安科瑞 陳聰

摘要：新能源汽車(chē)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(wèn)題,本文以駐馬店市充電樁為研究對象,利用地理信息系統(GIS)的空間分析技術(shù),對駐馬店市目前的充電設施布局進(jìn)行分析,通過(guò)空間可達性分析選擇合適的候選點(diǎn),通過(guò)距離模型將兩種方案進(jìn)行對比分析,發(fā)現駐馬店市公共充電樁的布局問(wèn)題并提出建議。研究結果表明:駐馬店市公共充電樁存在大量的服務(wù)空白區域,且候選點(diǎn)比現有公共充電樁距需求點(diǎn)的距離更近。論文研究結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(chē)

0引言

近年來(lái),全球范圍內對新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)力度不斷增強,中國新能源汽車(chē)市場(chǎng)也呈現蓬勃發(fā)展的勢頭,在政策與市場(chǎng)的共同推動(dòng)下,新能源汽車(chē)銷(xiāo)量持續增長(cháng)。然而,據中國充電聯(lián)盟數據顯示,充電基礎設施建設滯后于新能源汽車(chē)數量增長(cháng)的現狀導致充電樁供需不平衡,公共充電樁服務(wù)空白區域的問(wèn)題亟待解決。

在國內外部分學(xué)者關(guān)于充電樁布局選址的研究中,主要構建了充電樁的建設投資成本、充電樁的運營(yíng)和維護成本、網(wǎng)損成本三者總成本的目標規劃模型;考慮新能源汽車(chē)用戶(hù)的行為習慣,以充電需求為衡量指標,利用免疫算法構建充電樁的布局規劃;根據新能源汽車(chē)的用戶(hù)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;主要考慮了運用快慢速充電樁的充電所需的時(shí)間差,構建了排隊論研究模型;運用馬爾可夫鏈和時(shí)空模型預測城市新能源汽車(chē)充電需求,探討布局規劃。

研究發(fā)現,國內外新能源汽車(chē)公共充電樁所面臨的布局問(wèn)題相似,本文結合公共充電樁類(lèi)型、選址原則和用戶(hù)需求等方面因素,通過(guò)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(wèn)題,為新能源汽車(chē)發(fā)展提供理論支持。

1駐馬店市公共充電樁布局現狀分析

1.1　數據處理

本文以駐馬店市新能源汽車(chē)公共充電樁為研究對象,通過(guò)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(jìn)行興趣點(diǎn)(POI)處理。將數據導入ArcMap,統計駐馬店市新能源汽車(chē)公共充電樁位置,見(jiàn)表1。

表1駐馬店市新能源汽車(chē)充電樁分布情況表

1.2緩沖區分析

1.2.1影響因子分析

本文根據駐馬店市充電樁的布局規劃原則,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(gè)因素:商場(chǎng)人流量大,電容大,適合建設充電樁;幼兒園校車(chē)多為電動(dòng)車(chē),建設快充樁提高接送效率;停車(chē)場(chǎng)具有公共性質(zhì),適合建設充電樁;公園自然基礎好,空間寬闊,是建設大型公共充電樁的。

1.2.2　緩沖區的建立

通過(guò)線(xiàn)上收集駐馬店市的所有公共設施的POI數據并篩選得到6萬(wàn)多條數據,只選取其中四類(lèi)公共設施(商場(chǎng)、幼兒園、停車(chē)場(chǎng)、公園)進(jìn)行緩沖區的建立,得到適合的數據,并將

其在GIS中可視化。根據駐馬店市充電樁的布局規劃原則,以及充電樁本身的公共性質(zhì),結合其余網(wǎng)絡(luò )數據調查,大部分車(chē)主在充電結束后,再次步行到達充電樁取車(chē)的滿(mǎn)意距離是1000m以?xún)?兩者間的步行距離越短越好,因此,對于停車(chē)場(chǎng)、幼兒園等有特殊需求的場(chǎng)所,將緩沖區半徑設置在800m以?xún)?百貨商場(chǎng)、公園的緩沖區半徑設為1000m。

通過(guò)緩沖區分析,對驛城區而言,有92%的現有公共充電樁處于四種緩沖區域的中心,但仍有少量現有公共充電樁零散分布在區域外,導致部分充電樁出現服務(wù)空白區域,造成資源浪費。

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

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

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)元素相結合,構建出一個(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,再結合對點(diǎn)元素的

提取,確定相應的圖斑信息,充電樁就會(huì )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)緩沖區相交得出的黃色區域,可以得出有部分黃色區域內并無(wú)充電樁覆蓋,而在其他地區,新能源汽車(chē)公共充電樁存在較大的服務(wù)空白區域,充電樁存在建設選址不合理的情況。

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

1.4　分析結果

利用GIS的緩沖區分析與疊加分析,再結合四種需求點(diǎn)(百貨商場(chǎng)、公園、幼兒園、停車(chē)場(chǎng))的要求,通過(guò)上述方法,對駐馬店市現有的新能源汽車(chē)公共充電樁進(jìn)行布局分析,結果表明:駐馬店市現有的新能源汽車(chē)公共充電樁中85%存在集中分布的情況,其余少量現有公共充電樁存在較大的服務(wù)空白區域,各個(gè)區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　現有公共充電樁的篩選

首先,以驛城區為例,篩選現有公共充電樁,利用OSM地圖路網(wǎng)數據導入GIS,結合實(shí)際情況排除政府內部、物流園等弱公共充電樁。再排除暫?；虿粚ν忾_(kāi)放的充電樁,終選出14個(gè)新能源汽車(chē)公共充電樁作為研究對象,并通過(guò)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(diǎn)

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

表2需求因子緩沖區相交所確定的中心點(diǎn)數量表

通過(guò)四個(gè)緩沖區的相交,相交區域所得到的中心點(diǎn)即為適合建造驛城區充電樁的位置,即四交候選點(diǎn)。分別將其中三個(gè)緩沖區進(jìn)行相交,相交區域所得到的中心點(diǎn)即為特別適合建造驛城區充電樁的位置,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(mǎn)足周?chē)男枨?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、四交緩沖區所確定的中心點(diǎn),不考慮單個(gè)因子緩沖區所確定的中心點(diǎn)。

2.3　選取合適的需求點(diǎn)

公共充電樁設施選址過(guò)程復雜是多種因素綜合影響的結果,不同種類(lèi)的公共服務(wù)設施的影響因素相似。在前期布局分析時(shí),提到了四種需求因子:百貨商場(chǎng)、公園、幼兒園、停車(chē)場(chǎng)。為了方便做優(yōu)化分析,通過(guò)查閱相關(guān)文獻、網(wǎng)絡(luò )采訪(fǎng)數據統計以及實(shí)際走訪(fǎng),制定出該需求因子重要性強度值,見(jiàn)表3。這里選擇有公共性質(zhì)較強的百貨商場(chǎng)和有特殊需求的幼兒園兩種作為需求參考點(diǎn),將驛城區內的百貨商場(chǎng)和幼兒園單獨提取出來(lái)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度

2.4空間可達性分析

空間可達性是一個(gè)與充電樁布局緊密聯(lián)系的概念。簡(jiǎn)單地說(shuō),空間可達性是指從一個(gè)地點(diǎn)到達另一個(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)間或旅行費用來(lái)表示?？臻g可達性在公共設施的空間規劃中得到了廣泛的應用。

空間可達性指標能更好地體現用戶(hù)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)數量越多越好。這些準則有助于提高公共基礎充電設施的資源利用率和布局規劃的可達性。

2.5　候選點(diǎn)的緩沖區分析

選取二、三、四種需求因子緩沖區相交的中心點(diǎn),作為新建公共充電樁的候選點(diǎn),根據河南省發(fā)布的《河南省加快電動(dòng)汽車(chē)充電基礎設施建設的若干政策》,其他城市核心區公共充電設施服務(wù)半徑小于2km,在本次布局優(yōu)化中,設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的緩沖區分析。所有兩種需求因子緩沖區相交的中心點(diǎn)在此稱(chēng)二交候選點(diǎn),其緩沖區稱(chēng)二類(lèi)緩沖區,因研究區域僅在驛城區,因此對驛城區之外的緩沖區域均采取切割操作。

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(diǎn)進(jìn)行布局分析,選取空間可達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)到達近公共充電樁的距離、時(shí)間或費用。對居民而言,距離是一個(gè)重要的阻礙因素。距離成本會(huì )影響居民對服務(wù)設施的選擇。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,并計算兩者之間的距離。為了能夠更準確地體現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),需提前對數據進(jìn)行預處理,選取篩選后的數據進(jìn)行對比分析。

需求點(diǎn)為百貨商場(chǎng)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、四交緩沖區包括的百貨商場(chǎng)的數量分別為15個(gè)、16個(gè)、33個(gè),選取3號、9號、15號百貨商場(chǎng)進(jìn)行對比分析(表4)。

表4候選點(diǎn)和現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(wú)”指當前緩沖區內并無(wú)該商場(chǎng)。二交、三交、四交候選點(diǎn)距3個(gè)百貨商場(chǎng)的距離均小于驛城區現有公共充電樁距3個(gè)百貨商場(chǎng)的平均距離,說(shuō)明新建公共充電樁的便捷程度要高于現有公共充電樁。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、四交緩沖區包括的幼兒園的數量分別為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現有公共充電樁距4個(gè)幼兒園的平均距離,說(shuō)明新建公共充電樁的便捷程度要高于現有公共充電樁。

3安科瑞充電樁收費運營(yíng)云平臺系統選型方案

3.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營(yíng)云平臺系統通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統的電動(dòng)電動(dòng)自行車(chē)充電站以及各個(gè)充電整法行不間斷地數據采集和監控，實(shí)時(shí)監控充電樁運行狀態(tài)，進(jìn)行充電服務(wù)、支付管理，交易結算，資要管理、電能管理，明細查詢(xún)等。同時(shí)對充電機過(guò)溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過(guò)壓，欠壓，絕緣低各類(lèi)故障進(jìn)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(hù)通過(guò)微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

3.2應用場(chǎng)所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區、實(shí)業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學(xué)校、園區等充電樁模式的充電基礎設施設計。

3.3系統結構

系統分為四層：

1）即數據采集層、網(wǎng)絡(luò )傳輸層、數據層和客戶(hù)端層。

2）數據采集層：包括電瓶車(chē)智能充電樁通訊協(xié)議為標準modbus-rtu。電瓶車(chē)智能充電樁用于采集充電回路的電力參數，并進(jìn)行電能計量和保護。

3）網(wǎng)絡(luò )傳輸層：通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò )將數據上傳至搭建好的數據庫服務(wù)器。

4）數據層：包含應用服務(wù)器和數據服務(wù)器，應用服務(wù)器部署數據采集服務(wù)、WEB網(wǎng)站，數據服務(wù)器部署實(shí)時(shí)數據庫、歷史數據庫、基礎數據庫。

5）應客戶(hù)端層：系統管理員可在瀏覽器中訪(fǎng)問(wèn)電瓶車(chē)充電樁收費平臺。終端充電用戶(hù)通過(guò)刷卡掃碼的方式啟動(dòng)充電。

小區充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實(shí)時(shí)監控、交易管理、故障管理、統計分析、基礎數據管理等功能，同時(shí)為運維人員提供運維APP，充電用戶(hù)提供充電小程序。

3.4安科瑞充電樁云平臺系統功能

3.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點(diǎn)分布情況，對設備狀態(tài)、設備使用率、充電次數、充電時(shí)長(cháng)、充電金額、充電度數、充電樁故障等進(jìn)行統計顯示，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。統一管理小區充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。

3.4.2實(shí)時(shí)監控

實(shí)時(shí)監視充電設施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過(guò)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(hù)賬戶(hù)，對其進(jìn)行賬戶(hù)進(jìn)行充值、退款、凍結、注銷(xiāo)等操作，可查看小區用戶(hù)每日的充電交易詳細信息。

3.4.4故障管理

設備自動(dòng)上報故障信息，平臺管理人員可通過(guò)平臺查看故障信息并進(jìn)行派發(fā)處理，同時(shí)運維人員可通過(guò)運維APP收取故障推送，運維人員在運維工作完成后將結果上報。充電用戶(hù)也可通過(guò)充電小程序反饋現場(chǎng)問(wèn)題。

3.4.5統計分析

通過(guò)系統平臺，從充電站點(diǎn)、充電設施、、充電時(shí)間、充電方式等不同角度，查詢(xún)充電交易統計信息、能耗統計信息等。

3.4.6基礎數據管理

在系統平臺建立運營(yíng)商戶(hù)，運營(yíng)商可建立和管理其運營(yíng)所需站點(diǎn)和充電設施，維護充電設施信息、價(jià)格策略、折扣、優(yōu)惠活動(dòng)，同時(shí)可管理在線(xiàn)卡用戶(hù)充值、凍結和解綁。

3.4.7運維APP

面向運維人員使用，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(xún)流量卡使用情況、查詢(xún)充電\充值情況，進(jìn)行遠程參數設置，同時(shí)可接收故障推送

3.4.8充電小程序

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

3.5系統硬件配置

4結語(yǔ)

實(shí)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。本文剖析國內外充電樁的現狀和影響要素,采用空間分析法對駐馬店市新能源汽車(chē)現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(lái),利用空間可達性分析原理,在分析新能源汽車(chē)公共充電樁現狀的基礎上,結合距離模型,探索優(yōu)化新能源汽車(chē)充電樁布局的相關(guān)方案。根據本文測算結果,將在驛城區主城區的公共充電樁數量減少至20個(gè),并重新規劃公共充電樁的位置,可以有效減少現有公共充電樁出現服務(wù)空白的現象,也可以降低公共充電樁的建設成本與用電成本,避免資源浪費。本文的研究結果也可為優(yōu)化駐馬店市新能源汽車(chē)公共充電樁的布局提供一定的決策參考。

參考文獻：

[1]魯甜靜 王科峰.充電樁計量重要性的評價(jià)基于空間分析法的新能源汽車(chē)公共充電樁布局研究

[2]王露. 城市純電動(dòng)汽車(chē)快速充電設施的布局選址優(yōu)化模型研究

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版