面向節(jié)能環(huán)保的充電樁數(shù)學(xué)分析

李昀久

摘要：當(dāng)今時(shí)期我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)正在以超常的發(fā)展速度向前邁進(jìn)，人們生活中的物質(zhì)條件發(fā)生了明顯的改善。但是在經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速推進(jìn)，人們的物質(zhì)需求獲得極大滿足的趨勢(shì)下，我們?nèi)祟惥幼〉牡厍颦h(huán)境及生態(tài)狀況亦出現(xiàn)了危急的局面?；诖?，如何利用科學(xué)技術(shù)來(lái)降低自然界的受污染程度，并巧妙運(yùn)用我們?nèi)祟愃莆盏目萍贾R(shí)特別是數(shù)學(xué)學(xué)科知識(shí)來(lái)服務(wù)于這一偉大的環(huán)保工程是我們當(dāng)前亟待解決的首要任務(wù)。本文對(duì)數(shù)學(xué)知識(shí)在節(jié)能環(huán)保充電樁建設(shè)中的應(yīng)用做以闡述。

關(guān)鍵詞：節(jié)能環(huán)保;充電樁建設(shè);數(shù)學(xué)應(yīng)用;方法

引言

汽車尾氣排放如今已成為我們國(guó)家絕大部分大中城市的頭等大氣環(huán)境污染源，為推進(jìn)我國(guó)的節(jié)能環(huán)保工業(yè)實(shí)現(xiàn)快速的發(fā)展，國(guó)家已經(jīng)推出了諸多的扶持政策。在扶持政策的趨勢(shì)下，我們的新能源電力汽車工業(yè)迎來(lái)了它的特有發(fā)展機(jī)遇。然而有業(yè)內(nèi)人士對(duì)此種情形做出過(guò)評(píng)定：“其是與國(guó)家推行補(bǔ)貼政策的最初愿望是相抵觸的。業(yè)內(nèi)人士必須意識(shí)到，補(bǔ)貼本身僅是國(guó)家臨時(shí)性的行為，節(jié)能型交通產(chǎn)品才是國(guó)家既定的發(fā)展目標(biāo)，不管國(guó)家是否給予永遠(yuǎn)的扶持都必須持久地堅(jiān)持下去，由此加大了我們利用科研來(lái)推進(jìn)節(jié)能交通產(chǎn)品研發(fā)的力度。”[1]

一、我國(guó)充電樁布局的數(shù)學(xué)特點(diǎn)

依據(jù)我國(guó)汽車行業(yè)組織內(nèi)部的相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國(guó)目前電動(dòng)交通工具的銷售量首度超出美國(guó)而躍居全球首位。圖1是有關(guān)新型節(jié)能汽車在2018～2030年銷售量的估判，由圖1中不難看到，新型節(jié)能汽車的現(xiàn)實(shí)銷售量呈現(xiàn)指數(shù)式擴(kuò)展，然而新型節(jié)能充電樁的建造卻遲遲未能達(dá)到現(xiàn)時(shí)電動(dòng)汽車充電的需求，同時(shí)關(guān)于充電樁的建設(shè)讓還顯現(xiàn)出了布局的不完整性及不恰當(dāng)性等眾多缺陷。因此，在現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的狀況下，規(guī)劃出適宜布局的充電樁占地，而且對(duì)初期布局的征地作出必要的遴選，真正實(shí)現(xiàn)充電樁設(shè)置區(qū)位的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性是極其的必要的。文章以我國(guó)南方某省會(huì)城市中的一個(gè)小區(qū)街口充電布局為例，對(duì)其建設(shè)充電站的地位選擇及容量確定展開數(shù)學(xué)建模分析，并擬定出對(duì)應(yīng)的充電樁建造容量方案。[2]

新型節(jié)能汽車市場(chǎng)前景預(yù)測(cè)（2017～2030年）

二、充電站建設(shè)數(shù)學(xué)依據(jù)

在2012年，有業(yè)內(nèi)專家BaeS等多位人士曾提出過(guò)針對(duì)電動(dòng)汽車充電站的建造布局應(yīng)同時(shí)匹配于當(dāng)?shù)毓方煌ǖ钠嚵髁看笮。簿褪侵冈谀骋凰查g電動(dòng)車輛在某段公路上通過(guò)的數(shù)目。2018年高雅靜等幾位先生等以整體費(fèi)用作為目標(biāo)性函數(shù)，以當(dāng)?shù)氐木唧w充電需求為基本依據(jù)對(duì)充電樁的地址選取做出科學(xué)性的優(yōu)化，擬定出了兩級(jí)選址篩選法。在2018年白國(guó)鵬等幾位業(yè)內(nèi)專家對(duì)充電樁建設(shè)中的地位選取及其關(guān)聯(lián)因素做出了系統(tǒng)而深入的研究，參考著眼前的政策需求，以及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展給充電樁建設(shè)所帶來(lái)的影響，進(jìn)而給出了充電樁建設(shè)中所必須遵循的四條基準(zhǔn)：即便捷性基準(zhǔn)，經(jīng)濟(jì)適用性基準(zhǔn)、可靠性基準(zhǔn)及可操作性基準(zhǔn)。2017年業(yè)內(nèi)專家艾欣等人針對(duì)城市內(nèi)電動(dòng)節(jié)能汽車充電樁的地位選擇及容量擬定要求，構(gòu)建出了兼顧充電企業(yè)運(yùn)營(yíng)需求、電動(dòng)節(jié)能汽車的充電業(yè)主、終端客戶以及電網(wǎng)系統(tǒng)等整體性利益的充電站站位選擇以及相關(guān)的定容數(shù)學(xué)模型，借助于仿真退火粒子族優(yōu)選算法來(lái)對(duì)其問(wèn)題做出求解過(guò)程，借助于算例結(jié)果說(shuō)明，選取所定算法可實(shí)現(xiàn)城市區(qū)域內(nèi)電動(dòng)節(jié)能型汽車充電樁區(qū)位選取的實(shí)際可操作性及實(shí)效性。有人曾針對(duì)現(xiàn)實(shí)呈現(xiàn)出的“車多無(wú)站，建站無(wú)車”情況，擬定出一款立足于客戶充電可完美實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)則的電動(dòng)節(jié)能型汽車充電樁建站布局方案。利用動(dòng)態(tài)型的規(guī)劃衡算法進(jìn)行求解并且由此來(lái)獲取到的電動(dòng)型汽車最低可實(shí)現(xiàn)的電容量，這兩項(xiàng)內(nèi)容均可用來(lái)輔助于充電站的服務(wù)項(xiàng)目選取;最終，運(yùn)用最微化的充電設(shè)施建造成本、最廣闊的充電站業(yè)務(wù)輻射體系，構(gòu)建充電樁選址的數(shù)學(xué)模型。[3]

相對(duì)于充電裝置的容量確定問(wèn)題，現(xiàn)在亦已經(jīng)有了很多的研究范例：2013年業(yè)內(nèi)人士葛少云先生等人在估算電動(dòng)節(jié)能型汽車的充電操作需求時(shí)，把路網(wǎng)系統(tǒng)中的交通容量利用每個(gè)交通路口的車行流量來(lái)取代，采用積分來(lái)估算充電負(fù)荷的需求，進(jìn)而依照其需求來(lái)判定本地域的充電容量。2014年業(yè)內(nèi)專家陳婷等幾位人士推出了遵從電網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃與具體配置為要求的定容數(shù)學(xué)模型。2016年盧芳專家對(duì)電動(dòng)節(jié)能汽車充電業(yè)務(wù)開展現(xiàn)狀做出了在定性及定量方面的研究工作，擬建出了電動(dòng)節(jié)能汽車充電樁前的排隊(duì)等候模型，進(jìn)而依據(jù)排隊(duì)狀況來(lái)對(duì)充電站機(jī)構(gòu)作出定容判斷。[4]

三、充電模型構(gòu)建

1.模型數(shù)據(jù)假設(shè)

電動(dòng)節(jié)能汽車的本地區(qū)保有量和本地區(qū)的居住人口密度大小成正向比例。其要求的充電站業(yè)務(wù)覆蓋區(qū)域半徑為450m。

2.充電裝置待建地域遴選數(shù)學(xué)模型

針對(duì)0-1數(shù)字分級(jí)規(guī)劃的定義和其基本形態(tài)的線性規(guī)劃問(wèn)題是說(shuō)研究線性化的控制標(biāo)準(zhǔn)下線性目標(biāo)函數(shù)求極值問(wèn)題的數(shù)學(xué)基本理論、求算方法。

3.模型實(shí)況

我們以某地4個(gè)地鐵站圍成的方形區(qū)域。在該區(qū)域中、選取、12個(gè)待建點(diǎn)分布在休閑區(qū)，住宅區(qū)，辦公區(qū)等區(qū)域，在圖中為紅色標(biāo)記點(diǎn)。

（1）對(duì)所有待建點(diǎn)進(jìn)行費(fèi)用和便利度打分，形成打分矩陣。對(duì)于每一個(gè)點(diǎn)的費(fèi)用等級(jí)，起步是2分，建立在停車場(chǎng)里面費(fèi)用減1，附近有學(xué)校商場(chǎng)等費(fèi)用加1;每個(gè)點(diǎn)的便利性，起步是2分，有商、辦公樓、小區(qū)等加1。

（2）確定待建點(diǎn)與需求點(diǎn)的距離，若距離≤400m，則dij=1;若距離大于400m，則dij=0。

（3）進(jìn)行0-1規(guī)劃問(wèn)題建模。利用Matlab進(jìn)行求解。

根據(jù)程序的結(jié)果可以得到，在待建點(diǎn)1、2、3、4、8、9、11、12建立充電站，可以保證每個(gè)需求點(diǎn)周圍400m都有充電站且費(fèi)用最低。

結(jié)語(yǔ)

隨著環(huán)保問(wèn)題日益嚴(yán)峻，政府大力推進(jìn)電動(dòng)車的普及，電動(dòng)車的比例都日益上升，因此如何合理科學(xué)地對(duì)充電站進(jìn)行布局便成為研究的重點(diǎn)。但之前的研究大多是以建設(shè)費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，只考慮了單一的變量。

參考文獻(xiàn)

[1]魏國(guó)，商慧杰，朱春波，逯仁貴.電動(dòng)汽車交流充電樁系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù).2012（21）.

[2]陳良亮，張浩，倪峰，朱金大.電動(dòng)汽車能源供給設(shè)施建設(shè)現(xiàn)狀與發(fā)展探討[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化.2011（14）.

[3]汪子夜.電動(dòng)汽車充電樁調(diào)度管理系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].電子科技大學(xué)2016.

[4]葉冠南.基于GPRS的智能充電樁數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].浙江工業(yè)大學(xué)2014.