本發(fā)明公開(kāi)了一種交通網(wǎng)絡(luò)和電動(dòng)汽車(chē)充電站協(xié)調(diào)規(guī)劃的方法，設(shè)計(jì)一種雙層網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)規(guī)劃的方法，屬于交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和電動(dòng)汽車(chē)充電調(diào)度的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，隨著環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)重和能源危機(jī)的日益加劇，環(huán)境問(wèn)題尤其是城市空氣污染問(wèn)題已成為影響居民幸福感的重要指標(biāo)，電動(dòng)汽車(chē)的研究和推廣越來(lái)越受到重視。電動(dòng)汽車(chē)是蓄電池和交通工具的結(jié)合體，具備電池特性和交通特性。與以化石能源為燃料的傳統(tǒng)汽車(chē)不同，電動(dòng)汽車(chē)以清潔的二次能源電能為能量來(lái)源，可以減少不可再生能源的消耗和汽車(chē)尾氣的排放甚至緩解城市的熱島效應(yīng)。

電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的建設(shè)將直接影響電動(dòng)汽車(chē)的推廣和滲透率的提高，但目前相關(guān)研究尚不成熟。此外，城市交通網(wǎng)絡(luò)情況會(huì)顯著影響電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)的充電選擇，從而可能影響配網(wǎng)的安全與穩(wěn)定。因此有必要將交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃改造與電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施規(guī)劃進(jìn)行統(tǒng)一考慮以實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)的協(xié)調(diào)規(guī)劃，目前，這方面的研究還很匱乏。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的發(fā)明目的是針對(duì)上述背景技術(shù)的不足，提供了一種交通網(wǎng)絡(luò)和電動(dòng)汽車(chē)充電站協(xié)調(diào)規(guī)劃的方法，實(shí)現(xiàn)了交通網(wǎng)絡(luò)和電動(dòng)汽車(chē)充電網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)規(guī)劃，解決了目前缺乏協(xié)調(diào)規(guī)劃交通網(wǎng)絡(luò)和電動(dòng)汽車(chē)充電站的統(tǒng)一規(guī)劃方案的這一技術(shù)問(wèn)題。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案：

一種交通網(wǎng)絡(luò)和電動(dòng)汽車(chē)充電站協(xié)調(diào)規(guī)劃的方法，建立以交通網(wǎng)絡(luò)可靠度最高、用戶(hù)滿(mǎn)意度最高、電動(dòng)汽車(chē)充電站投資建設(shè)費(fèi)用最低為目標(biāo)的協(xié)調(diào)規(guī)劃模型，在電動(dòng)汽車(chē)最大等待時(shí)間的約束下確定優(yōu)先滿(mǎn)足用戶(hù)滿(mǎn)意度最高和電動(dòng)汽車(chē)充電站投資建設(shè)費(fèi)用最低的電動(dòng)汽車(chē)充電站規(guī)劃方案，在道路改造和電動(dòng)汽車(chē)充電站投資建設(shè)總費(fèi)用最低的約束下確定交通網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃方案。

進(jìn)一步地，一種交通網(wǎng)絡(luò)和電動(dòng)汽車(chē)充電站協(xié)調(diào)規(guī)劃的方法，采用各道路不可靠度之和最小表征交通網(wǎng)絡(luò)可靠度最高的目標(biāo)，各道路不可靠度之和f1為：fa,b為節(jié)點(diǎn)a和節(jié)點(diǎn)b之間的道路的不可靠度，θab為表示節(jié)點(diǎn)a和節(jié)點(diǎn)b相鄰與否的狀態(tài)矩陣，k為節(jié)點(diǎn)數(shù)目。

進(jìn)一步地，一種交通網(wǎng)絡(luò)和電動(dòng)汽車(chē)充電站協(xié)調(diào)規(guī)劃的方法，采用綜合充電時(shí)間最少表征用戶(hù)滿(mǎn)意度最高的目標(biāo)，綜合充電時(shí)間f2為：bi,j為表示電動(dòng)汽車(chē)i在電動(dòng)汽車(chē)充電站j充電與否的狀態(tài)矩陣，m為電動(dòng)汽車(chē)充電站的數(shù)目，n為電動(dòng)汽車(chē)的數(shù)目，分別為電動(dòng)汽車(chē)i的充電行程行駛時(shí)間、充電等待時(shí)間和充電時(shí)間，l′ab＝γablab，lab、l′ab分別為節(jié)點(diǎn)a和節(jié)點(diǎn)b之間的道路的實(shí)際長(zhǎng)度、有效行駛距離，γab為節(jié)點(diǎn)a和節(jié)點(diǎn)b之間的道路的擁塞度折算系數(shù)，vab、cab分別為節(jié)點(diǎn)a和節(jié)點(diǎn)b之間的道路的流量、實(shí)際通行能力，β為道路的可靠性系數(shù)，ρ1為節(jié)點(diǎn)a和節(jié)點(diǎn)b之間的道路通暢時(shí)的擁塞度折算系數(shù)值，ρ2為節(jié)點(diǎn)a和節(jié)點(diǎn)b之間的道路中度擁塞時(shí)的擁塞度折算系數(shù)值，ρ3為節(jié)點(diǎn)a和節(jié)點(diǎn)b之間的道路重度擁塞時(shí)的擁塞度折算系數(shù)值，vi電動(dòng)汽車(chē)i的平均行駛速度。

進(jìn)一步地，一種交通網(wǎng)絡(luò)和電動(dòng)汽車(chē)充電站協(xié)調(diào)規(guī)劃的方法，采用土地征收使用費(fèi)和充電設(shè)施投資費(fèi)用之和最小表征電動(dòng)汽車(chē)充電站投資建設(shè)費(fèi)用最低的目標(biāo)，土地征收使用費(fèi)和充電設(shè)施投資費(fèi)用之和f3為：m為電動(dòng)汽車(chē)充電站的數(shù)目，sj、qj分別為電動(dòng)汽車(chē)充電站j的占地面積和充電容量，sj＝μqj+s0，μ為電動(dòng)汽車(chē)充電站單位充電容量的占地面積，s0為電動(dòng)汽車(chē)充電站的基礎(chǔ)面積，α為征收單位面積土地的費(fèi)用，β為增加單位電動(dòng)汽車(chē)充電樁的費(fèi)用。

再進(jìn)一步地，一種交通網(wǎng)絡(luò)和電動(dòng)汽車(chē)充電站協(xié)調(diào)規(guī)劃的方法，在電動(dòng)汽車(chē)最大等待時(shí)間的約束下確定優(yōu)先滿(mǎn)足用戶(hù)滿(mǎn)意度最高和電動(dòng)汽車(chē)充電站投資建設(shè)費(fèi)用最低的電動(dòng)汽車(chē)充電站規(guī)劃方案，在道路改造和電動(dòng)汽車(chē)充電站投資建設(shè)總費(fèi)用最低的約束下確定交通網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃方案，具體包括如下步驟：

a、選取進(jìn)行改造的道路并初始化道路參數(shù)；

b、初始化包含各電動(dòng)汽車(chē)充電站建設(shè)地址及布點(diǎn)位置、充電樁個(gè)數(shù)及分配方案的電動(dòng)汽車(chē)充電站參數(shù)；

c、根據(jù)當(dāng)前道路參數(shù)以及當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)充電站參數(shù)計(jì)算當(dāng)前綜合充電時(shí)間及當(dāng)前最大等待時(shí)間；

d、在當(dāng)前綜合充電時(shí)間為當(dāng)前充電樁個(gè)數(shù)下的最小整體充電時(shí)間時(shí)，進(jìn)入步驟e，否則，重新調(diào)整充電樁分配方案后返回步驟c；

e、在當(dāng)前最大等待時(shí)間未超過(guò)其最大值時(shí)，進(jìn)入步驟f，否則，增加充電樁個(gè)數(shù)并調(diào)整充電樁分配方案后返回步驟c；

f、在當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)充電站投資建設(shè)費(fèi)用最小時(shí)，由當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)充電站參數(shù)確定電動(dòng)汽車(chē)充電站的規(guī)劃方案并進(jìn)入步驟g，否則，重新規(guī)劃電動(dòng)汽車(chē)充電站的建設(shè)地址及布點(diǎn)位置后返回步驟c；

g、在根據(jù)當(dāng)前道路參數(shù)確定的道路改造費(fèi)用和當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)充電站投資建設(shè)費(fèi)用之和最小時(shí)，根據(jù)前當(dāng)前選取進(jìn)行改造的道路及其參數(shù)確定交通網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃方案，否則，重新選取進(jìn)行改造的道路并初始化道路參數(shù)后返回步驟b。

本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果：本發(fā)明提出了一種統(tǒng)一規(guī)劃交通網(wǎng)絡(luò)和電動(dòng)汽車(chē)充電站的方案，建立以交通網(wǎng)絡(luò)可靠度最高、用戶(hù)滿(mǎn)意度最高、電動(dòng)汽車(chē)充電站投資建設(shè)費(fèi)用最低為目標(biāo)的協(xié)調(diào)規(guī)劃模型，首先在電動(dòng)汽車(chē)最大等待時(shí)間的約束下確定優(yōu)先滿(mǎn)足用戶(hù)滿(mǎn)意度最高和電動(dòng)汽車(chē)充電站投資建設(shè)費(fèi)用最低的電動(dòng)汽車(chē)充電站規(guī)劃方案，然后在道路改造和電動(dòng)汽車(chē)充電站投資建設(shè)總費(fèi)用最低的約束下確定交通網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃方案，最終獲得既能滿(mǎn)足用戶(hù)滿(mǎn)意度最高和電動(dòng)汽車(chē)充電站投資建設(shè)費(fèi)用最低又能滿(mǎn)足道路改造費(fèi)用最低的聯(lián)合規(guī)劃方案，該雙網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃方案降低了交通網(wǎng)絡(luò)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)充電選擇的影響，降低了雙網(wǎng)規(guī)劃成本，為統(tǒng)一考慮交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃改造與電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施規(guī)劃提供了一種可行方案。

附圖說(shuō)明

圖1為本申請(qǐng)協(xié)調(diào)規(guī)劃方案的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明提出了一種統(tǒng)一規(guī)劃交通網(wǎng)絡(luò)和電動(dòng)汽車(chē)充電站的方案，建立以交通網(wǎng)絡(luò)可靠度最高、用戶(hù)滿(mǎn)意度最高、電動(dòng)汽車(chē)充電站投資建設(shè)費(fèi)用最低為目標(biāo)的協(xié)調(diào)規(guī)劃模型，首先在電動(dòng)汽車(chē)最大等待時(shí)間的約束下確定優(yōu)先滿(mǎn)足用戶(hù)滿(mǎn)意度最高和電動(dòng)汽車(chē)充電站投資建設(shè)費(fèi)用最低的電動(dòng)汽車(chē)充電站規(guī)劃方案，然后在道路改造和電動(dòng)汽車(chē)充電站投資建設(shè)總費(fèi)用最低的約束下確定交通網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃方案，具體流程如圖1所示，包括以下6個(gè)步驟。

步驟1)：提出電動(dòng)汽車(chē)充電調(diào)度系統(tǒng)架構(gòu)

電動(dòng)汽車(chē)充電調(diào)度系統(tǒng)集成實(shí)時(shí)信息采集系統(tǒng)、智能感知系統(tǒng)和實(shí)時(shí)通訊系統(tǒng)。其中，實(shí)時(shí)信息采集系統(tǒng)采集所有電動(dòng)汽車(chē)的狀態(tài)參數(shù)、位置信息、交通網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時(shí)路況數(shù)據(jù)和充電站中的車(chē)輛數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)通訊系統(tǒng)將實(shí)時(shí)信息采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)傳輸給智能感知系統(tǒng)并反饋智能感知系統(tǒng)發(fā)布的調(diào)度指令或充電建議給電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)。智能感知系統(tǒng)是該系統(tǒng)的控制中心，根據(jù)實(shí)時(shí)的電動(dòng)汽車(chē)信息、路況信息和充電站信息對(duì)未來(lái)時(shí)刻的道路擁堵情況和充電站排隊(duì)情況進(jìn)行感知預(yù)測(cè)，從而為電動(dòng)汽車(chē)選擇合適的充電站和相應(yīng)的充電行程路由以滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)的個(gè)性化需求。

當(dāng)用戶(hù)有充電需求時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)信息更新，實(shí)時(shí)信息采集系統(tǒng)獲取實(shí)時(shí)的路況信息、充電站信息和電動(dòng)汽車(chē)狀態(tài)信息。智能感知系統(tǒng)根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)狀態(tài)量預(yù)測(cè)電動(dòng)汽車(chē)充電需求和充電時(shí)間，并根據(jù)道路和充電站數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)相應(yīng)未來(lái)時(shí)刻的道路情況和充電站車(chē)輛情況，從而計(jì)算電動(dòng)汽車(chē)充電行程的綜合時(shí)間，最后以綜合時(shí)間最短為目標(biāo)協(xié)助用戶(hù)選擇合適的充電站和相應(yīng)的充電行程路由。

步驟2)：建立用戶(hù)滿(mǎn)意度模型

21)表征有效行駛距離：

pattara等將交通狀態(tài)劃分為3個(gè)等級(jí)：通暢、中等擁塞及高度擁塞，依此定義道路擁塞度折算系數(shù)γ：

式中，ρ1、ρ2、ρ3分別為該路段的在通暢、中度擁塞和重度擁塞情況下的擁塞折算系數(shù)?；趽砣日鬯阆禂?shù)，將擁塞度折算入道路長(zhǎng)度得到各道路的有效行駛距離：

l′ab＝γablab(2)，

式中，a和b分別為道路兩段節(jié)點(diǎn)編號(hào)，lab和l′ab分別為節(jié)點(diǎn)a和節(jié)點(diǎn)b之間的道路的實(shí)際長(zhǎng)度和道路有效行駛距離。

22)表征排隊(duì)等待時(shí)間：

當(dāng)充電站電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量大于充電樁數(shù)量時(shí)，一些電動(dòng)汽車(chē)就需要在站內(nèi)等待充電。電動(dòng)汽車(chē)按照“排隊(duì)原則”依次進(jìn)行充電。因此，在電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)選擇充電站前往充電時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)到達(dá)充電站后需要排隊(duì)等待的時(shí)間是其需要考慮的一個(gè)重要因素。各電動(dòng)汽車(chē)的排隊(duì)等待時(shí)間可由步驟1)中介紹的智能感知系統(tǒng)預(yù)計(jì)和反饋。

23)表征綜合滿(mǎn)意度：

采用綜合充電時(shí)間來(lái)表征用戶(hù)滿(mǎn)意度，綜合充電時(shí)間包括充電行程行駛時(shí)間、站內(nèi)等待時(shí)間和充電時(shí)間，綜合充電時(shí)間越短，則用戶(hù)滿(mǎn)意度越高，其計(jì)算公式如下：

式中，ti為電動(dòng)汽車(chē)i的綜合充電時(shí)間，和分別為電動(dòng)汽車(chē)i的充電行程行駛時(shí)間、充電等待時(shí)間和充電時(shí)間，其中，為有效行駛距離l′ab與電動(dòng)汽車(chē)i平均行駛速度vi的比值，可由下式求得：

用全部用戶(hù)的綜合充電時(shí)間t^total最短表征整體用戶(hù)滿(mǎn)意度最高：

式中，n和m分別為電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量和充電站數(shù)量bi,j為表示電動(dòng)汽車(chē)i在電動(dòng)汽車(chē)充電站j充電與否的二元矩陣，賦值如下：

步驟3)：建立交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃模型

31)表征道路不可靠度

飽和度是常用的反映道路擁擠程度的綜合指標(biāo)，可表示為道路流量v與實(shí)際通行能力c的比值。路段可靠度可簡(jiǎn)化為路網(wǎng)中的弧。假設(shè)弧的可靠度為rab(a和b分別為道路的起點(diǎn)和終點(diǎn))，則路段不可靠度計(jì)算公式為fab＝1-rab，本文假定fab＝hf(v/c)(h為修正系數(shù))，的函數(shù)f(v/c)表達(dá)式如下：

式中，β為道路的可靠性系數(shù)，取值范圍為(0,1)，v、c分別為道路的流量、實(shí)際通行能力，k為節(jié)點(diǎn)數(shù)目。

32)表征區(qū)域路網(wǎng)的不可靠度

網(wǎng)絡(luò)不可靠度可由各路段不可靠度之和f來(lái)表征：

其中，fa,b為節(jié)點(diǎn)a和節(jié)點(diǎn)b之間的道路的不可靠度，θab為表示節(jié)點(diǎn)a和節(jié)點(diǎn)b相鄰與否的二元矩陣，賦值如下：

步驟4)：建立充電站規(guī)劃模型

充電站投資建設(shè)費(fèi)用主要包括土地征收使用費(fèi)和充電設(shè)施投資費(fèi)用，設(shè)征收單位面積土地費(fèi)用為α，增加單位電動(dòng)汽車(chē)充電樁的費(fèi)用為β，則電動(dòng)汽車(chē)充電站投資建設(shè)費(fèi)用最低可以表征如下：

其中，c為電動(dòng)汽車(chē)充電站投資建設(shè)費(fèi)用，sj、qj分別為電動(dòng)汽車(chē)充電站j的占地面積和充電容量，占地面積與充電容量成正比，關(guān)系可由下式表征：

sj＝μqj+s0(11)，

其中，s0為電動(dòng)汽車(chē)充電站的基礎(chǔ)面積，μ為電動(dòng)汽車(chē)充電站單位充電容量的占地面積。

步驟5)：建立交通網(wǎng)絡(luò)和電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施協(xié)調(diào)規(guī)劃模型

雙層網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)規(guī)劃是一個(gè)多目標(biāo)整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)交通網(wǎng)可靠度最高、用戶(hù)整體滿(mǎn)意度最高和充電站建設(shè)投資費(fèi)用最低最小，可由下式表示：

步驟6)：求解得到規(guī)劃方案

該多目標(biāo)整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題可使用遺傳編碼等智能算法求解，本專(zhuān)利采用了一種簡(jiǎn)化的處理方法，避免陷入局部最優(yōu)。各個(gè)目標(biāo)的量綱不同，可將其均轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，并對(duì)各目標(biāo)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序，對(duì)于優(yōu)先級(jí)靠后的目標(biāo)賦予較小的權(quán)重或進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。本問(wèn)題中，可將用戶(hù)整體滿(mǎn)意度最大作為輔助性目標(biāo)，同時(shí)將電動(dòng)汽車(chē)最大等待時(shí)間作為約束條件。該協(xié)調(diào)規(guī)劃問(wèn)題的求解流程如下：

61)選取進(jìn)行改造的道路，修改相應(yīng)道路參數(shù)，計(jì)算各支路有效行駛距離，更新鄰接矩陣；

62)從備選地址中選擇充電站建設(shè)地址，確定充電站布點(diǎn)位置；

63)輸入初始充電樁個(gè)數(shù)為npile；

64)將充電樁分配給各充電站；

65)計(jì)算電動(dòng)汽車(chē)整體充電時(shí)間t^total和最大等待時(shí)間tmax；

66)如果t^total不是該充電樁個(gè)數(shù)下的最小整體充電時(shí)間，則返回步驟64)重新分配充電樁；否則，進(jìn)入下一步；

67)判斷最大等待時(shí)間是否大于限定值，若tmax大于30min，返回步驟63)，增加充電樁個(gè)數(shù)；否則，進(jìn)入下一步；

68)判斷充電站建設(shè)費(fèi)用是否為最小值，若不是，返回步驟62)，重新選擇建設(shè)地址；否則，進(jìn)入下一步；

69)判斷道路改造和充電站建設(shè)總費(fèi)用是否為最小值，若不是，返回步驟61)，重新選擇進(jìn)行改造的線(xiàn)路；否則，輸出規(guī)劃結(jié)果。