1 引言

1.1選題背景和意義
本文源于自然科學(xué)基金重大項目子項目（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)合電動汽車現(xiàn)階段發(fā)展的現(xiàn)狀，對電動汽車行駛仿真模型和充電站布局進行研究，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)展電動汽車技術(shù)上可行性較強，雖然我國在傳統(tǒng)汽車研發(fā)方面與世界先進水平有較大差距，但在電動汽車技術(shù)方面，差距并不明顯。另外，我國具有豐富的稀土資源等，為電動汽車的發(fā)展提供了資源優(yōu)勢。為了促進電動汽車的發(fā)展，國家以及各地政府紛紛出臺了一系列鼓勵電動汽車發(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，科技部在奧運會期間推出了 “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汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方向和目標。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)組成的電動汽車產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，統(tǒng)一制定了電動汽車生產(chǎn)相關(guān)標準，為電動汽車的技術(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》中確定了我國電動汽車的發(fā)展目標是：到2015年，純電動汽車和插電式混合動力汽車累計產(chǎn)銷量超過50萬輛；到2020年，純電動汽車和插電式混合動力汽車生產(chǎn)能力達200萬輛、累計產(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，從電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、電動汽車路徑優(yōu)化、充電站布局和電動汽車行駛agent模型四個方面來綜述并評價已有研究成果，發(fā)現(xiàn)研究要點。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汽車的發(fā)展方向[4-5]。徐哲（2006)分析了我國發(fā)展電動汽車的優(yōu)勢和不足。郭孔輝（2011)，曹秉剛（2007)和黃魯成，顧成建（2008)指出微型電動汽車更適合中國的國情。張文亮，武斌，李武峰，來小康，（2009)認為我國電動汽車應(yīng)用重點將逐步從公共服務(wù)用車、微型電動汽車過渡到電動乘用車綜上所述，相對于傳統(tǒng)汽車，我國發(fā)展電動汽車具有一定的優(yōu)勢，因此電動汽車在我國有較好的發(fā)展前途，尤其是微型電動汽車。充電站運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（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、整車充電為輔的運營模式將成為我國電動汽車充電站未來發(fā)展的主流模式。高賜威，吳茜（2013)介紹了充換電兩種運營模式的結(jié)構(gòu)及特點，并分析了換電網(wǎng)絡(luò)的基本框架、運營模式以及換電網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。電動汽車充電分為快充和慢充，快充會對電池造成較大損害，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)認為基于換電模式建設(shè)電動汽車動力電池租賃網(wǎng)絡(luò)能夠有效解決電動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汽車行駛計量方式主要有按電量計量和按里程計量兩種方式[19]。
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2電動汽車行駛路徑問題

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，是把電動汽車和蓄電池分開的蓄電池充電模式。對于電動汽車用戶來說，只需要購買電動汽車，然后通過不斷更換蓄電池的方式來實現(xiàn)電動汽車的行駛。有專門的第三方公司或者電動企業(yè)負責(zé)蓄電池的充電、配送、回收等。這種充電模式要求蓄電池進行標準化，當電動汽車需要更換蓄電池的時候，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)、電動汽車用戶、物流公司等組成的一個閉環(huán)的蓄電池供應(yīng)鏈[39]。更換電池費用包括更換電池的人工費用和電池費用，無論剩余電量多少，更換電池費用相同。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汽車的推廣;二是慢充需要5-9個小時,充電時間太長，快充對蓄電池有較大損傷，造成蓄電池壽命急劇衰減，進一步增加了電動汽車的蓄電池成本。此外，整車充電模式下，電動汽車充電負荷具有顯著的時空隨機性，對電網(wǎng)運行和規(guī)劃會帶來不利的影響[32-37]�？紤]到電動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)成為電動汽車發(fā)展具有競爭力的商業(yè)模式。有兩個方面的原因：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，并且可以避免電動汽車隨機充電對電網(wǎng)運行帶來的不利影響[47]。第三，換電模式大大縮短了充電時間的同時也不同程度緩解了蓄電池壽命、蓄電池維護、蓄電池回收電網(wǎng)錯峰和用地成本等問題【49】。
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2.2電動汽車充電站選擇可能情況
根據(jù)電動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：電動汽車可以直接到達目的地；電動汽車需要去充電站更換電池才能到達充電站；電動汽車不能到達目的地以及任何一個充電站。一般情況下，司機會選擇總距離最短，即初始點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汽車行駛時間越少越好，到達目的地后剩余電量最大是為了在達到目的地的條件下，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，司機會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，影響電動汽車充電站選擇的因素主要有時間因素和成本因素。當司機認為時間因素比成本因素重要時，司機傾向于選擇總距離最短的路徑；當司機認為成本因素比時間因素重要時，司機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電動汽車行駛路徑模型構(gòu)建........16
3.4電動汽車行駛路徑模型改進........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........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)有對外幵放電動汽車充電站29個，這些充電站可以為電動汽車提供充電服務(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，因為人口越多的區(qū)域，電動汽車出行次數(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。但仿真中初始點和目的地是隨機生成的，可以分布在城區(qū)的任意位置。當初始點和目的地不在主千道上時，電動汽車會優(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，對北京市充電站布局進行優(yōu)化。通過對比優(yōu)化前后的結(jié)果可以看出，通過繞行距離-成本模型對充電站布局進行優(yōu)化，可以大大降低電動汽車的繞行距離，充電成本以及各充電站訪問次數(shù)的標準差。本文基于電動汽車的換電運營模式下，分析了電動汽車行駛路徑的問題。根據(jù)電動汽車剩余電量和與目的地的距離的關(guān)系，將電動汽車行駛路徑問題分為三種情況：直接到達目的地；經(jīng)充電后到達目的地；電量不足以到達充電站或目的地。第二種情況下，即電動汽車需要充電后到達目的地，本文根據(jù)實際情況確定了電動汽車選擇充電站的規(guī)則�；谠撘�(guī)則，建立了電動汽車行駛路徑仿真模型�？紤]到道路網(wǎng)絡(luò)和人口密度對模型的影響，本文將上述兩種因素加入到模型中，對模型進行了改進，使得模型更加符合現(xiàn)實情況。
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參考文獻（略）