鞠 晨, 奚培鋒, 李亞楠

[1.上海聯(lián)聯(lián)?？颇茉纯萍加邢薰? 上海 200063;2.上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司, 上海 200063]

0 引 言

近年來(lái),社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,電動(dòng)汽車作為一種優(yōu)良的節(jié)能環(huán)保通行方式受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用,而電動(dòng)汽車充電網(wǎng)絡(luò)的完善程度還遠(yuǎn)不及燃油車加油站網(wǎng)絡(luò)布局。因此,里程焦慮和不合理的充電站布局仍然是阻礙電動(dòng)汽車進(jìn)一步普及的重要因素[1-5]。在這樣的背景下,如何去合理布局電動(dòng)汽車充電站、提高投資收益等是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。專家學(xué)者針對(duì)充電站選址問(wèn)題開(kāi)展了一系列研究,如針對(duì)提升充電站選址服務(wù)效益、降低用戶充電成本和電網(wǎng)成本的充電站選址方法[6-11],考慮電動(dòng)汽車用戶出行習(xí)慣和充電需求的充電站選址方法[12-16],以及考慮城市充電站整體布局規(guī)劃優(yōu)化的充電站選址優(yōu)化方法[17-21]。

雖然目前電動(dòng)汽車充電站選址規(guī)劃已經(jīng)有諸多研究工作與成果,但仍存在以下問(wèn)題:① 沒(méi)有建立從供應(yīng)與需求側(cè)出發(fā)的、準(zhǔn)確完整的充電站選址體系;② 缺乏對(duì)實(shí)際充電需求的考慮,無(wú)法按需求大小匹配建站規(guī)模;③ 缺失周邊競(jìng)爭(zhēng)情況分析,導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)成本提高、獲客難度大等一系列不確定因素。針對(duì)以上問(wèn)題,本文提出一種電動(dòng)汽車充電站建站選址的多層次模糊綜合評(píng)估方法,從充電站選址目標(biāo)區(qū)域網(wǎng)格內(nèi)的充電樁供應(yīng)情況出發(fā),結(jié)合區(qū)域內(nèi)的興趣點(diǎn)(POI)數(shù)據(jù)分析目標(biāo)區(qū)域網(wǎng)格的潛在充電需求,綜合考慮目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的充電設(shè)施的實(shí)際供應(yīng)和當(dāng)前充電需求現(xiàn)狀,建立多層次模糊評(píng)估模型,在上海市真實(shí)充電數(shù)據(jù)上進(jìn)行算例,驗(yàn)證了模型的可行性與有效性,為城市電動(dòng)汽車充電站科學(xué)建站選址提供決策參考。

1 目標(biāo)位置需求側(cè)評(píng)估

本文介紹一種電動(dòng)汽車充電站建站選址的多層次模糊綜合評(píng)估方法,旨在研究區(qū)域內(nèi)電動(dòng)汽車充電站點(diǎn)的選址建站可行性,以及投建充電場(chǎng)站的充電樁規(guī)模,給出選址建站的綜合評(píng)估結(jié)果。首先,通過(guò)第三方地圖服務(wù)商API接口采集目標(biāo)區(qū)域網(wǎng)格內(nèi)的POI數(shù)據(jù),通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理得到區(qū)域的POI數(shù)據(jù)集,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)集進(jìn)行模型化分析得出區(qū)域內(nèi)潛在的充電需求大小。其次,依托公共充電樁大數(shù)據(jù)挖掘區(qū)域內(nèi)目前已建公共直流快充槍密度和實(shí)際的單槍日均充電量大小,準(zhǔn)確評(píng)估出區(qū)域內(nèi)的現(xiàn)有充電需求及需求滿足情況。最后,將區(qū)域內(nèi)潛在充電需求與實(shí)際的供應(yīng)側(cè)快充充電樁建設(shè)數(shù)據(jù)及運(yùn)營(yíng)情況相結(jié)合,評(píng)估出區(qū)域內(nèi)建設(shè)新充電站的可行性和可投建的充電樁數(shù)量規(guī)模,給出建站的綜合評(píng)估結(jié)果。

(1) 目標(biāo)區(qū)域的服務(wù)范圍設(shè)定。先將上海全域地圖網(wǎng)格化劃分,單位網(wǎng)格為邊長(zhǎng)500 m的正方形,每個(gè)單位網(wǎng)格的覆蓋面積為0.25 km2。選取目標(biāo)區(qū)域所處的單位網(wǎng)格為中心點(diǎn),從中心點(diǎn)往四周分別輻射四個(gè)網(wǎng)格,最終形成由81個(gè)邊長(zhǎng)為500 m的正方形構(gòu)成的總邊長(zhǎng)為4.5 km的正方形,以此作為目標(biāo)區(qū)域的服務(wù)覆蓋范圍,目標(biāo)區(qū)域的覆蓋服務(wù)面積約為20.25 km2。明確了服務(wù)覆蓋范圍,為數(shù)據(jù)采集框定了范圍與界限,才能準(zhǔn)確地反映目標(biāo)區(qū)域的實(shí)際區(qū)位條件與當(dāng)前建站情況。

依據(jù)目標(biāo)區(qū)域的服務(wù)范圍,通過(guò)高德地圖API接口提取目標(biāo)區(qū)域服務(wù)范圍內(nèi)的POI數(shù)據(jù)。選取了對(duì)交通出行、充電需求具有較大吸引力的十項(xiàng)一級(jí)分類的POI數(shù)據(jù),包含商務(wù)住宅、交通設(shè)施服務(wù)、購(gòu)物服務(wù)、醫(yī)療保健服務(wù)、餐飲服務(wù)、道路附屬設(shè)施、住宿服務(wù)、科教文化服務(wù)、體育休閑服務(wù)、風(fēng)景名勝。本實(shí)施方案中除選取高德地圖POI數(shù)據(jù)的10項(xiàng)一級(jí)分類外,還篩選出了其下設(shè)的67項(xiàng)二級(jí)分類數(shù)據(jù),235項(xiàng)三級(jí)數(shù)據(jù)分類。

(2) POI數(shù)據(jù)綜合評(píng)分體系。將采集到的POI數(shù)據(jù),依據(jù)一級(jí)分類的屬性,按照對(duì)交通需求吸引的大小差異,配比不同的權(quán)重值。POI類別權(quán)重如表1所示。商務(wù)住宅、交通設(shè)施服務(wù)、購(gòu)物服務(wù)、醫(yī)療保健服務(wù)、餐飲服務(wù)權(quán)重配比均為0.15,這5類能帶來(lái)的潛在交通需求以及充電需求較大;道路附屬設(shè)施、住宿服務(wù)、科教文化服務(wù)、體育休閑服務(wù)、餐飲服務(wù)權(quán)重配比均為0.05,這5類能帶來(lái)的潛在交通需求以及充電需求次之。將采集到的POI數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,處理方法可定義為如下公式:

表1 POI類別權(quán)重

(1)

R值越高代表目標(biāo)區(qū)域潛在充電需求越高。目標(biāo)區(qū)塊POI模糊綜合評(píng)估評(píng)語(yǔ)集如表2所示。

表2 目標(biāo)區(qū)塊POI模糊綜合評(píng)估評(píng)語(yǔ)集

(3) POI數(shù)據(jù)聚類分析。為了能挖掘POI數(shù)據(jù)特征,進(jìn)一步采用K-means聚類算法,聚類算法將繁雜的POI分類數(shù)據(jù)用聚類的方法把具有相似特征的目標(biāo)地塊聚合為同一簇類,每個(gè)地塊簇的POI數(shù)據(jù)特征相似,不在同一個(gè)地塊群集的地塊POI數(shù)據(jù)特征差異性大,結(jié)合地塊簇和POI綜合評(píng)分,為最終的建站策略提供分析依據(jù)。K-means的核心目標(biāo)是將給定的數(shù)據(jù)集劃分成K個(gè)簇(K是超參數(shù),可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定,根據(jù)聚類結(jié)果調(diào)整),并計(jì)算出每個(gè)樣本數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的中心點(diǎn)。具體計(jì)算方法分為3步。

② 各個(gè)樣本距離所屬簇中心點(diǎn)的誤差平方和,定義為模型的損失函數(shù),具體如下:

(2)

式中:xi——第i個(gè)樣本點(diǎn)坐標(biāo);ci——xi所屬的簇;μci——簇對(duì)應(yīng)的中心點(diǎn);M——樣本總數(shù)。

③ 令t為迭代步數(shù),t=0,1,2,…,重復(fù)如下過(guò)程直到J滿足收斂條件。

對(duì)于每一個(gè)樣本xi,將其分配到距離最近的中心:

(3)

對(duì)于每一類中心k,重新計(jì)算該類的中心:

(4)

通過(guò)K-means聚類分析后,選用了4類POI數(shù)據(jù)特征相似的地塊簇,即K=4。擬采用地理位置特征分別將4類地塊簇命名為熱點(diǎn)區(qū)域、高潛力區(qū)域、較低潛力區(qū)域、低潛力區(qū)域,記為Q值。POI數(shù)據(jù)聚類分析模糊綜合評(píng)估評(píng)語(yǔ)集如表3所示。

表3 POI數(shù)據(jù)聚類分析模糊綜合評(píng)估評(píng)語(yǔ)集

2 目標(biāo)位置供應(yīng)側(cè)評(píng)估

目標(biāo)區(qū)域覆蓋服務(wù)范圍內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)情況提取。本實(shí)施方案中依托接入上海市公共充電樁市級(jí)平臺(tái)的眾多運(yùn)營(yíng)商靜態(tài)數(shù)據(jù),計(jì)算出目標(biāo)區(qū)域服務(wù)范圍內(nèi)的單位平方公里的公共直流充電槍數(shù)量,已投建運(yùn)營(yíng)的充電槍的數(shù)量多少代表了實(shí)際目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)弱,記為U值。單位平方公里直流充電槍數(shù)量模糊綜合評(píng)估評(píng)語(yǔ)集如表4所示。單位平方公里大于30個(gè)直流槍代表區(qū)域內(nèi)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng),單位平方公里直流槍10～30個(gè)代表競(jìng)爭(zhēng)較強(qiáng),單位平方公里直流槍為1～10個(gè)直流槍,代表競(jìng)爭(zhēng)小,單位平方公里直流槍為0個(gè)代表空白區(qū)域沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)。

表4 單位平方公里直流充電槍數(shù)量模糊綜合評(píng)估評(píng)語(yǔ)集

目標(biāo)區(qū)域覆蓋范圍內(nèi)實(shí)際充電需求現(xiàn)狀評(píng)估。依托接入上海市公共充電樁市級(jí)平臺(tái)的眾多運(yùn)營(yíng)商的充電訂單數(shù)據(jù),選取近半年內(nèi)滿足連續(xù)運(yùn)營(yíng)場(chǎng)站,并排除離群值。依據(jù)采集到的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)測(cè)算出目標(biāo)區(qū)域服務(wù)范圍內(nèi)直流充電槍的單槍日均充電量。單槍日均充電量能夠直接、準(zhǔn)確地反映出單位充電槍的運(yùn)營(yíng)效率、實(shí)際的充電需求大小,是計(jì)算回本周期的關(guān)鍵指標(biāo)之一。單槍日均充電量模糊綜合評(píng)估評(píng)語(yǔ)集如表5所示。

表5 單槍日均充電量模糊綜合評(píng)估評(píng)語(yǔ)集

站點(diǎn)直流充電槍的單槍功率為60 kW時(shí),充電槍單槍日均充電量大于165 kW·h,代表充電場(chǎng)站運(yùn)營(yíng)效果良好,回本周期短,能夠拿到最高的充電站運(yùn)營(yíng)補(bǔ)貼,且如果時(shí)間利用率大于20%,那么代表站點(diǎn)部分時(shí)段存在充電排隊(duì)等待的情況,同時(shí)滿足兩個(gè)條件的目標(biāo)地塊評(píng)級(jí)為A+。評(píng)為A+的地塊表示其周邊充電需求足夠且穩(wěn)定,在這樣的地塊投建充電場(chǎng)站,不會(huì)給區(qū)域內(nèi)已建成運(yùn)營(yíng)的充電場(chǎng)站帶來(lái)太大沖擊,進(jìn)而造成惡性競(jìng)爭(zhēng)。

單槍日均充電量介于130～165 kW·h之間,代表充電場(chǎng)站運(yùn)營(yíng)效果尚可,回本周期較短,區(qū)域內(nèi)已建成運(yùn)營(yíng)的充電場(chǎng)站總體滿足現(xiàn)有充電需求,這類地塊評(píng)級(jí)為A。評(píng)為A級(jí)的地塊代表了充電需求尚可,但與A+級(jí)地塊有一定差距,在這樣的地塊投建充電場(chǎng)站,需要有一定的競(jìng)爭(zhēng)力,如靈活的運(yùn)營(yíng)策略、良好的充電環(huán)境、配套設(shè)施齊全等。

單槍日均充電量介于90～130 kW·h,代表充電場(chǎng)站運(yùn)營(yíng)效果一般,整體回本周期較慢,這類地塊評(píng)級(jí)為B。評(píng)級(jí)為B級(jí)的地塊代表了區(qū)域內(nèi)的充電需求較少,這類地塊暫時(shí)不建議投建新場(chǎng)站。

單槍日均充電量介于1～90 kW·h,代表充電場(chǎng)站運(yùn)營(yíng)效果較差,回本周期較長(zhǎng),這類地塊評(píng)級(jí)為C。評(píng)級(jí)為C級(jí)的地塊代表了充電需求極少,這類地塊暫時(shí)不建議投建新場(chǎng)站。

沒(méi)有公用場(chǎng)站或者沒(méi)有直流充電槍這類地塊評(píng)級(jí)為D。這類地塊屬于空白區(qū)域,還需結(jié)合POI數(shù)據(jù)的分析結(jié)果,判斷區(qū)域內(nèi)是否有潛在可挖掘的充電需求,最終評(píng)估潛在需求大小是否值得投建充電場(chǎng)站,補(bǔ)充空白區(qū)域的充電資源,并制定建站策略。

將單槍日均充電量的評(píng)級(jí)結(jié)果記為E值。依據(jù)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的各項(xiàng)指標(biāo)值計(jì)算綜合得分,綜合分值記為P。本發(fā)明中4項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)設(shè)為同一值,綜合分值計(jì)算公式如下:

P=0.25×R+0.25×Q+0.25×U+0.25×E

本發(fā)明綜合考慮目標(biāo)區(qū)域的需求預(yù)估、實(shí)際直流充電槍密度以及最重要的實(shí)際產(chǎn)生的充電量大小,全面衡量綜合因素,最終得出目標(biāo)區(qū)域是否合適建站以及可建站的規(guī)模大小。

3 算例分析

選取上海地區(qū)的585個(gè)目標(biāo)點(diǎn)位作為基礎(chǔ),繪制地圖,目標(biāo)地塊地區(qū)分布圖如圖1所示。

圖1 目標(biāo)地塊地區(qū)分布圖

確定這些目標(biāo)地塊的服務(wù)范圍。所有目標(biāo)地塊的服務(wù)范圍如圖2所示,每個(gè)藍(lán)色方塊代表1個(gè)地塊的服務(wù)范圍,也是之后數(shù)據(jù)選取的依據(jù)。

圖2 所有目標(biāo)地塊的服務(wù)范圍

目標(biāo)地塊的POI數(shù)據(jù)提取,共選取了10項(xiàng)一級(jí)分類,包含商務(wù)住宅、交通設(shè)施服務(wù)、購(gòu)物服務(wù)、醫(yī)療保健服務(wù)、餐飲服務(wù)、道路附屬設(shè)施、住宿服務(wù)、科教文化服務(wù)、體育休閑服務(wù)、風(fēng)景名勝。共查詢采集到10項(xiàng)一級(jí)分類,67項(xiàng)二級(jí)分類,235項(xiàng)三級(jí)分類,涵蓋了585個(gè)目標(biāo)地塊服務(wù)范圍內(nèi)的463 466條相關(guān)POI分類數(shù)據(jù)。

依據(jù)POI數(shù)據(jù)綜合評(píng)分標(biāo)準(zhǔn),匯總所有地塊的評(píng)星結(jié)果,得知585個(gè)目標(biāo)地塊中,5星地塊有62個(gè),占比10.60%,4星地塊有227個(gè),占比38.80%,3星地塊有134個(gè),占比22.91%,2星地塊有101個(gè),占比17.26%,1星地塊有61個(gè),占比10.43%。通過(guò)綜合分析各星級(jí)占比,得知所有地塊的整體星級(jí)偏高,3星及3星以上的地塊數(shù)量占比70%以上,其中3星、4星地塊數(shù)量最多,占比約為總量的60%以上。

通過(guò)聚類分析的方法,將所有地塊進(jìn)行聚類分析評(píng)估。各地塊POI數(shù)據(jù)聚類分析結(jié)果如圖3所示。擬采用地理位置特征分別將4類地塊簇命名為熱點(diǎn)區(qū)域、高潛力區(qū)域、較低潛力區(qū)域、低潛力區(qū)域。其中熱點(diǎn)區(qū)域的地塊集群,代表了周邊區(qū)域條件優(yōu)越,各類POI眾多。高潛力區(qū)域的地塊簇代表了區(qū)域條件次優(yōu),屬于POI較多的地塊。較低潛力區(qū)域的地塊簇代表了區(qū)域資源配置等條件普通,POI較少的地塊。低潛力區(qū)域的地塊簇代表了目標(biāo)區(qū)域的商業(yè)資源與住宅密度較小,為POI稀少的地塊。

圖3 各地塊POI數(shù)據(jù)聚類分析結(jié)果

目標(biāo)地塊周邊競(jìng)爭(zhēng)分析。經(jīng)過(guò)測(cè)算,目標(biāo)地塊服務(wù)范圍內(nèi)每平方公里直流充電槍密度如圖4所示。所有目標(biāo)地塊中,每平方公里直流充電槍數(shù)量大于30個(gè)的目標(biāo)地塊有57個(gè),占比全量的9.7%,這類地塊充電資源豐富,直流充電槍非常密集,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)非常激烈;每平方公里10～30個(gè)直流充電槍的目標(biāo)地塊有217個(gè),占全量的37.1%,這類地塊充電資源相對(duì)較為豐富,直流充電槍較為密集,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈;每平方公里1～10個(gè)直流充電槍的目標(biāo)地塊有265個(gè),占比全量的45.3%,這類地塊數(shù)量最多,表現(xiàn)為充電資源較少,直流充電槍較為稀疏,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)相對(duì)較小;每平方公里0個(gè)直流充電槍的目標(biāo)地塊有46個(gè),占比全量的7.9%,這類目標(biāo)地塊服務(wù)范圍內(nèi)沒(méi)有直流充電槍,直流快充資源匱乏,基本不存在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。

圖4 目標(biāo)地塊服務(wù)范圍內(nèi)每平方公里直流充電槍密度

目標(biāo)地塊服務(wù)范圍內(nèi)單槍日均充電量分布如圖5所示,585個(gè)目標(biāo)地塊中A+類地塊有36個(gè),占比全量的6.2%,A類地塊有60個(gè),占比全量的10.3%,B類地塊有180個(gè),占比全量的30.8%,C類地塊有224個(gè),占比全量的38.3%,D類地塊有85個(gè),占比全量的14.5%。最后結(jié)合需求側(cè)、供應(yīng)側(cè)多角度、多層次的分析,最終得出每個(gè)目標(biāo)地塊的建站策略。

圖5 目標(biāo)地塊服務(wù)范圍內(nèi)單槍日均充電量分布

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用層次分析法與模糊綜合評(píng)估法,綜合考慮潛在的需求預(yù)估與目標(biāo)區(qū)域內(nèi)實(shí)際建設(shè)現(xiàn)狀,引入了充電站服務(wù)范圍即目標(biāo)區(qū)域,限定了充電站實(shí)際的服務(wù)范圍,構(gòu)建了一個(gè)四層綜合評(píng)估模型,從供需兩個(gè)層面對(duì)選址地進(jìn)行綜合評(píng)估,得出與目標(biāo)區(qū)域?qū)嶋H情況相匹配的充電站投建策略,并在選址建站咨詢項(xiàng)目中驗(yàn)證了方法的有效性。通過(guò)需求側(cè)與供應(yīng)側(cè)的全方法評(píng)估與分析,能極大地降低了投資風(fēng)險(xiǎn),縮短了投資回本周期,并且合理利用公共電力網(wǎng)絡(luò)資源,避免部分區(qū)域由于盲目建站導(dǎo)致有限的資源浪費(fèi)。