目前，一些学者对电动公交基础设施规划问题进行了研究。陈伟等[3]根据充电站内充电桩容量、电动公交车参数计算所需配置充电桩的数量，但没有考虑公交车充电排队情况对公交运营的影响。为了讨论公交车充电排队情况，蔡子龙等[4]以充电桩数量最小为目标，在公交枢纽站内建立公交充电排队系统模型，对直流快速充电模式下高峰和平峰期充电设施最优配置进行了研究。但是该模型并没有考虑公交运营成本。为了详细分析运营成本问题，Zou等[5]研究电动公交换电站配置优化问题，以服务可用性为约束、运营成本最小为目标建立模型，优化站内充电桩，并进行了案例分析。Wang等[6]以年总运营成本最小为目标，建立了一个优化电动公交车充电时刻表的模型，模型可以为充电站位置、

数量和运营提供相应的决策支持。Li[7]以公交车辆最大行驶里程为约束，建立车辆时刻表模型，分析了电动、燃油、混合动力公交车的总运营成本，并提出了列代算法求解时刻表问题，研究结果表明，电动公交车使用换电形式将不会显著增加车队车辆数量。上述文献侧重充电桩配置数量的研究，但同时也有针对充电策略以及政府政策的影响分析。Qin等[8]模拟了佛罗里达州塔拉哈西一天的电动公交运营与充电需求情况，并以减少充电需求为目标，确定了最佳的充电策略。Rick等[9]以量化形式分析了日间停车和免费停车政策对充电行为的影响，并指出在设计政策时应考虑充电行为与政策之间的相互影响关系。 以上文献，从不同角度基于确定的运营条件优化充电设施配置或充电策略等，但没有考虑公交线路自身运营条件对充电站及充电桩配置的影响。对于公共交通线路设计与运营优化等问题的研究也有很多。Wirasinghe等[10]确定了以公交运营成本和客运时间成本之和最小化为目标的最优公交服务特性，分析了站间距、接驳巴士区域边界和车头时距等运营参数，给出了简明的最优参数结果。Daganzo等[11]详细分析了两点系统、交通走廊系统、二维平面网络系统在理想与现实情况下的公共交通运营原则与优化方法。Constantin等[12]建立了以乘客乘车时间最小为目标，车辆数量为约束条件的非线性发车频率优化模型。Ceder[13]将公交调度时刻表编制问题作为一个多目标优化问题，假定乘客到达服从均匀分布，乘客等车时间为发车间隔时间的一半，在此基础上构建公交发车时刻优化模型。

本文综合考虑充电站及充电桩配置与公交线路运营特征参数设计两者的相互影响，在公共交通走廊上，以社会福利最大化为目标建立模型，考虑线路运量约束和车辆充电站内充电等待时间约束，优化站点数量及位置、发车频率、票价