一种纯电动公交应用下的接驳公交线网优化及车队规模与充电桩数量同步优化方法技术

本发明专利技术公开了一种纯电动公交应用下的接驳公交线网优化及车队规模与充电桩数量同步优化方法，属于纯电动公交线网规划领域。包括步骤1：模型构建；步骤2：公交线网初始化；步骤3：适应度评价；步骤4：迭代优化算法设计；步骤5：线网优化方案；本发明专利技术适用于研究区域内的纯电动公交接驳线网规划，并同时对各线路的车队规模与部署充电桩数量进行优化。本发明专利技术致力于从理论层面对接驳地铁的纯电动公交线网进行优化，使其在地铁接驳中发挥重要的作用，并同时优化各路线的电动公交车队规模与充电桩数量，降低公交运输系统总成本，提高总体运营效益和供给能力，从而提高接驳公交系统的服务水平。平。平。

【技术实现步骤摘要】
一种纯电动公交应用下的接驳公交线网优化及车队规模与充电桩数量同步优化方法


[0001]本专利技术涉及一种纯电动公交应用下的接驳公交线网优化及车队规模与充电桩数量同步优化方法，属于纯电动公交线网规划领域。本专利技术适用于研究区域内的纯电动公交接驳线网规划，并同时对各线路的车队规模与部署充电桩数量进行优化。

技术介绍

[0002]我国城市化进程使得中、大型城市中地铁迅速发展，地铁服务已经延伸到公交密度相对较低的郊区；为了改善这些地区乘客的出行，就要求公交运营商不断调整公交线路网络，以便其与地铁顺利合作。然而，目前许多接驳线路的设计都主要依靠于主观判断、经验，缺乏理论基础。此外，随着公众越来越关注能源消耗和温室气体排放，电动汽车已经被广泛应用到城市公共交通系统，并且由于电动汽车的行驶里程有限且充电时间相对较长，因此电动汽车主要适用于短途线路，例如接驳公交线路等。然而将电动汽车引入到接驳公交系统仍然会给公交运营商带来一系列新的问题，例如电动公交的车队规模和充电场站中部署充电桩数量的确定等。
[0003]本专利技术致力于从理论层面对接驳地铁的纯电动公交线网进行优化，使其在地铁接驳中发挥重要的作用，并同时优化各路线的电动公交车队规模与充电桩数量，降低公交运输系统总成本，提高总体运营效益和供给能力，从而提高接驳公交系统的服务水平。

技术实现思路

[0004]本专利技术采用的技术方案为一种纯电动公交应用下的接驳公交线网优化及车队规模与充电桩数量同步优化方法，包括以下步骤：
[0005]步骤1：模型构建
[0006]考虑多种基于现实的约束条件，以公交运输系统总成本最小化为优化目标，构建了混合整数优化模型。
[0007]为了更加全面的描述此问题，本专利技术提出的约束条件如下：
[0008]约束1：路线走向约束。每条路线都是起始于场站，终止于地铁站。线路中都不能存在重复的站点，以避免线路中出现折返或局部环路。
[0009]约束2：线路长度约束。根据路网的规模，每条线路的长度应该在合理的范围之内。
[0010]约束3：站点全覆盖约束。为了提高社区内乘客出行的可达性，公交线网的服务范围需要覆盖所有的公交站点。
[0011]约束4：车辆容量限制。在每一条线路上，每个OD断面客流量不能超过运营车辆的最大载客量，这就要求每条线路必须设定最小的发车频率，以保证相应的服务水平。
[0012]约束5：充电桩限制。场站中的充电桩总数都不能大于其最高限制，以避免场站中电压供应不足。
[0013]约束6：场站面积限制。为了满足所有公交车辆夜间在场站泊车以及场站布设充电
桩等需求，规定场站中所有公交车辆与充电桩的占地面积之和不能大于场站面积。
[0014]本专利技术的目标函数主要包含乘客成本与运营商成本；其中乘客成本由等待成本与随车成本组成，运营商成本由车队规模成本与充电桩成本组成。具体可表示为：
[0015]min CT＝CU
W
+CU
I
+CS
F
+CS
C
ꢀꢀꢀꢀ
#(1)
[0016]式中，CT为总成本；CU
W
为乘客的等待成本；CU
I
为乘客的随车成本；CS
F
为运营商的车队规模成本；CS
C
为运营商的充电桩成本。
[0017]为计算乘客的随车成本，我们规定乘客都是选择对应出行时间最短的一条线路，因此乘客的随车成本可表示为：
[0018][0019]式中，M
ij
为乘客由i点到j的出行需求次数；为由i到j点的最短出行时间(因研究区域内存在多个地铁站，出行路径可能不经过乘客的目标地铁站，当这种情况发生时，假设乘客在地铁站换乘到达他们目标地铁站的线路。基于此，出行时间则需要考虑乘客在地铁中的随车时间)；γ
I
为乘客单位随车时间的成本。
[0020]乘客的等待成本主要与线路的发车间隔有关，可表示为：
[0021][0022]式中，H
l
为路线l的发车间隔；γ
W
是乘客单位等待时间的成本；是一个二进制变量，如果线路l是由i到j点的最短出行线路，则否则
[0023]运营商的车队规模成本与充电桩规模成本分别与其数量呈正相关，因此可表示为：
[0024][0025][0026]式中，F
l
为线路l的车队规模；n
l
为线路l的充电桩数量；γ
F
，γ
C
分别为经过转换后的运营商单个车辆和单个充电桩的拥有成本(包括购买、投资、维护和折旧费用等)；NW为线路集。
[0027]由上述内容可知，只有确定了各线路的充电桩数量、车队规模以及发车间隔，才能计算公交运输系统总成本。为此，本专利技术引入了一个系统容量有限的多服务台排队模型来计算各线路排队系统内的公交车数量(排队等待充电和正在充电的车辆数)，从而间接计算出各线路的发车间隔。
[0028][0029][0030]式中，为排队系统内没有公交车的概率；为排队系统内有n辆公交车的概率；λ
l
为线路l上单个公交车返回场站的到达率，λ
l
＝1/2T
l
，T
l
为线路l平均单程运营时间；μ
l
为在单位时间内线路l上单个充电桩所能服务车辆数的均值，μ
l
＝1/tc
l
，tc
l
为线路l上单个公交车的平均充电时间，为了便于研究，本专利技术规定公交车每往返一次都将返回场站充至满电，因此有关系tc
l
＝2αT
l
·
T
R
，α为公交车单位运营时间的耗电量；T
R
为公交车的充电速率。
[0031]基于式(6)
‑
(7)，排队系统内公交车数量的均值可表示为：
[0032][0033]因此，线路l的在途车辆数可表示为F
l
‑
F
′
l
，更进一步地，公交车发车间隔可表示为：
[0034][0035]基于式(6)
‑
(8)，可以发现排队系统内车辆数F
′
l
与该线路总车队规模F
l
之间的关系非常复杂，经过重复实验后发现：当给定充电桩数量时，F
l
的增加也会引起F
′
l
增加，并且F
′
l
的增长率要低于F
l
的增长率；故线路的在途车辆数也会随着F
l
增加而增加，因此，可以得到关系：增加F
l
会减小发车间隔H
l
和线路的乘客等待成本，然而运营商的车队规模成本会随着F
l
增加而线性增加。据上述分析，当线路给定充本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纯电动公交应用下的接驳公交线网优化及车队规模与充电桩数量同步优化方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤1：模型构建，考虑约束条件，以公交运输系统总成本最小化为优化目标，构建混合整数优化模型；优化目标的函数包含乘客成本与运营商成本；其中乘客成本由等待成本与随车成本组成，运营商成本由车队规模成本与充电桩成本组成；为计算乘客的随车成本，乘客都是选择对应出行时间最短的一条线路，确定各线路的充电桩数量、车队规模以及发车间隔，才能计算公交运输系统总成本；基于成本优化的车队规模与充电桩数量同步优化算法来同时确定各线路的车队规模、充电桩数量以及发车间隔；步骤2：公交线网初始化，基于拓扑网络，利用公交线网初始化算法生成满足所有约束条件的线网方案集合；s0，S1，S2分别表示公交场站，公交站点集合，地铁站点集合；NW表示当前线路方案集；R表示当前生成的线路；CS1表示当前线路方案集所覆盖到的公交站点集合；UCS1表示当前线路方案集还未覆盖到的公交站点集合；步骤3：适应度评价，由于公交线网会经过区域内的每一个公交站点，利用基于最短路径的客流分配方法来确定每条线路的客流量，计算方案的目标函数值；基于最短路径的客流分配方法是将每对客流出行需求OD分配到由O到D的最短的一条路径上；步骤4：迭代优化算法设计，使用遗传算法对公交线网进行迭代优化，在每次迭代开始时，选择算子会随机选择一组个体，将目标函数的倒数作为适应度函数：f＝1/CT；步骤5：线网优化方案，通过遗传算法对公交线网进行迭代优化，并获得优化后的公交线网方案，并给出该公交线网方案中每条线路的走向、发车间隔、充电桩数量以及车队规模数据信息。2.根据权利要求1所述的一种纯电动公交应用下的接驳公交线网优化及车队规模与充电桩数量同步优化方法，其特征在于：步骤1中的优化目标的函数中，具体表示为：minCT＝CU
W
+CU
I
+CS
F
+CS
C
ꢀꢀꢀ
(1)式中，CT为总成本；CU
W
为乘客的等待成本；CU
I
为乘客的随车成本；CS
F
为运营商的车队规模成本；CS
C
为运营商的充电桩成本。3.根据权利要求1所述的一种纯电动公交应用下的接驳公交线网优化及车队规模与充电桩数量同步优化方法，其特征在于：步骤1中的优化目标的函数中，乘客的随车成本表示为：式中，M
ij
为乘客由i点到j的出行需求次数；为由i到j点的最短出行时间；γ
I
为乘客单位随车时间的成本。4.根据权利要求1所述的一种纯电动公交应用下的接驳公交线网优化及车队规模与充电桩数量同步优化方法，其特征在于：步骤1中的优化目标的函数中，乘客的等待成本与线路的发车间隔有关，表示为：
式中，H
l
为路线l的发车间隔；γ
W
是乘客单位等待时间的成本；是一个二进...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊杰，黄天星，许琰，李同飞，邵越，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：