一种考虑服务区和车辆事故的高速公路充电站规划方法技术

一种考虑服务区和车辆事故的高速公路充电站规划方法：建立考虑服务区的充电站规划的数学模型；通过考虑车辆事故的动态交通仿真方法得到车流量的分布，即基于蒙特卡洛的车辆事故抽样方法和高速公路车辆事故影响分析方法，是先通过事故频次和时空位置抽样，确定一天中发生事故的时间和路段，若当天未发生事故则采用路段传输模型进行分析；若出现车辆事故时即进行事故影响分析；根据车流量的分布建立充电等待时间模型，从而得到充电等待时间；根据车流量的分布和充电等待时间，采用改进遗传算法求解考虑服务区的充电站规划的数学模型。本发明专利技术充分考虑了已有服务区、车辆事故和等待时间等因素的影响，可以为高速公路充电站建设提供有效的指导。

A Highway Charging Station Planning Method Considering Service Area and Vehicle Accidents

A highway charging station planning method considering service area and vehicle accident is presented. The mathematical model of charging station planning considering service area is established. The traffic flow distribution is obtained by dynamic traffic simulation method considering vehicle accident, i.e. Monte Carlo-based vehicle accident sampling method and highway vehicle accident impact analysis method. First, the accident frequency and space-time location are selected. Sample, determine the time and section of an accident in a day, if there is no accident on that day, use the section transmission model to analyze; if there is a vehicle accident, analyze the impact of the accident; establish the charging waiting time model according to the distribution of traffic flow, so as to get the charging waiting time; according to the distribution of traffic flow and charging waiting time, use the improved genetic algorithm to solve the problem. Mathematical model of charging station planning in service area. The invention fully considers the influence of the existing service area, vehicle accident and waiting time, etc., and can provide effective guidance for the construction of the charging station of the expressway.

【技术实现步骤摘要】
一种考虑服务区和车辆事故的高速公路充电站规划方法
本专利技术涉及一种充电站规划方法。特别是涉及一种考虑服务区和车辆事故的高速公路充电站规划方法。
技术介绍
电动汽车作为一种绿色无污染的出行工具，目前在世界范围内得到了大力推广。充电站是为电动汽车提供电量补充的基础设施，其合理布局是为电动汽车提供方便快捷充电服务的保证。从空间位置来看，充电站可以分为城市范围内的充电站和城际高速公路充电站。其中，高速公路作为连接城市的重要纽带，是支撑城市发展的重要基础设施，保证电动汽车在城市间行驶途中快速电量补给具有重要意义。目前，国内外对于高速公路充电站规划已经有了部分研究。然而，作为高速公路上的重要基础设置，现有研究多忽略了服务区对于充电站规划的影响，服务区和充电站均处于高速公路场景中，研究方法上也都存在设施配置和收益计算等过程，具有一定的借鉴意义。同时，高速公路的具有全封闭、全立交等特点，车辆事故对于高速公路车流量分布具有较大影响。在充电站规划的车流模拟过程中，应当充分考虑车辆事故对于规划结果的影响。另外，充电等待时间是衡量充电站规划合理性的重要指标，相比于传统的通过排队论计算平均等待时间的方法，有必要采用更加细致的模型来体现等待时间对于充电站规划结果的影响。考虑到传统规划方法的上述不足，本专利技术提出一种考虑服务区和车辆事故的高速公路充电站规划方法，充分考虑了已有服务区、车辆事故和等待时间等因素的影响，使得充电站规划方法更加实用。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种通过考虑服务区和车辆事故等影响因素，使得高速公路充电站建设更加合理的考虑服务区和车辆事故的高速公路充电站规划方法。本专利技术所采用的技术方案是：一种考虑服务区和车辆事故的高速公路充电站规划方法，包括如下步骤：1)建立考虑服务区的充电站规划的数学模型，包括：分别建立目标函数和约束条件；2)通过考虑车辆事故的动态交通仿真方法得到车流量的分布，所述考虑车辆事故的动态交通仿真方法包括：基于蒙特卡洛的车辆事故抽样方法和高速公路车辆事故影响分析方法，是先通过事故频次和时空位置抽样，确定一天中发生事故的时间和路段，若当天未发生事故则采用路段传输模型进行分析；若出现车辆事故时即进行事故影响分析；3)根据车流量的分布建立充电等待时间模型，从而得到充电等待时间；4)根据车流量的分布和充电等待时间，采用改进遗传算法求解考虑服务区的充电站规划的数学模型。步骤1)所述的目标函数为：max(P1+P2-C1-C2-C3-C4)(1)式中：P1为车辆充电收入；P2为乘客消费净收入；C1为充电桩建设成本；C2为停车场建设成本；C3为为乘客休息设施建设成本；C4为运行维护费用及其他配套设施建设成本；其中，(1)车辆充电收入P1的计算公式为：式中：n为新建充电站和服务区内规划的充电站数目之和；mi为第i个充电站在模拟周期内服务的车辆总数，Bj、SOCj分别为第i个充电站服务的第j辆车的电池容量和荷电状态；pc为充电电价。(2)乘客消费净收入P2的计算公式如下：式中：s为新建的充电站数目；mp为第p个新建充电站在模拟周期内服务的电动汽车总数；wq为第p个新建充电站服务的第q辆电动汽车的载客数；λ和bav分别为人均消费概率和金额；考虑到超市和餐厅需要一定成本购进商品，此处设置利润系数α，0＜α＜1，将乘客消费金额直接折算为净利润；(3)充电桩建设成本C1的计算公式如下：式中：n为新建充电站和服务区内规划的充电站数目之和；ri为第i个充电站建设的充电桩数目；pcha为单个充电桩价格；z为运行年限；(4)停车场建设成本C2的计算公式如下：式中：s为新建的充电站数目；qque，p为第p个充电站最大充电等待队列长度；ppark为单个停车位建设成本；z为运行年限；(5)乘客休息设施建设成本C3的计算公式如下：式中：s为新建的充电站数目；qque，p为第p个充电站最大充电等待队列长度；wav为电动汽车平均载客人数；β为乘客使用休息设施的概率；sav和pres分别为人均所需休息设施面积和单位面积休息设施建设成本；(6)运行维护费用及其他配套设施建设成本，包括配电变压器、线路建设费用以及充电设施维修费用，是由固定投资成本折算得到，C4的计算公式为：C4＝(C1+C2+C3)×σ(7)式中：σ为折算比例，取值为3％。步骤1)所述的约束条件为：(1)对服务区内建设的充电站设置充电桩数量上限：ry≤rmax，y＝1，2，...，V(8)式中：V为规划区域内的服务区总数；ry为第y个服务区建设的充电桩数目；rmax为服务区内允许建设的最大充电桩数目；(2)充电等待时间约束，任一车辆的等待时间tw均满足：tw≤tw，max(9)式中：tw，max为最大充电等待时间。步骤2)包括：(1)基于蒙特卡洛方法确定车辆事故发生的时间和地点结合车辆事故统计数据，通过蒙特卡洛抽样确定事故发生的时空位置，再利用路段传输模型进行分析，得到考虑车辆事故的车流分布；(1.1)事故频次抽样无事故时长在设定路段的概率分布函数为：式中：f(ta)表示事故发生时刻小于ta的概率；A为所述路段每年发生的车辆事故总数；e为自然底数，ta为事故发生时刻；由于1-F(t)为区间[0，1]内的数，即无事故时长tna通过抽样方法确定：式中：A为设定路段每年发生的车辆事故总数；R为[0，1]之间均匀分布的随机数；抽样时，若tna＞24，认为事故不属于当天；若tna≤24，再次进行抽样并将每次抽样得到的无事故时长tna进行相加，直至相加结果tna＞24，并对当天发生的事故总数ad进行统计；(1.2)事故时空位置抽样将总长度1分为24个长度不等的区间，每个区间代表1个小时，不同长度表示事故发生在该小时内的概率，生成[0，1]之间的随机数Rt，当所生成的随机数落在相应的区间时，即认为事故发生在该区间所在的时间段；(2)高速公路车辆事故影响分析建立高速公路车辆事故影响分析模型，假设xa处在t1时刻发生车辆事故，在事故处理完成之前，道路通行能力持续受阻，将道路最大通行能力和正常通行状况分别记为qmax辆/小时和qnor辆/小时，则发生事故后通行能力为ηqmax辆/小时，其中η为事故影响系数，0≤η≤1。此时，如果道路仍能满足当前通行需求，即qnor≤ηqmax，则正常通行；如qnor＞ηqmax，则分两阶段建立高速公路车辆事故影响分析模型；(2.1)事故处理时段影响分析由于qnor＞ηqmax，则从道路上游到达事故处的车辆不断积累，逐渐产生阻塞，在t2时刻，最大阻塞车辆数目T为：T＝(qnor-ηqmax)(t2-t1)(12)此时，由于车辆事故导致该路段最大通行能力发生变化，对路段传输模型在事故路段xa处进行改进，将F(xa，t1)、F(xa，t2)分别记为t1和t2时刻事故发生处xa到达和通过的车辆总数，则在事故处理时段经由事故发生处xa驶出的车辆数目为：ΔFa(t2-t1)＝min{F(xa，t2)-F(xa，i1)，ηqmax(t2-t1)}(13)车辆事故不但会导致上游车辆在事故处累积，也会对事故下游车流量产生影响，将事故发生处xa的下游处记为事故下游处xb，lab为xa和xb的距离，va和ρav分别为自由流速度和平均车流密度，则从t1+lab/v本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑服务区和车辆事故的高速公路充电站规划方法，其特征在于，包括如下步骤：1)建立考虑服务区的充电站规划的数学模型，包括：分别建立目标函数和约束条件；2)通过考虑车辆事故的动态交通仿真方法得到车流量的分布，所述考虑车辆事故的动态交通仿真方法包括：基于蒙特卡洛的车辆事故抽样方法和高速公路车辆事故影响分析方法，是先通过事故频次和时空位置抽样，确定一天中发生事故的时间和路段，若当天未发生事故则采用路段传输模型进行分析；若出现车辆事故时即进行事故影响分析；3)根据车流量的分布建立充电等待时间模型，从而得到充电等待时间；4)根据车流量的分布和充电等待时间，采用改进遗传算法求解考虑服务区的充电站规划的数学模型。

【技术特征摘要】
1.一种考虑服务区和车辆事故的高速公路充电站规划方法，其特征在于，包括如下步骤：1)建立考虑服务区的充电站规划的数学模型，包括：分别建立目标函数和约束条件；2)通过考虑车辆事故的动态交通仿真方法得到车流量的分布，所述考虑车辆事故的动态交通仿真方法包括：基于蒙特卡洛的车辆事故抽样方法和高速公路车辆事故影响分析方法，是先通过事故频次和时空位置抽样，确定一天中发生事故的时间和路段，若当天未发生事故则采用路段传输模型进行分析；若出现车辆事故时即进行事故影响分析；3)根据车流量的分布建立充电等待时间模型，从而得到充电等待时间；4)根据车流量的分布和充电等待时间，采用改进遗传算法求解考虑服务区的充电站规划的数学模型。2.根据权利要求1所述的一种考虑服务区和车辆事故的高速公路充电站规划方法，其特征在于，步骤1)所述的目标函数为：max(P1+P2-C1-C2-C3-C4)(1)式中：P1为车辆充电收入；P2为乘客消费净收入；C1为充电桩建设成本；C2为停车场建设成本；C3为为乘客休息设施建设成本；C4为运行维护费用及其他配套设施建设成本；其中，(1)车辆充电收入P1的计算公式为：式中：n为新建充电站和服务区内规划的充电站数目之和；mi为第i个充电站在模拟周期内服务的车辆总数，Bj、SOCj分别为第i个充电站服务的第j辆车的电池容量和荷电状态；pc为充电电价。(2)乘客消费净收入P2的计算公式如下：式中：s为新建的充电站数目；mp为第p个新建充电站在模拟周期内服务的电动汽车总数；wq为第p个新建充电站服务的第q辆电动汽车的载客数；λ和bav分别为人均消费概率和金额；考虑到超市和餐厅需要一定成本购进商品，此处设置利润系数α，0＜α＜1，将乘客消费金额直接折算为净利润；(3)充电桩建设成本C1的计算公式如下：式中：n为新建充电站和服务区内规划的充电站数目之和；ri为第i个充电站建设的充电桩数目；pcha为单个充电桩价格；z为运行年限；(4)停车场建设成本C2的计算公式如下：式中：s为新建的充电站数目；qque，p为第p个充电站最大充电等待队列长度；ppark为单个停车位建设成本；z为运行年限；(5)乘客休息设施建设成本C3的计算公式如下：式中：s为新建的充电站数目；qque,p为第p个充电站最大充电等待队列长度；wav为电动汽车平均载客人数；β为乘客使用休息设施的概率；sav和pres分别为人均所需休息设施面积和单位面积休息设施建设成本；(6)运行维护费用及其他配套设施建设成本，包括配电变压器、线路建设费用以及充电设施维修费用，是由固定投资成本折算得到，C4的计算公式为：C4＝(C1+C2+C3)×σ(7)式中：σ为折算比例，取值为3％。3.根据权利要求1所述的一种考虑服务区和车辆事故的高速公路充电站规划方法，其特征在于，步骤1)所述的约束条件为：(1)对服务区内建设的充电站设置充电桩数量上限：ry≤rmax，y＝1,2,...,V(8)式中：V为规划区域内的服务区总数；ry为第y个服务区建设的充电桩数目；rmax为服务区内允许建设的最大充电桩数目；(2)充电等待时间约束，任一车辆的等待时间tw均满足：tw≤tw,max(9)式中：tw，max为最大充电等待时间。4.根据权利要求1所述的一种考虑服务区和车辆事故的高速公路充电站规划方法，其特征在于，步骤2)包括：(1)基于蒙特卡洛方法确定车辆事故发生的时间和地点结合车辆事故统计数据，通过蒙特卡洛抽样确定事故发生的时空位置，再利用路段传输模型进行分析，得到考虑车辆事故的车流分布；(1.1)事故频次抽样无事故时长在设定路段的概率分布函数为：式中：f(ta)表示事故发生时刻小于ta的概率；A为所述路段每年发生的车辆事故总数；e为自然底数，ta为事故发生时刻；由于1-F(t)为区间[0,1]内的数，即无事故时长tna通过抽样方法确定：式中：A为设定路段每年发生的车辆事故总数；R为[0,1]之间均匀分布的随机数；抽样时，若tna＞24，认为事故不属于当天；若tna≤24，再次进行抽样并将每次抽样得到的无事故时长tna进行相加，直至相加结果tna＞24，并对当天发生的事故总数ad进行统计；(1.2)事故时空位置抽样将总长度1分为24个长度不等的区间，每个区间代表1个小时，不同长度表示事故发生在该小时内的概率，生成[0,1]之间的随机数Rt，当所生成的随机数落在相应的区间时，即认为事故发生在该区间所在的时间段；(2)高速...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛少云，周昊，刘洪，李吉峰，张旭，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12