摘 要

目前城市中的空气污染日渐严重，城市中日常必须用品等的需求急剧上升，在全球能源日渐紧缺的情况下，电动汽车因其对环境危害少、对能源利用率高等特点，逐渐成为国家层面上推广使用的主要配送车辆，并且政府也推出了相应的的优惠使用政策，促使愈来愈多的城市物流公司开始从燃油配送车辆转变为使用新型电动物流汽车。

在本文的研究中，首先对城市绿色配送的相关概念进行了再次的梳理和总结，据此分析出城市中进行绿色配送的必要性。接着，本文对城市绿色配送所使用的绿色电动物流车及其相关运行的配套设施进行了简单的分析，对其主要从充电方式进行分类和相应的优缺点进行了分析，之后，对在城市中建立充电站的限制因素和影响因素进行分析，最后由此总结出绿色电动物流车配套的充电站建设应符合的基本条件。

本文中主要是研究未来城市中可行的充电站的布局规划，本文通过粒子群算法和Voronoi图的运用，考虑到用户前往充电站的时间，和更换站的配送成本和建设充电站的经济成本，最终得到建站地点，并且应用到相应的算例中，验证了模型和算法的可靠性。以往对充电站的研究多为单种类的充电方式，例如单纯的快速充电方式或单纯的机械充电方式的研究，但本文结合这两种最常用的充换电池的方式，对其建立充电站布局的影响进行了研究，这对未来的城市中绿色配送车辆的充电站的布局设施等方面也具有一定的参考意义，并且本文从整体的社会效益方面来探讨建设充电站成本，包括建设运行成本、更换站配送成本以及用户前往充电站的时间成本等因素，全面的剖析了充电站的布局的成本，为将后来对建设充电站的研究和实体建设充电站都具有非常深远的指导性意义。

Abstract

Currently, the air pollution in cities is growingly serious, and the demand of the daily necessities’ distribution in cities is rising sharply. Under the circumstance of global energy shortage, electric vehicles have gradually become the main distribution vehicles at the national level because of their less environmental hazards and high energy utilization rate, and the government has launched corresponding vigorous efforts. Degree preferential use policies, including economic level and differentiated management in cities, have prompted more and more city logistics companies to switch from fuel distribution vehicles to new type electric logistics vehicles.

First of all, the relevant concepts of urban green distribution are sorted out and summarized again, based on which the necessity of urban green distribution is analyzed. Then, an introduction of the green electric logistics vehicle used in urban green distribution and its related supporting facilities is made in this paper. The charging modes of the electric vehicles is classified and their advantages and disadvantages is analyzed. After that, the restrictive factors of the fuel distribution vehicles is analyzed and influencing factors of establishing charging stations in cities is listed. Finally, after summarizing the matching charging of green electric logistics vehicle, the basic conditions for station construction should be met.

The layout planning of charging stations in future cities is mainly studied. Particle swarm optimization (PSO) and Voronoi diagram are used to consider the time when users go to charging stations, the distribution cost of changing stations and the economic cost of building charging stations. Finally, after getting the location of charging stations, it is applied to the corresponding examples to verify the reliability of the model and algorithm. Previous studies on charging stations mostly focused on single charging modes, such as simple fast charging mode or simple mechanical charging mode. However, combined with these two most commonly used charging and replacement battery modes, the impact of the establishment of charging station layout has been analyzed, which can be the reference for the cities’ layout facilities of charging stations of green distribution vehicles in the future. The cost of charging station construction from the aspect of overall social benefits, including construction and operation cost, distribution cost of replacement station and time cost for users to go to charging station, is discussed in this paper. The comprehensive analysis about the cost of charging station layout will have a very far-reaching guiding significance for later research and construction of charging station in real world.

关键词：电动物流车 充电站 选址 Voronoi图 粒子群算法

Key Words：Electric Logistics Vehicle；Charging Station; Site Selection; Voronoi Diagrams; Particle Swarm Optimization

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3 研究内容及技术路线 2

第2章 基于电动物流车的城市绿色配送系统分析 4

2.1城市配送对城市环境的影响 4

2.2基于电动物流车开展城市绿色配送的必要性 5

2.2.1 电动物流车及其优点分析 5

2.2.2 基于电动物流车城市配送系统的优点 7

2.3充电站布局分析 8

第3章 基于粒子群算法和Voronoi图的电动物流车辆充电站选址优化数学模型建立 11

3.1问题描述 11

3.2模型的建立 12

3.3优化算法设计 14

3.4充电站的选址步骤 16

第4章 算例分析 17

4.1需求点的设定 17

4.2算例结果 18

第5章 总结与展望 21

5.1总结与展望 21

5.2经济性分析 21

参考文献 22

致 谢 23

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

（1）研究背景

随着全球环境问题日益突出，能源结构改变迫在眉睫，在国家十三五能源发展规划中提出，未来我国能源的消费增长来源将由传统耗能产业向第三产业发展，其中新能源汽车就是一大新兴能源增长点。由于电动车对环境危害甚少，且能解决日渐枯竭的能源问题，电动车已成为未来汽车行业发展的主要趋势，因此，国内电动汽车的保有量日益增加，商用的电动汽车日渐成为城市配送企业的首选目标。随着智能电网技术不断取得突破且能投入商业化应用，充电站的技术壁垒也已打破。但而与此同时，对城市绿色配送车辆的充电装置却还没有跟上发展的步伐，充电站早已成为制约电动汽车发展的一大瓶颈问题。在2015年国务院下发《关于加快电动汽车充电基础设施建设的指导意见》后，完善城市绿色配送车辆充电设施建设，充电设施选址及优化等问题引发各方人士热烈讨论。

（2）研究目的及意义

本文的研究以城市绿色配送车辆充电站选址优化为研究对象，通过运筹学及算法等方法，解决经济和时间等因素影响下，城市绿色物流使用电动物流车的必要性，对充电桩选址优化的一般原则及可实行的模型方案和优化方法进行一定的探讨。

本文通过对影响城市配送车辆充电站的社会经济效益及服务半径等因素的研究，为城市绿色配送车辆充电站的选址及优化问题提出确定模型及分析合理布局的具体方法，为将来在城市配送问题中充电站的规划、设计及投资问题上提供参考依据，具有重要的理论指导意义和现实应用意义。

1.2国内外研究现状

目前，电动汽车行业日臻成熟，配套的充电设施也在城市规划空间有限的前提下，引起了各方重视。对于城市绿色配送车辆，其充电站需要考虑的要素众多，其选址优化方法也是众多。

林峰等从对充电站建设的必要性进行分析，并对多种充电设备建设方式的利弊进行分析^【1】。徐帆等通过对充电模式、充电环境和充电技术对充电站的要求，总结出目前充电站布局应符合的各项原则^【2】。

从充电站数学建模方法来看，不同的考虑因素会涉及不同的建模方法。有些学者以经济成本作为主要目标，傅丹华等以总成本最小的为目标，以南京市浦口区为例，建立线性规划模型^【4】。宋亚辉在此基础上，增加考虑了客户长远需求因素，首先利用回归分析和Bass市场扩散模型，建立了充电需求预测模型，之后运用排队论对充电站的容量进行求解分析，最后结合重心法和设施区位理论，建立了充电设施网络布局方法体系。并且，通过以上方法对唐山市进行实例分析^【3】。李鹏程等在满足客户需求前提下，首先将线路抽象为网络图谱图，基于车辆到达充电站的时间最小模型进行求解，得出备选点，在备选点中利用成本最小模型，运用matlab软件和遗传算法，得出最优解^【5】。周鹏程等构建了能适用多种类别的充电站设施选址的评价指标体系，结合定性与定量的分析方法(AHP和熵值法)，建立基于组合赋权法的设施选址评价模型，并进行了实例验证^【7】。

对求解结果进行优化方法来看，Lixing Che等提出电动汽车和充电设施规划之间也会相互影响，利用两阶段模型对这种因素影响的充电站选址进行优化，达到降低总成本的目标^【6】。而Seyedmohsen Hossein等认为以往的研究主要集中在利用优化模型且仅考虑定量因素，他们利用贝叶斯网络（BN）模型，可考虑定量因素和定性因素。通过灵敏度分析方法验证了开发的BN模型^【8】。从相似问题的类比上来看，Martin Frick等通过对瑞士目前的天然气市场进行分析，利用成本效益分析和仿真方法来改进充气站选址^【9】。李菁竹通过利用多重分析法对以山东D县为代表的国内突出问题进行研究^【10】。

对城市绿色配送方面来看，王永聪构建了基于纯电动汽车的城市配送车辆路径问题模型，利用最邻近算法和蚁群算法，得出最优路径，并结合企业实例分析^【11】。李欣阳等将路径问题和选址问题结合在一起研究，以配送车辆运行里程最短为目标建立充电桩选址模型，利用蚁群算法多次迭代得到最优解^【12】。

从总体来看，现有的研究大多集中于对电动汽车成本和容量这两个定性目标上分析，运用的方法大多是线性规划等方法，而对于同时考虑定性因素也只能用于对现有备选方案的进一步选择，如利用AHP和熵值法，以及BN模型等。

1.3 研究内容及技术路线

（1）研究内容

在本文中，将基于在城市配送系统中的电动汽车的需求，对能满足其需求的充电站的选址及优化为主要研究内容，具体分为以下四大工作内容

1） 从可持续发展、经济效益、社会影响和配送企业发展等方面分析在城市绿色配送工作中推行电动物流运输车辆的必要性。

2) 考虑经济因素、充电需求、服务半径、客户服务水平等因素，建立合适的电动物流运输车辆充电站的选址优化数学模型

3) 运用算法程序，求解所列出的数学模型

4) 基于以上得出的选址模型，对某地区城市绿色配送车辆发展需求的充电站进行选址及优化求解。

（2）研究路线

本文首先使用文献分析法、统计调查法，对基于城市绿色配送使用绿色物流车，即基于电动物流车的城市绿色配送的必要性进行分析，之后总结出电动物流车充电站建立的必要性，以及在目前需求量和充电技术的限制下建立充电站应满足的基本原则；

接着，建立相应的数学模型。本文首先将道路简化为道路拓扑图的形式，然后在其上标注出各需求点的位置，之后将运用运筹学的方法，利用整数规划模型，对充电站选址直接进行定量分析。首先对备选选址建立充电站的经济成本进行分析，然后对车辆到达充电站的最短时间列为相应的目标函数，最后对充电站更换电池方法配送成本进行计算。因此能得到时间成本、经济成本和电池更换站配送成本均为最优的充电站选址布局。该模型的优化求解运用粒子群算法完成，运用MATLAB软件对其求解。

最后，运用统计调查法，收集对某地区城市绿色配送车辆充电站选址基础数据信息，如维护成本、建设成本、土地成本、对充电桩的需求点、城市道路图等信息进行收集分析，由以上建立的模型为某地区绿色配送车辆建立最优的充电站进行选址布局。

（3） 技术路线图

图1.1技术路线图

第2章 基于电动物流车的城市绿色配送系统分析

2.1城市配送对城市环境的影响

（1）城市配送量的快速增加

随着城市规模的增长，城市内不断有外来人口涌入，城区常住人口不断增加，造成了物流运输的需求随之递增，并且，近年来，电商行业发展迅猛，越来越多的人被这种足不出户就能以优廉的价格买到想要的商品的购物模式所吸引，并且能网购的产品种类也越来越丰富，几乎所有商品都能通过网购的形式购买，大到大型家具，小到牙签等家居用品都能通过网购购买到手，而网购的产品一般都会通过快递配送的形式送到客户手中，由此，城市中由网购产生的快递配送量也是急剧上涨，这对城市中的配送活动也带来了不小的挑战。

（2）城市环境污染日渐严重

城市中空气污染现状非常严重、机动车尾气排放等污染状况日臻加剧。我国的汽车消费与生产已位居世界第一位。近年来，国家政府虽然采取了多种手段来降低每辆车平均的污染排放量，如淘汰了含铅汽油，降低汽油中有害物质等方法，新车也推广采用更高效的能源利用技术，并且国家相关机构还制定了新的排放标准。但是由于我国保有的机动车数量不断上升，污染物排放总量仍处于持续上升的趋势。并且国内一线城市的氮氧化物污染非常严重，城市主干道两侧碳氮氧化合物严重超标，一些城市的大气污染类型开始从普通的煤烟型转变成氮氧化物的复合型。2018年我国的机动车氮氧化物排放量高达4359.7万吨，空气质量污染状况非常严峻。同时，城市道路建设跟不上机动车增长的速度，道路拥堵的情况时常发生，机动车行驶过程中常常处于怠速的状态，造成机动车有害物质的排放高于技术标准水平。^【14】

（3）城市交通拥堵

我国随着经济发展，人民富裕，城市汽车保有量不断增加，城区内拥堵情况日渐严重，拥堵范围也不断扩大，拥堵时间段也较之以往有所增加。并且，随着城市经济快速发展，城市人口不断增加，城区内配送量逐年增长，且增长速度十分迅速，因此对配送车辆的需求也不断递增，这进一步加剧了城区内的道路拥堵情况。

另外城市配送还有以小批量、多批次为主，服务对象众多，配送种类繁多，车型需要多样化、专业化等特点，导致对配送车辆的数量要求大，配送车辆车型的灵活性要求也高，但是目前的城市中使用的配送车辆可选择的车型有限，难以满足以上要求因此，配送车辆利用率不高，因此，进一步加剧了城市拥堵现状。

（4）城市货车交通管制