安科瑞 陳聰

摘要：新能源汽車逐漸進(jìn)入大眾的日常生活中,針對其充電樁在城市中因布局不合理、資源分配不均衡而造成的利用率低下等問題,本文以駐馬店市充電樁為研究對象,利用地理信息系統(tǒng)(GIS)的空間分析技術(shù),對駐馬店市目前的充電設(shè)施布局進(jìn)行分析,通過空間可達(dá)性分析選擇合適的候選點(diǎn),通過距離模型將兩種方案進(jìn)行對比分析,發(fā)現(xiàn)駐馬店市公共充電樁的布局問題并提出建議。研究結(jié)果表明:駐馬店市公共充電樁存在大量的服務(wù)空白區(qū)域,且候選點(diǎn)比現(xiàn)有公共充電樁距需求點(diǎn)的距離更近。論文研究結(jié)果可為駐馬店市充電樁空間布局決策提供支持。

關(guān)鍵詞　距離模型　空間分析　公共充電樁　新能源汽車

0引言

近年來,全球范圍內(nèi)對新能源汽車產(chǎn)業(yè)的推動力度不斷增強(qiáng),中國新能源汽車市場也呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的勢頭,在政策與市場的共同推動下,新能源汽車銷量持續(xù)增長。然而,據(jù)中國充電聯(lián)盟數(shù)據(jù)顯示,充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后于新能源汽車數(shù)量增長的現(xiàn)狀導(dǎo)致充電樁供需不平衡,公共充電樁服務(wù)空白區(qū)域的問題亟待解決。

在國內(nèi)外部分學(xué)者關(guān)于充電樁布局選址的研究中,主要構(gòu)建了充電樁的建設(shè)投資成本、充電樁的運(yùn)營和維護(hù)成本、網(wǎng)損成本三者總成本的目標(biāo)規(guī)劃模型;考慮新能源汽車用戶的行為習(xí)慣,以充電需求為衡量指標(biāo),利用免疫算法構(gòu)建充電樁的布局規(guī)劃;根據(jù)新能源汽車的用戶實(shí)際要求、充電樁的投資資本等要素建立了城市快速充電樁的布局優(yōu)化模型;主要考慮了運(yùn)用快慢速充電樁的充電所需的時(shí)間差,構(gòu)建了排隊(duì)論研究模型;運(yùn)用馬爾可夫鏈和時(shí)空模型預(yù)測城市新能源汽車充電需求,探討布局規(guī)劃。

研究發(fā)現(xiàn),國內(nèi)外新能源汽車公共充電樁所面臨的布局問題相似,本文結(jié)合公共充電樁類型、選址原則和用戶需求等方面因素,通過GIS分析和布局優(yōu)化,可有效減小候選點(diǎn)到需求點(diǎn)距離,從而解決充電困難和服務(wù)空白的問題,為新能源汽車發(fā)展提供理論支持。

1駐馬店市公共充電樁布局現(xiàn)狀分析

1.1　數(shù)據(jù)處理

本文以駐馬店市新能源汽車公共充電樁為研究對象,通過高德地圖API平臺獲取充電樁經(jīng)緯度和邊界坐標(biāo),利用PyCharm進(jìn)行興趣點(diǎn)(POI)處理。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcMap,統(tǒng)計(jì)駐馬店市新能源汽車公共充電樁位置,見表1。

表1駐馬店市新能源汽車充電樁分布情況表

1.2緩沖區(qū)分析

1.2.1影響因子分析

本文根據(jù)駐馬店市充電樁的布局規(guī)劃原則,以及充電樁本身的公共性質(zhì),主要選擇了以下四項(xiàng)作為充電樁選址分析的單個(gè)因素:商場人流量大,電容大,適合建設(shè)充電樁;幼兒園校車多為電動車,建設(shè)快充樁提高接送效率;停車場具有公共性質(zhì),適合建設(shè)充電樁;公園自然基礎(chǔ)好,空間寬闊,是建設(shè)大型公共充電樁的。

1.2.2　緩沖區(qū)的建立

通過線上收集駐馬店市的所有公共設(shè)施的POI數(shù)據(jù)并篩選得到6萬多條數(shù)據(jù),只選取其中四類公共設(shè)施(商場、幼兒園、停車場、公園)進(jìn)行緩沖區(qū)的建立,得到適合的數(shù)據(jù),并將

其在GIS中可視化。根據(jù)駐馬店市充電樁的布局規(guī)劃原則,以及充電樁本身的公共性質(zhì),結(jié)合其余網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)調(diào)查,大部分車主在充電結(jié)束后,再次步行到達(dá)充電樁取車的滿意距離是1000m以內(nèi),兩者間的步行距離越短越好,因此,對于停車場、幼兒園等有特殊需求的場所,將緩沖區(qū)半徑設(shè)置在800m以內(nèi),百貨商場、公園的緩沖區(qū)半徑設(shè)為1000m。

通過緩沖區(qū)分析,對驛城區(qū)而言,有92%的現(xiàn)有公共充電樁處于四種緩沖區(qū)域的中心,但仍有少量現(xiàn)有公共充電樁零散分布在區(qū)域外,導(dǎo)致部分充電樁出現(xiàn)服務(wù)空白區(qū)域,造成資源浪費(fèi)。

對百貨商場而言,以1000m作為百貨商場緩沖區(qū)的需求半徑,在此需求范圍內(nèi)并未放置公共充電樁的現(xiàn)象在上蔡縣和西平縣北部有明顯體現(xiàn)。

對公園而言,除了其余區(qū)縣現(xiàn)有公共充電樁存在服務(wù)空白現(xiàn)象之外,在確山縣中,并無現(xiàn)有充電樁出現(xiàn)在公園的需求范圍之內(nèi)。

1.3　疊加分析

以駐馬店市為例,以充電樁為點(diǎn)元素,將其與原有的幾個(gè)元素相結(jié)合,構(gòu)建出一個(gè)新的元素圖層,利用疊加在空間位置的空間特征信息和屬性信息之間的相互關(guān)系,再結(jié)合對點(diǎn)元素的

提取,確定相應(yīng)的圖斑信息,充電樁就會產(chǎn)生新的空間屬性關(guān)系和新的特征關(guān)系,并進(jìn)行疊加分析。

任意兩個(gè)緩沖區(qū)相交得出的黃色區(qū)域,可以得出有部分黃色區(qū)域內(nèi)并無充電樁覆蓋,而在其他地區(qū),新能源汽車公共充電樁存在較大的服務(wù)空白區(qū)域,充電樁存在建設(shè)選址不合理的情況。

將百貨商場、公園、幼兒園以及停車場四種需求點(diǎn)所構(gòu)成的緩沖區(qū)進(jìn)行相交,可以發(fā)現(xiàn)仍有大量新能源汽車公共充電樁并不在相交區(qū)域內(nèi),表明公共充電樁的服務(wù)范圍并不覆蓋四種緩沖區(qū)域相交所得到的需求范圍,除驛城區(qū)主城區(qū)之外,其余區(qū)縣均能看到明顯的該現(xiàn)象,而驛城區(qū)主城區(qū)的公共充電樁覆蓋情況明顯高于其他地區(qū)。

1.4　分析結(jié)果

利用GIS的緩沖區(qū)分析與疊加分析,再結(jié)合四種需求點(diǎn)(百貨商場、公園、幼兒園、停車場)的要求,通過上述方法,對駐馬店市現(xiàn)有的新能源汽車公共充電樁進(jìn)行布局分析,結(jié)果表明:駐馬店市現(xiàn)有的新能源汽車公共充電樁中85%存在集中分布的情況,其余少量現(xiàn)有公共充電樁存在較大的服務(wù)空白區(qū)域,各個(gè)區(qū)域之間公共充電樁布局不平衡,存在資源浪費(fèi)情況。

2駐馬店市公共充電樁布局優(yōu)化

2.1　現(xiàn)有公共充電樁的篩選

首先,以驛城區(qū)為例,篩選現(xiàn)有公共充電樁,利用OSM地圖路網(wǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS,結(jié)合實(shí)際情況排除政府內(nèi)部、物流園等弱公共充電樁。再排除暫?；虿粚ν忾_放的充電樁,終選出14個(gè)新能源汽車公共充電樁作為研究對象,并通過Python爬取經(jīng)緯度信息導(dǎo)入GIS中顯示。

2.2　選取新建充電樁的候選點(diǎn)

同一類要素的緩沖區(qū)確定中心點(diǎn)時(shí),其中心點(diǎn)在整個(gè)駐馬店市的地圖上出現(xiàn),因研究區(qū)域僅選取在驛城區(qū),且一類要素緩沖區(qū)只有一個(gè)中心點(diǎn),因此為了保證同一類要素不同位置緩沖區(qū)的中心點(diǎn)計(jì)算的準(zhǔn)確性,需要在前期把每個(gè)獨(dú)立的緩沖區(qū)拆分成單個(gè)圖層,再將每個(gè)獨(dú)立的緩沖區(qū)利用疊置分析的相交功能依次進(jìn)行疊加相交,即可得到獨(dú)立的中心點(diǎn),這樣才能得到同一類要素中不同緩沖區(qū)的全部中心點(diǎn),見表2。

表2需求因子緩沖區(qū)相交所確定的中心點(diǎn)數(shù)量表

通過四個(gè)緩沖區(qū)的相交,相交區(qū)域所得到的中心點(diǎn)即為適合建造驛城區(qū)充電樁的位置,即四交候選點(diǎn)。分別將其中三個(gè)緩沖區(qū)進(jìn)行相交,相交區(qū)域所得到的中心點(diǎn)即為特別適合建造驛城區(qū)充電樁的位置,即三交候選點(diǎn)。利用兩個(gè)因子相交得到的中心點(diǎn)即為較適合建造驛城區(qū)充電樁的位置,即二交候選點(diǎn)。單個(gè)因子則是一般的建造驛城區(qū)充電樁的位置。為了保證新建公共充電樁的候選點(diǎn)能夠滿足周圍的需求,也是為了保證新建公共充電樁具有較高的公共性,因而只考慮二交、三交、四交緩沖區(qū)所確定的中心點(diǎn),不考慮單個(gè)因子緩沖區(qū)所確定的中心點(diǎn)。

2.3　選取合適的需求點(diǎn)

公共充電樁設(shè)施選址過程復(fù)雜是多種因素綜合影響的結(jié)果,不同種類的公共服務(wù)設(shè)施的影響因素相似。在前期布局分析時(shí),提到了四種需求因子:百貨商場、公園、幼兒園、停車場。為了方便做優(yōu)化分析,通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)采訪數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)以及實(shí)際走訪,制定出該需求因子重要性強(qiáng)度值,見表3。這里選擇有公共性質(zhì)較強(qiáng)的百貨商場和有特殊需求的幼兒園兩種作為需求參考點(diǎn),將驛城區(qū)內(nèi)的百貨商場和幼兒園單獨(dú)提取出來作為本次布局優(yōu)化的需求參考點(diǎn)。

表3需求因子的重要性強(qiáng)度

2.4空間可達(dá)性分析

空間可達(dá)性是一個(gè)與充電樁布局緊密聯(lián)系的概念。簡單地說,空間可達(dá)性是指從一個(gè)地點(diǎn)到達(dá)另一個(gè)地點(diǎn)的便利程度,它與起點(diǎn)、終點(diǎn)以及交通條件相關(guān),通常用距離、旅行時(shí)間或旅行費(fèi)用來表示?？臻g可達(dá)性在公共設(shè)施的空間規(guī)劃中得到了廣泛的應(yīng)用。

空間可達(dá)性指標(biāo)能更好地體現(xiàn)用戶獲得公共充電樁的便利程度和公平性,考慮公共充電樁布局規(guī)劃需求點(diǎn)到充電樁的行駛距離,服務(wù)半徑盡可能大,覆蓋需求點(diǎn)數(shù)量越多越好。這些準(zhǔn)則有助于提高公共基礎(chǔ)充電設(shè)施的資源利用率和布局規(guī)劃的可達(dá)性。

2.5　候選點(diǎn)的緩沖區(qū)分析

選取二、三、四種需求因子緩沖區(qū)相交的中心點(diǎn),作為新建公共充電樁的候選點(diǎn),根據(jù)河南省發(fā)布的《河南省加快電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的若干政策》,其他城市核心區(qū)公共充電設(shè)施服務(wù)半徑小于2km,在本次布局優(yōu)化中,設(shè)置新建公共充電樁候選點(diǎn)的服務(wù)半徑為2km,即做緩沖半徑為2km的緩沖區(qū)分析。所有兩種需求因子緩沖區(qū)相交的中心點(diǎn)在此稱二交候選點(diǎn),其緩沖區(qū)稱二類緩沖區(qū),因研究區(qū)域僅在驛城區(qū),因此對驛城區(qū)之外的緩沖區(qū)域均采取切割操作。

2.6　距離模型

為了更好地采用空間可達(dá)性概念對新建公共充電樁的候選點(diǎn)進(jìn)行布局分析,選取空間可達(dá)模型中的距離模型進(jìn)行分析,距離模型是從需求點(diǎn)出發(fā)到達(dá)近公共充電樁的距離、時(shí)間或費(fèi)用。對居民而言,距離是一個(gè)重要的阻礙因素。距離成本會影響居民對服務(wù)設(shè)施的選擇。ArcGIS的鄰近度分析能夠確定距任何一個(gè)需求點(diǎn)。近的公共充電樁,并計(jì)算兩者之間的距離。為了能夠更準(zhǔn)確地體現(xiàn)新建充電樁對需求點(diǎn)的服務(wù)公平性和便捷程度,在使用距離模型分析時(shí),需提前對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,選取篩選后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

需求點(diǎn)為百貨商場時(shí),二交、三交、四交候選點(diǎn)分別10個(gè)、5個(gè)、5個(gè),所生成的二交、三交、四交緩沖區(qū)包括的百貨商場的數(shù)量分別為15個(gè)、16個(gè)、33個(gè),選取3號、9號、15號百貨商場進(jìn)行對比分析(表4)。

表4候選點(diǎn)和現(xiàn)有公共充電樁到需求點(diǎn)的距離對比表

由表4可知,表中“無”指當(dāng)前緩沖區(qū)內(nèi)并無該商場。二交、三交、四交候選點(diǎn)距3個(gè)百貨商場的距離均小于驛城區(qū)現(xiàn)有公共充電樁距3個(gè)百貨商場的平均距離,說明新建公共充電樁的便捷程度要高于現(xiàn)有公共充電樁。需求點(diǎn)為幼兒園時(shí),二交、三交、四交候選點(diǎn)分別10個(gè)、5個(gè)、5個(gè),所生成的二交、三交、四交緩沖區(qū)包括的幼兒園的數(shù)量分別為83個(gè)、84個(gè)、158個(gè),選取192號、204號、205號、214號幼兒園進(jìn)行對比分析(表5)。

表5候選點(diǎn)和現(xiàn)有公共充電樁到需求點(diǎn)的距離對比表(m)

由表5可知,二交、三交、四交候選點(diǎn)距4個(gè)幼兒園的距離均小于驛城區(qū)現(xiàn)有公共充電樁距4個(gè)幼兒園的平均距離,說明新建公共充電樁的便捷程度要高于現(xiàn)有公共充電樁。

3安科瑞充電樁收費(fèi)運(yùn)營云平臺系統(tǒng)選型方案

3.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費(fèi)運(yùn)營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統(tǒng)的電動電動自行車充電站以及各個(gè)充電整法行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)控充電樁運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行充電服務(wù)、支付管理，交易結(jié)算，資要管理、電能管理，明細(xì)查詢等。同時(shí)對充電機(jī)過溫保護(hù)、漏電、充電機(jī)輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進(jìn)行預(yù)警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

3.2應(yīng)用場所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實(shí)業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學(xué)校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)。

3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)分為四層：

1）即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)層和客戶端層。

2）數(shù)據(jù)采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù)，并進(jìn)行電能計(jì)量和保護(hù)。

3）網(wǎng)絡(luò)傳輸層：通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

4）數(shù)據(jù)層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器部署數(shù)據(jù)采集服務(wù)、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務(wù)器部署實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

5）應(yīng)客戶端層：系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費(fèi)平臺。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動充電。

小區(qū)充電平臺功能主要涵蓋充電設(shè)施智能化大屏、實(shí)時(shí)監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計(jì)分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能，同時(shí)為運(yùn)維人員提供運(yùn)維APP，充電用戶提供充電小程序。

3.4安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能

3.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點(diǎn)分布情況，對設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用率、充電次數(shù)、充電時(shí)長、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示，同時(shí)可查看每個(gè)站點(diǎn)的站點(diǎn)信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統(tǒng)一管理小區(qū)充電樁，查看設(shè)備使用率，合理分配資源。

3.4.2實(shí)時(shí)監(jiān)控

實(shí)時(shí)監(jiān)視充電設(shè)施運(yùn)行狀況，主要包括充電樁運(yùn)行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過程中的充電電量、充電電壓電流，充電樁告警信息等。

3.4.3交易管理

平臺管理人員可管理充電用戶賬戶，對其進(jìn)行賬戶進(jìn)行充值、退款、凍結(jié)、注銷等操作，可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細(xì)信息。

3.4.4故障管理

設(shè)備自動上報(bào)故障信息，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進(jìn)行派發(fā)處理，同時(shí)運(yùn)維人員可通過運(yùn)維APP收取故障推送，運(yùn)維人員在運(yùn)維工作完成后將結(jié)果上報(bào)。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場問題。

3.4.5統(tǒng)計(jì)分析

通過系統(tǒng)平臺，從充電站點(diǎn)、充電設(shè)施、、充電時(shí)間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計(jì)信息、能耗統(tǒng)計(jì)信息等。

3.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺建立運(yùn)營商戶，運(yùn)營商可建立和管理其運(yùn)營所需站點(diǎn)和充電設(shè)施，維護(hù)充電設(shè)施信息、價(jià)格策略、折扣、優(yōu)惠活動，同時(shí)可管理在線卡用戶充值、凍結(jié)和解綁。

3.4.7運(yùn)維APP

面向運(yùn)維人員使用，可以對站點(diǎn)和充電樁進(jìn)行管理、能夠進(jìn)行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況，進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，同時(shí)可接收故障推送

3.4.8充電小程序

面向充電用戶使用，可查看附近空閑設(shè)備，主要包含掃碼充電、賬戶充值，充電卡綁定、交易查詢、故障申訴等功能。

3.5系統(tǒng)硬件配置

4結(jié)語

實(shí)例表明,本文所運(yùn)用的方法和模型對公共充電樁的布局優(yōu)化是具有一定可行性和合理性的。本文剖析國內(nèi)外充電樁的現(xiàn)狀和影響要素,采用空間分析法對駐馬店市新能源汽車現(xiàn)有公共充電樁布局進(jìn)行分析。并且,將理論和實(shí)踐聯(lián)系起來,利用空間可達(dá)性分析原理,在分析新能源汽車公共充電樁現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,結(jié)合距離模型,探索優(yōu)化新能源汽車充電樁布局的相關(guān)方案。根據(jù)本文測算結(jié)果,將在驛城區(qū)主城區(qū)的公共充電樁數(shù)量減少至20個(gè),并重新規(guī)劃公共充電樁的位置,可以有效減少現(xiàn)有公共充電樁出現(xiàn)服務(wù)空白的現(xiàn)象,也可以降低公共充電樁的建設(shè)成本與用電成本,避免資源浪費(fèi)。本文的研究結(jié)果也可為優(yōu)化駐馬店市新能源汽車公共充電樁的布局提供一定的決策參考。

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