1 引言

1.1選題背景和意義
本文源于自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目子項(xiàng)目（71132008):物流資源整合與調(diào)度優(yōu)化研究。本論文選題于電動(dòng)汽車這一新興產(chǎn)業(yè)，該產(chǎn)業(yè)技術(shù)尚未成熟，正處于示范推廣階段。因此本論文結(jié)合電動(dòng)汽車現(xiàn)階段發(fā)展的現(xiàn)狀，對(duì)電動(dòng)汽車行駛仿真模型和充電站布局進(jìn)行研究，具有一定的前瞻性性、有較好的理論意義。隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，汽車的需求量也急劇增加。然而，我國的資源以及環(huán)境問題制約著燃油汽車的發(fā)展，發(fā)展電動(dòng)汽車成為解決這一問題的最有效的方法。除了形式所迫之外，發(fā)展電動(dòng)汽車技術(shù)上可行性較強(qiáng)，雖然我國在傳統(tǒng)汽車研發(fā)方面與世界先進(jìn)水平有較大差距，但在電動(dòng)汽車技術(shù)方面，差距并不明顯。另外，我國具有豐富的稀土資源等，為電動(dòng)汽車的發(fā)展提供了資源優(yōu)勢(shì)。為了促進(jìn)電動(dòng)汽車的發(fā)展，國家以及各地政府紛紛出臺(tái)了一系列鼓勵(lì)電動(dòng)汽車發(fā)展的方針政策，包括國家宏觀政策、示范推廣政策以及其他相關(guān)政策⑴(GongHuiming, Wang Michael Q, Wang Hewu, 2013)。2008 年，科技部在奧運(yùn)會(huì)期間推出了 “十城千輛”節(jié)能與新能源汽車示范推廣政策。2009年，國務(wù)院在頒發(fā)的《汽車產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》中指明了未來我國電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方向和目標(biāo)。同年，中汽協(xié)牽頭成立了由國內(nèi)十家最大汽車生產(chǎn)企業(yè)組成的電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，統(tǒng)一制定了電動(dòng)汽車生產(chǎn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為電動(dòng)汽車的技術(shù)創(chuàng)新和推廣提供支持。2012年，國務(wù)院印發(fā)了《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020)》，《規(guī)劃》中確定了我國電動(dòng)汽車的發(fā)展目標(biāo)是：到2015年，純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車?yán)塾?jì)產(chǎn)銷量超過50萬輛；到2020年，純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車生產(chǎn)能力達(dá)200萬輛、累計(jì)產(chǎn)銷量超過500萬輛。
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1.2研究現(xiàn)狀
本章主要闡述選題的研究現(xiàn)狀，從電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、電動(dòng)汽車路徑優(yōu)化、充電站布局和電動(dòng)汽車行駛agent模型四個(gè)方面來綜述并評(píng)價(jià)已有研究成果，發(fā)現(xiàn)研究要點(diǎn)。曹秉剛，，張傳偉，白志峰（2004)和崔玉峰，楊晴，張林山等（2010)指出燃料電池是未來電動(dòng)汽車的發(fā)展方向[4-5]。徐哲（2006)分析了我國發(fā)展電動(dòng)汽車的優(yōu)勢(shì)和不足。郭孔輝（2011)，曹秉剛（2007)和黃魯成，顧成建（2008)指出微型電動(dòng)汽車更適合中國的國情。張文亮，武斌，李武峰，來小康，（2009)認(rèn)為我國電動(dòng)汽車應(yīng)用重點(diǎn)將逐步從公共服務(wù)用車、微型電動(dòng)汽車過渡到電動(dòng)乘用車綜上所述，相對(duì)于傳統(tǒng)汽車，我國發(fā)展電動(dòng)汽車具有一定的優(yōu)勢(shì)，因此電動(dòng)汽車在我國有較好的發(fā)展前途，尤其是微型電動(dòng)汽車。充電站運(yùn)營模式包括整車充電模式和更換電池模式，整車充電模式包括慢充和快充。魯莽，周小兵，張維等（2010)分析了公用充電站模式、停車場(chǎng)（路邊）充電樁模式以及電池更換站模式的發(fā)展前景。周逢權(quán)，連湛偉，王曉雷等(2011 )、朱新紅（2012)、劉金行（2010)以及Liu Yongxiang等（2011)從不同角度分析，得出以更換電池為主、整車充電為輔的運(yùn)營模式將成為我國電動(dòng)汽車充電站未來發(fā)展的主流模式。高賜威，吳茜（2013)介紹了充換電兩種運(yùn)營模式的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，并分析了換電網(wǎng)絡(luò)的基本框架、運(yùn)營模式以及換電網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。電動(dòng)汽車充電分為快充和慢充，快充會(huì)對(duì)電池造成較大損害，更換電池一般僅需要幾分鐘，甚至比燃油汽車補(bǔ)充能源要快。胡偉，丁宇飛，劉芳等（2009)和李哲，盧蘭光，歐陽明高（2011)認(rèn)為基于換電模式建設(shè)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池租賃網(wǎng)絡(luò)能夠有效解決電動(dòng)汽車成本過高的問題林晶怡，陳企楚，李斌等（2011)指出換電模式下電動(dòng)汽車行駛計(jì)量方式主要有按電量計(jì)量和按里程計(jì)量兩種方式[19]。
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2電動(dòng)汽車行駛路徑問題

2.1換電模式和整車充電模式
更換蓄電池模式也稱租賃蓄電池模式，是把電動(dòng)汽車和蓄電池分開的蓄電池充電模式。對(duì)于電動(dòng)汽車用戶來說，只需要購買電動(dòng)汽車，然后通過不斷更換蓄電池的方式來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的行駛。有專門的第三方公司或者電動(dòng)企業(yè)負(fù)責(zé)蓄電池的充電、配送、回收等。這種充電模式要求蓄電池進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，當(dāng)電動(dòng)汽車需要更換蓄電池的時(shí)候，能夠非常方便地到附近的蓄電池更換站去更換己經(jīng)充好電的蓄電池【38】。由蓄電池生產(chǎn)企業(yè)、電動(dòng)汽車用戶、物流公司等組成的一個(gè)閉環(huán)的蓄電池供應(yīng)鏈[39]。更換電池費(fèi)用包括更換電池的人工費(fèi)用和電池費(fèi)用，無論剩余電量多少，更換電池費(fèi)用相同。整車充電分為慢充和快充兩種類型。在整車充電模式下，制約電動(dòng)汽車發(fā)展的蓄電池問題非常突出：一是購買蓄電池的初期投資成本太大，昂貴的蓄電池成本在很大程度上阻礙了電動(dòng)汽車的推廣;二是慢充需要5-9個(gè)小時(shí),充電時(shí)間太長，快充對(duì)蓄電池有較大損傷，造成蓄電池壽命急劇衰減，進(jìn)一步增加了電動(dòng)汽車的蓄電池成本。此外，整車充電模式下，電動(dòng)汽車充電負(fù)荷具有顯著的時(shí)空隨機(jī)性，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行和規(guī)劃會(huì)帶來不利的影響[32-37]。考慮到電動(dòng)汽車充電的成本和安全性，換電模式成為更有潛力的充電方式換電模式已經(jīng)成為電動(dòng)汽車發(fā)展具有競(jìng)爭(zhēng)力的商業(yè)模式。有兩個(gè)方面的原因：第一，采用蓄電池租賃方式，由電網(wǎng)公司承擔(dān)蓄電池的初期投資成本，可顯著降低用戶的初始構(gòu)成成本；第二，對(duì)蓄電池采用集中慢充的方式，避免快充引起的蓄電池壽命縮短問題，并且可以避免電動(dòng)汽車隨機(jī)充電對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行帶來的不利影響[47]。第三，換電模式大大縮短了充電時(shí)間的同時(shí)也不同程度緩解了蓄電池壽命、蓄電池維護(hù)、蓄電池回收電網(wǎng)錯(cuò)峰和用地成本等問題【49】。
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2.2電動(dòng)汽車充電站選擇可能情況
根據(jù)電動(dòng)汽車的剩余電量下的續(xù)航里程以及出行的距離，可以分為三種情況：電動(dòng)汽車可以直接到達(dá)目的地；電動(dòng)汽車需要去充電站更換電池才能到達(dá)充電站；電動(dòng)汽車不能到達(dá)目的地以及任何一個(gè)充電站。一般情況下，司機(jī)會(huì)選擇總距離最短，即初始點(diǎn)到充電站的距離與充電站到目的地距離之和最小的充電站，或者是到達(dá)目的地后剩余電量最大的充電站�？偩嚯x最短是為了保證電動(dòng)汽車行駛時(shí)間越少越好，到達(dá)目的地后剩余電量最大是為了在達(dá)到目的地的條件下，剩余較大的電量。剩余的電量越大，下一步能行駛的距離越大，在更換電池成本一樣的情況下，司機(jī)會(huì)傾向于選擇剩余電量最大的路徑。剩余的電量是由充電站到目的地的距離決定的，充電站到達(dá)目的地的距離越大，更換電池后消耗的電量越大，而剩余的電量越小。綜上所述，影響電動(dòng)汽車充電站選擇的因素主要有時(shí)間因素和成本因素。當(dāng)司機(jī)認(rèn)為時(shí)間因素比成本因素重要時(shí)，司機(jī)傾向于選擇總距離最短的路徑；當(dāng)司機(jī)認(rèn)為成本因素比時(shí)間因素重要時(shí)，司機(jī)傾向于選擇去充電站到目的地距離最近的充電站充電。
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3電動(dòng)汽車行駛仿真模型.........15
3.1模型假設(shè)........15
3.2參數(shù)設(shè)定........15
3.3電動(dòng)汽車行駛路徑模型構(gòu)建........16
3.4電動(dòng)汽車行駛路徑模型改進(jìn)........17
4 充電站布局優(yōu)化........21
4.1充電站布局合理性分析........21
4.2繞行距離-成本模型........22
4.3 Agent仿真模型構(gòu)建........24
5北京市充電站布局優(yōu)化........28
5.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)........28
5.2仿真試驗(yàn)........30
5.3北京市充電站布局合理性分析........35
5.4北京市充電站布局優(yōu)化........40

5北京市充電站布局優(yōu)化

5.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括北京市道路網(wǎng)絡(luò)、北京市現(xiàn)有充電站位置以及北京市人口分布。由于北京市道路網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)綜復(fù)雜，只采集主干道道路網(wǎng)絡(luò)。北京市五環(huán)以內(nèi)現(xiàn)有對(duì)外幵放電動(dòng)汽車充電站29個(gè)，這些充電站可以為電動(dòng)汽車提供充電服務(wù)。除了北京市道路網(wǎng)絡(luò)以及北京市充電站位置，還要知道北京市人口分布圖，因?yàn)槿丝谠蕉嗟膮^(qū)域，電動(dòng)汽車出行次數(shù)越多，需要建設(shè)的充電站越多。

5.1.1北京市道路網(wǎng)絡(luò)圖
本文采集了如下圖所示的北京市地圖。電動(dòng)汽車由于續(xù)航里程的限制，一般只在城市內(nèi)部使用，很少行駛到郊區(qū)或其他城市。因此在該圖中，只有五環(huán)及五環(huán)以內(nèi)的道路。另外，為了增加模型的有效性，下圖只選取了北京市的主干道。但仿真中初始點(diǎn)和目的地是隨機(jī)生成的，可以分布在城區(qū)的任意位置。當(dāng)初始點(diǎn)和目的地不在主千道上時(shí)，電動(dòng)汽車會(huì)優(yōu)先選擇行駛到主干道，再行駛到目的地或在充電站。因此，雖然模型中只有主干道，但城市內(nèi)部的任意位置都是可達(dá)的。

結(jié)論

本論文在國家電網(wǎng)推出智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的模式和國家大力發(fā)展新能源汽車的基礎(chǔ)上，研究了電動(dòng)汽車行駛路徑問題和充電站布局優(yōu)化問題。利用Anylogic仿真軟件建立了電動(dòng)汽車行駛路徑仿真模型，分析仿真數(shù)據(jù)，結(jié)合繞行距離-成本模型，提出了充電站布局的優(yōu)化方案。論文以北京市為案例，對(duì)北京市充電站布局進(jìn)行優(yōu)化。通過對(duì)比優(yōu)化前后的結(jié)果可以看出，通過繞行距離-成本模型對(duì)充電站布局進(jìn)行優(yōu)化，可以大大降低電動(dòng)汽車的繞行距離，充電成本以及各充電站訪問次數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差。本文基于電動(dòng)汽車的換電運(yùn)營模式下，分析了電動(dòng)汽車行駛路徑的問題。根據(jù)電動(dòng)汽車剩余電量和與目的地的距離的關(guān)系，將電動(dòng)汽車行駛路徑問題分為三種情況：直接到達(dá)目的地；經(jīng)充電后到達(dá)目的地；電量不足以到達(dá)充電站或目的地。第二種情況下，即電動(dòng)汽車需要充電后到達(dá)目的地，本文根據(jù)實(shí)際情況確定了電動(dòng)汽車選擇充電站的規(guī)則。基于該規(guī)則，建立了電動(dòng)汽車行駛路徑仿真模型�？紤]到道路網(wǎng)絡(luò)和人口密度對(duì)模型的影響，本文將上述兩種因素加入到模型中，對(duì)模型進(jìn)行了改進(jìn)，使得模型更加符合現(xiàn)實(shí)情況。
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參考文獻(xiàn)（略）