近年来,全球范围内对新能源汽车产业的推动力度不断增强,中国新能源汽车市场也呈现蓬勃发展的势头,在政策与市场的共同推动下,新能源汽车销量持续增长。然而,据中国充电联盟数据显示,充电基础设施建设滞后于新能源汽车数量增长的现状导致充电桩供需不平衡,公共充电桩服务空白区域的问题亟待解决。
在国内外部分学者关于充电桩布局选址的研究中,主要构建了充电桩的建设投资成本、充电桩的运营和维护成本、网损成本三者总成本的目标规划模型;考虑新能源汽车用户的行为习惯,以充电需求为衡量指标,利用免疫算法构建充电桩的布局规划;根据新能源汽车的用户实际要求、充电桩的投资资本等要素建立了城市快速充电桩的布局优化模型;主要考虑了运用快慢速充电桩的充电所需的时间差,构建了排队论研究模型;运用马尔可夫链和时空模型预测城市新能源汽车充电需求,探讨布局规划。
研究发现,国内外新能源汽车公共充电桩所面临的布局问题相似,本文结合公共充电桩类型、选址原则和用户需求等方面因素,通过GIS分析和布局优化,可有效减小候选点到需求点距离,从而解决充电困难和服务空白的问题,为新能源汽车发展提供理论支持。
1驻马店市公共充电桩布局现状分析
1.1 数据处理
本文以驻马店市新能源汽车公共充电桩为研究对象,通过高德地图API平台获取充电桩经纬度和边界坐标,利用PyCharm进行兴趣点(POI)处理。将数据导入ArcMap,统计驻马店市新能源汽车公共充电桩位置,见表1。
1.2缓冲区分析
1.2.1影响因子分析
本文根据驻马店市充电桩的布局规划原则,以及充电桩本身的公共性质,主要选择了以下四项作为充电桩选址分析的单个因素:商场人流量大,电容大,适合建设充电桩;幼儿园校车多为电动车,建设快充桩提高接送效率;停车场具有公共性质,适合建设充电桩;公园自然基础好,空间宽阔,是建设大型公共充电桩的。
1.2.2 缓冲区的建立
通过线上收集驻马店市的所有公共设施的POI数据并筛选得到6万多条数据,只选取其中四类公共设施(商场、幼儿园、停车场、公园)进行缓冲区的建立,得到适合的数据,并将
其在GIS中可视化。根据驻马店市充电桩的布局规划原则,以及充电桩本身的公共性质,结合其余网络数据调查,大部分车主在充电结束后,再次步行到达充电桩取车的满意距离是1000m以内,两者间的步行距离越短越好,因此,对于停车场、幼儿园等有特殊需求的场所,将缓冲区半径设置在800m以内,百货商场、公园的缓冲区半径设为1000m。
通过缓冲区分析,对驿城区而言,有92%的现有公共充电桩处于四种缓冲区域的中心,但仍有少量现有公共充电桩零散分布在区域外,导致部分充电桩出现服务空白区域,造成资源浪费。
对百货商场而言,以1000m作为百货商场缓冲区的需求半径,在此需求范围内并未放置公共充电桩的现象在上蔡县和西平县北部有明显体现。
对公园而言,除了其余区县现有公共充电桩存在服务空白现象之外,在确山县中,并无现有充电桩出现在公园的需求范围之内。
1.3 叠加分析
以驻马店市为例,以充电桩为点元素,将其与原有的几个元素相结合,构建出一个新的元素图层,利用叠加在空间位置的空间特征信息和属性信息之间的相互关系,再结合对点元素的
提取,确定相应的图斑信息,充电桩就会产生新的空间属性关系和新的特征关系,并进行叠加分析。
任意两个缓冲区相交得出的黄色区域,可以得出有部分黄色区域内并无充电桩覆盖,而在其他地区,新能源汽车公共充电桩存在较大的服务空白区域,充电桩存在建设选址不合理的情况。
将百货商场、公园、幼儿园以及停车场四种需求点所构成的缓冲区进行相交,可以发现仍有大量新能源汽车公共充电桩并不在相交区域内,表明公共充电桩的服务范围并不覆盖四种缓冲区域相交所得到的需求范围,除驿城区主城区之外,其余区县均能看到明显的该现象,而驿城区主城区的公共充电桩覆盖情况明显高于其他地区。
1.4 分析结果
利用GIS的缓冲区分析与叠加分析,再结合四种需求点(百货商场、公园、幼儿园、停车场)的要求,通过上述方法,对驻马店市现有的新能源汽车公共充电桩进行布局分析,结果表明:驻马店市现有的新能源汽车公共充电桩中85%存在集中分布的情况,其余少量现有公共充电桩存在较大的服务空白区域,各个区域之间公共充电桩布局不平衡,存在资源浪费情况。
2驻马店市公共充电桩布局优化
2.1 现有公共充电桩的筛选
首先,以驿城区为例,筛选现有公共充电桩,利用OSM地图路网数据导入GIS,结合实际情况排除政府内部、物流园等弱公共充电桩。再排除暂停或不对外开放的充电桩,终选出14个新能源汽车公共充电桩作为研究对象,并通过Python爬取经纬度信息导入GIS中显示。
2.2 选取新建充电桩的候选点
同一类要素的缓冲区确定中心点时,其中心点在整个驻马店市的地图上出现,因研究区域仅选取在驿城区,且一类要素缓冲区只有一个中心点,因此为了保证同一类要素不同位置缓冲区的中心点计算的准确性,需要在前期把每个独立的缓冲区拆分成单个图层,再将每个独立的缓冲区利用叠置分析的相交功能依次进行叠加相交,即可得到独立的中心点,这样才能得到同一类要素中不同缓冲区的全部中心点,见表2。
通过四个缓冲区的相交,相交区域所得到的中心点即为适合建造驿城区充电桩的位置,即四交候选点。分别将其中三个缓冲区进行相交,相交区域所得到的中心点即为特别适合建造驿城区充电桩的位置,即三交候选点。利用两个因子相交得到的中心点即为较适合建造驿城区充电桩的位置,即二交候选点。单个因子则是一般的建造驿城区充电桩的位置。为了保证新建公共充电桩的候选点能够满足周围的需求,也是为了保证新建公共充电桩具有较高的公共性,因而只考虑二交、三交、四交缓冲区所确定的中心点,不考虑单个因子缓冲区所确定的中心点。
2.3 选取合适的需求点
公共充电桩设施选址过程复杂是多种因素综合影响的结果,不同种类的公共服务设施的影响因素相似。在前期布局分析时,提到了四种需求因子:百货商场、公园、幼儿园、停车场。为了方便做优化分析,通过查阅相关文献、网络采访数据统计以及实际走访,制定出该需求因子重要性强度值,见表3。这里选择有公共性质较强的百货商场和有特殊需求的幼儿园两种作为需求参考点,将驿城区内的百货商场和幼儿园单独提取出来作为本次布局优化的需求参考点。
2.4空间可达性分析
空间可达性是一个与充电桩布局紧密联系的概念。简单地说,空间可达性是指从一个地点到达另一个地点的便利程度,它与起点、终点以及交通条件相关,通常用距离、旅行时间或旅行费用来表示。空间可达性在公共设施的空间规划中得到了广泛的应用。
空间可达性指标能更好地体现用户获得公共充电桩的便利程度和公平性,考虑公共充电桩布局规划需求点到充电桩的行驶距离,服务半径尽可能大,覆盖需求点数量越多越好。这些准则有助于提高公共基础充电设施的资源利用率和布局规划的可达性。
2.5 候选点的缓冲区分析
选取二、三、四种需求因子缓冲区相交的中心点,作为新建公共充电桩的候选点,根据河南省发布的《河南省加快电动汽车充电基础设施建设的若干政策》,其他城市核心区公共充电设施服务半径小于2km,在本次布局优化中,设置新建公共充电桩候选点的服务半径为2km,即做缓冲半径为2km的缓冲区分析。所有两种需求因子缓冲区相交的中心点在此称二交候选点,其缓冲区称二类缓冲区,因研究区域仅在驿城区,因此对驿城区之外的缓冲区域均采取切割操作。
2.6 距离模型
为了更好地采用空间可达性概念对新建公共充电桩的候选点进行布局分析,选取空间可达模型中的距离模型进行分析,距离模型是从需求点出发到达近公共充电桩的距离、时间或费用。对居民而言,距离是一个重要的阻碍因素。距离成本会影响居民对服务设施的选择。ArcGIS的邻近度分析能够确定离任何一个需求点。近的公共充电桩,并计算两者之间的距离。为了能够更准确地体现新建充电桩对需求点的服务公平性和便捷程度,在使用距离模型分析时,需提前对数据进行预处理,选取筛选后的数据进行对比分析。
需求点为百货商场时,二交、三交、四交候选点分别10个、5个、5个,所生成的二交、三交、四交缓冲区包括的百货商场的数量分别为15个、16个、33个,选取3号、9号、15号百货商场进行对比分析(表4)。
由表4可知,表中"无"指当前缓冲区内并无该商场。二交、三交、四交候选点距3个百货商场的距离均小于驿城区现有公共充电桩距3个百货商场的平均距离,说明新建公共充电桩的便捷程度要高于现有公共充电桩。需求点为幼儿园时,二交、三交、四交候选点分别10个、5个、5个,所生成的二交、三交、四交缓冲区包括的幼儿园的数量分别为83个、84个、158个,选取192号、204号、205号、214号幼儿园进行对比分析(表5)。
由表5可知,二交、三交、四交候选点距4个幼儿园的距离均小于驿城区现有公共充电桩距4个幼儿园的平均距离,说明新建公共充电桩的便捷程度要高于现有公共充电桩。
系统分为四层：
1）即数据采集层、网络传输层、数据层和客户端层。
2）数据采集层：包括电瓶车智能充电桩通讯协议为标准modbus-rtu。电瓶车智能充电桩用于采集充电回路的电力参数，并进行电能计量和保护。
3）网络传输层：通过4G网络将数据上传至搭建好的数据库服务器。
4）数据层：包含应用服务器和数据服务器，应用服务器部署数据采集服务、WEB网站，数据服务器部署实时数据库、历史数据库、基础数据库。
5）应客户端层：系统管理员可在浏览器中访问电瓶车充电桩收费平台。终端充电用户通过刷卡扫码的方式启动充电。
实例表明,本文所运用的方法和模型对公共充电桩的布局优化是具有一定可行性和合理性的。本文剖析国内外充电桩的现状和影响要素,采用空间分析法对驻马店市新能源汽车现有公共充电桩布局进行分析。并且,将理论和实践联系起来,利用空间可达性分析原理,在分析新能源汽车公共充电桩现状的基础上,结合距离模型,探索优化新能源汽车充电桩布局的相关方案。根据本文测算结果,将在驿城区主城区的公共充电桩数量减少至20个,并重新规划公共充电桩的位置,可以有效减少现有公共充电桩出现服务空白的现象,也可以降低公共充电桩的建设成本与用电成本,避免资源浪费。本文的研究结果也可为优化驻马店市新能源汽车公共充电桩的布局提供一定的决策参考。
参考文献：
[1]鲁甜静 王科峰.充电桩计量重要性的评价基于空间分析法的新能源汽车公共充电桩布局研究
[2]王露. 城市纯电动汽车快速充电设施的布局选址优化模型研究
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版