安科瑞 耿敏花

摘要：新能源汽車逐漸進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)施布局進行分析,通過空間可達性分析選擇合適的候選點,通過距離模型將兩種方案進行對比分析,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空白區(qū)域,且候選點比現(xiàn)有公共充電樁距需求點的距離更近。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,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)狀導致充電樁供需不平衡,公共充電樁服務空白區(qū)域的問題亟待解決。

在國內(nèi)外部分學者關(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、充電樁的運營和維護成本、網(wǎng)損成本三者總成本的目標規(guī)劃模型;考慮新能源汽車用戶的行為習慣,以充電需求為衡量指標,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;主要考慮了運用快慢速充電樁的充電所需的時間差,構(gòu)建了排隊論研究模型;運用馬爾可夫鏈和時空模型預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,可有效減小候選點到需求點距離,從而解決充電困難和服務空白的問題,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,利用PyCharm進行興趣點(POI)處理。將數(shù)據(jù)導入ArcMap,統(tǒng)計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作為充電樁選址分析的單個因素: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,導致部分充電樁出現(xiàn)服務空白區(qū)域,造成資源浪費。

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,以充電樁為點元素,將其與原有的幾個元素相結(jié)合,構(gòu)建出一個新的元素圖層,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)合對點元素的

提取,確定相應的圖斑信息,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,并進行疊加分析。

任意兩個緩沖區(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所構(gòu)成的緩沖區(qū)進行相交,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(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空白區(qū)域,各個區(qū)域之間公共充電樁布局不平衡,存在資源浪費情況。

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)導入GIS,結(jié)合實際情況排除政府內(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)緯度信息導入GIS中顯示。

2.2　選取新建充電樁的候選點

同一類要素的緩沖區(qū)確定中心點時,其中心點在整個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)只有一個中心點,因此為了保證同一類要素不同位置緩沖區(qū)的中心點計算的準確性,需要在前期把每個獨立的緩沖區(qū)拆分成單個圖層,再將每個獨立的緩沖區(qū)利用疊置分析的相交功能依次進行疊加相交,即可得到獨立的中心點,這樣才能得到同一類要素中不同緩沖區(qū)的全部中心點,見表2。

表2需求因子緩沖區(qū)相交所確定的中心點數(shù)量表

通過四個緩沖區(qū)的相交,相交區(qū)域所得到的中心點即為適合建造驛城區(qū)充電樁的位置,即四交候選點。分別將其中三個緩沖區(qū)進行相交,相交區(qū)域所得到的中心點即為特別適合建造驛城區(qū)充電樁的位置,即三交候選點。利用兩個因子相交得到的中心點即為較適合建造驛城區(qū)充電樁的位置,即二交候選點。單個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,不考慮單個因子緩沖區(qū)所確定的中心點。

2.3　選取合適的需求點

公共充電樁設(shè)施選址過程復雜是多種因素綜合影響的結(jié)果,不同種類的公共服務設(shè)施的影響因素相似。在前期布局分析時,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、網(wǎng)絡(luò)采訪數(shù)據(jù)統(tǒng)計以及實際走訪,制定出該需求因子重要性強度值,見表3。這里選擇有公共性質(zhì)較強的百貨商場和有特殊需求的幼兒園兩種作為需求參考點,將驛城區(qū)內(nèi)的百貨商場和幼兒園單獨提取出來作為本次布局優(yōu)化的需求參考點。

表3需求因子的重要性強度

2.4空間可達性分析

空間可達性是一個與充電樁布局緊密聯(lián)系的概念。簡單地說,空間可達性是指從一個地點到達另一個地點的便利程度,它與起點、終點以及交通條件相關(guān),通常用距離、旅行時間或旅行費用來表示。空間可達性在公共設(shè)施的空間規(guī)劃中得到了廣泛的應用。

空間可達性指標能更好地體現(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)劃需求點到充電樁的行駛距離,服務半徑盡可能大,覆蓋需求點數(shù)量越多越好。這些準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)劃的可達性。

2.5　候選點的緩沖區(qū)分析

選取二、三、四種需求因子緩沖區(qū)相交的中心點,作為新建公共充電樁的候選點,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的服務半徑為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)相交的中心點在此稱二交候選點,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性概念對新建公共充電樁的候選點進行布局分析,選取空間可達模型中的距離模型進行分析,距離模型是從需求點出發(fā)到達近公共充電樁的距離、時間或費用。對居民而言,距離是一個重要的阻礙因素。距離成本會影響居民對服務設(shè)施的選擇。ArcGIS的鄰近度分析能夠確定任何一個需求點。近的公共充電樁,并計算兩者之間的距離。為了能夠更準確地體現(xiàn)新建充電樁對需求點的服務公平性和便捷程度,在使用距離模型分析時,需提前對數(shù)據(jù)進行預處理,選取篩選后的數(shù)據(jù)進行對比分析。

需求點為百貨商場時,二交、三交、四交候選點分別10個、5個、5個,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、16個、33個,選取3號、9號、15號百貨商場進行對比分析(表4)。

表4候選點和現(xiàn)有公共充電樁到需求點的距離對比表

由表4可知,表中“無"指當前緩沖區(qū)內(nèi)并無該商場。二交、三交、四交候選點距3個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。需求點為幼兒園時,二交、三交、四交候選點分別10個、5個、5個,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、84個、158個,選取192號、204號、205號、214號幼兒園進行對比分析(表5)。

表5候選點和現(xiàn)有公共充電樁到需求點的距離對比表(m)

由表5可知,二交、三交、四交候選點距4個幼兒園的距離均小于驛城區(qū)現(xiàn)有公共充電樁距4個幼兒園的平均距離,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安科瑞充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)選型方案

3.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營云平臺系統(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充電整法行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實時監(jiān)控充電樁運行狀態(tài)，進行充電服務、支付管理，交易結(jié)算，資要管理、電能管理，明細查詢等。同時對充電機過溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進行預警；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應用場所

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

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)議為標準modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù)，并進行電能計量和保護。

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)庫服務器。

4）數(shù)據(jù)層：包含應用服務器和數(shù)據(jù)服務器，應用服務器部署數(shù)據(jù)采集服務、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務器部署實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

5）應客戶端層：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、實時監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能，同時為運維人員提供運維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)、充電時長、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進行統(tǒng)計顯示，同時可查看每個站點的站點信息、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實時監(jiān)控

實時監(jiān)視充電設(shè)施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態(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，對其進行賬戶進行充值、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信息。

3.4.4故障管理

設(shè)備自動上報故障信息，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進行派發(fā)處理，同時運維人員可通過運維APP收取故障推送，運維人員在運維工作完成后將結(jié)果上報。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)計分析

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

3.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

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

3.4.7運維APP

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

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

實例表明,本文所運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行分析。并且,將理論和實踐聯(lián)系起來,利用空間可達性分析原理,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,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。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。