CN102496078A - 一种电动汽车换电站***电池配送中心选址方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动汽车换电站***电池配送中心选址方法，所述换电站***电池配送中心选址首先对换电站***分区，然后采用改进的重心法，确定每一个区域的最优配送中心位置，改进重心法确定的集合作为CFLP法的初始解；在初始供应方案下确定配送中心集合的总费用；将某区域内的初始配送中心移动到本区域其他换电站备选地点，选择区域配送费用最小的地点作为新的配送中心，同样调整各区域，从而形成配送中心集合方案比较新、旧方案下配送中心总费用，选择总费用较小的方案作为新的配送方案，依次调整直到配送中心建设地点方案调整无法使配送方案费用下降时，便得到最优选址方案。

Description

一种电动汽车换电站***电池配送中心选址方法

技术领域

本发明涉及一种电动汽车换电站***电池配送中心选址方法。

背景技术

在可持续发展理念指导下，各种新能源的应用是减少煤炭石油等高能源消耗，减少温室气体排放的关键措施。电动汽车以纯电力作为能源，行驶过程中零排放，低噪音，是新一代汽车发展的必然方向。随着电动汽车的发展，其能量的补充是应用中的一个重要问题。能量补充模式有充电式和换电式两种。充电方式以充电桩为主要设备，以在家庭仓库和充电站中使用为主。然而其也有充电速度慢、充电时间集中，影响电网正常运行、固定投资高等缺陷。换电方式是指，通过直接用满电量电池更换汽车上的空电量电池的方法，来为电动汽车补充电能。作为一种较为新型的电能补充方式，其具有建设成本低、工作速度快、电池保护完善的特点，正在迎来快速发展时期。

在换电站***中，换电站负责对电动车进行电池的更换，将换下没电的电池送往电池配送中心，同时运回在电池配送中心中充满电的电池。电池配送中心负责电池的充电与配送，电池配送中心起着非常重要的作用。由于换电站的建设受地区电力负荷、土地资源、设备规模等因素的约束，在电动汽车规模发展、换电站数量增加的情况下，增加单个电池配送中心工作无法满足需求。很多选址都采用CFLP法，但是CFLP法在初选配送中心地点时，是通过定性分析，根据配送中心的配送能力和用户需求分布情况，确定配送中心的数目及其设置地点，以此作为初始方案。这一步骤非常重要，因为它将直接影响整个计算的收敛速度，有时仅通过定性分析得出的初始方案，不能满足收敛速度的要求，甚至不收敛。

发明内容

本发明的目的就是为解决上述问题，首先对换电站***分区，然后采用改进的重心法，确定每一个区域的最优配送中心位置，作为CFLP法的初始方案。然后从整个选址方案的运行效率出发，采用CFLP法对电动汽车换电站***多个电池配送中心进行选址，从而为电动汽车换电站***电池配送中心选址和规划提供依据，解决选址和规划难题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明首先对换电站***分区，然后采用改进的重心法，确定每一个区域的最优配送中心位置，作为CFLP法的初始方案。然后，在初始方案中，将初始配送中心建设地点方案中的某配送中心移至其他备选地点，使新配送方案相比于旧方案的总费用下降。可以使用成本下降的新方案代替旧方案，然后再对新方案继续调整。当配送中心建设地点方案调整无法使配送方案下的总费用下降时，计算结束。

本发明的电动汽车换电站***电池配送中心选址方法，具体步骤如下：

步骤1：将换电站***分区：确定电池配送中心的数量m并对电动汽车换电站***进行分区，分为m个区域；

步骤2：采用改进重心法确定每一个区域的最优电池配送中心位置作为初选配送方案；所述改进的重心法是：选择一个距离重心法所得位置最近的换电站位置作为电池配送中心位置；

步骤3：确定由步骤2得到初选配送方案下配送中心集合总费用，总费用包括固定费用和运输费用之和；

步骤4：将各区域内的电池配送中心移到本区域其它备选换电池地点，选择区域配送中心总费用最小的地点作为新的配送中心，从而形成新的配送方案；

步骤5：比较新、旧配送方案下配送中心集合的总费用；如果前者小于后者，说明新电池配送中心的选址方案可以使总费用下降，通过改善配送中心的配送方案，还有可能进一步降低总费用，为了进一步降低总费用，以新的配送***代替原有配送***，返回步骤4；若前者大于或等于后者，说明已经得到了所求的解，计算可以停止，进入步骤6；

步骤6：计算停止，得到最终选址方案。

上述步骤1：初选电池配送中心地点。首先根据各个备选地点的电力条件、土地资源、客户需求量等因素确定电池配送中心的数量m并对电动汽车换电站***进行分区，分为m个区域。

上述步骤2：对于第i个区域有n_i个换电站，如图1所示。图中w_ij、x_ij、y_ij分别为第i个区域换电站c_ij的电池需求量、地理位置横坐标、纵坐标。

设配送中心i到换电站j的运输费用率为c_ij，运输费用为F_ij，则：

F_ij＝c_ij·w_ij·h_ij    (1)

式中w_ij为配送中心i为换电站j配送电池的量；h_ij为配送中心i到换电站j的距离，可写成以下形式：

h_ij＝[(x_i0-x_ij)²+(y_i0-y_ij)²]^1/2         (2)

其中，x_i0、y_i0分别为待建配送中心的横坐标和纵坐标；x_ij、y_ij分别为第i个区域换电站j的横坐标和纵坐标。

设配送中心i到本区域各换电站的运输费用之和为F，则：

$F_i=\underset{j=1}{\overset{n_i}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{\mathrm{ij}}.w_{\mathrm{ij}}.h_{\mathrm{ij}}=\underset{j=1}{\overset{n_i}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{\mathrm{ij}}.w_{\mathrm{ij}}.{[{(x_{i0}-x_{\mathrm{ij}})}^2+{(y_{i0}-y_{\mathrm{ij}})}^2]}^{1/2}---\left(3\right)$

为使F_i最小，分别对x_i0，y_i0求偏导数，并令其等于零，得：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂F_i}{\∂x_{i0}}=\underset{j=1}{\overset{n_i}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{\mathrm{ij}}.w_{\mathrm{ij}}.(x_{i0}-x_{\mathrm{ij}}/h_{\mathrm{ij}})=0\\ \frac{\∂F_i}{\∂y_{i0}}=\underset{j=1}{\overset{n_i}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{\mathrm{ij}}.w_{\mathrm{ij}}.(y_{i0}-y_{\mathrm{ij}})/h_{\mathrm{ij}}=0\end{array}\right.---\left(4\right)$

得到i区域电池配送中心的最优位置如式(5)所示：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{i0}^{*}=\frac{\underset{j=1}{\overset{n_i}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{\mathrm{ij}}.w_{\mathrm{ij}}.x_{\mathrm{ij}}/h_{\mathrm{ij}}}{\underset{j=1}{\overset{n_i}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{\mathrm{ij}}.w_{\mathrm{ij}}/h_{\mathrm{ij}}}\\ y_{i0}^{*}=\frac{\underset{j=1}{\overset{n_i}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{\mathrm{ij}}.w_{\mathrm{ij}}.y_{\mathrm{ij}}/h_{\mathrm{ij}}}{\underset{j=1}{\overset{n_i}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{\mathrm{ij}}.w_{\mathrm{ij}}/h_{\mathrm{ij}}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

由于电动汽车电池配送中心的位置不可以是任意的，只能设在各个换电站所在位置，所以我们选取距离

最近的换电站作为配送中心所在位置(x_i0、y_i0)，即：

(x_i0，y_i0)＝(x_ij，y_ij)(当且仅当

最小)(6)

因为重心法得出的是连续地点的中心位置，而本发明中电池配送中心设在已有的换电站，所以求出重心之后，选择距离重心位置最近的换电站位置作为配送中心地点。

通过上述改进的重心法依次选定m个区域的配送中心位置，并且以此作为初始方案，作为方案的初始解。

上述步骤3：确定各个电池配送中心对于换电站的配送方案。(步骤2是选择配送中心初始方案，相当于迭代的初始值，步骤3是配送方案，就是配送中心为哪几个换电站配送电池)。假设暂定的配送中心有k个，分别为S₁，S₂，...，S_k，换电站有n个，从配送中心S_i到换电站j的距离为h_ij。以配送中心集合的总费用U最低为目标，则可构成运输问题模型如下：

$\min U=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}(\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{\mathrm{ij}}{h}_{\mathrm{ij}}{w}_{\mathrm{ij}}+X_i)$

(7)

$\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{\mathrm{ij}}=D_j,$ j＝1，2，...，n

(8)

$\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{\mathrm{ij}}\≤M_i,$ i＝1，2，...，k

(9)

w_ij≥0，i＝1，2，...，k，j＝1，2，...，n    (10)

其中，配送中心S_i到换电站j的运输费用率为c_ij，w_ij为配送中心S_i到换电站j配送电池的量；M_i为配送中心S_i的容量；D_j换电站j的需求量，X_i是配送中心的固定费用；

通过求解上述问题，可以求得初始选址方案下的配送方案，可以将每个配送中心配送的换电站可以表述为N_i＝{j：X_ij≠0}，j＝1，2，...，k；

电动汽车换电站***电池配送中心配送电池时运输费用与换电站与电池配送中心之间运输距离成正比。

上述步骤4：对于以上配送中心建设方案进行一定的改进，将其中的电池配送中心移到其他备选地点，寻求可能的改进方案。假设没有被选择为电池配送中心的换电站集合为L_i，在这些地点设置配送中心的固定费用分别为

其中t_l∈L_i，则以t_i为新的电池配送中心设置地点时，N_i内的总费用为：

t_l∈L_i，可以求得

若

说明步骤4的调整结果优于原结果(原结果是一直在变化的，在第一次调整时为初选的方案的费用，现在新调整的结果相对于下一次调整之后的结果也是原结果)，令s′_i＝t_i；否则令s_i′＝s_i。s_i指原方案下的配送中心，对于所有k个区域重复上述过程，得到新的配送中心集合{s_i′}。

步骤3是比较单个区域内配送中心选在不同地点时的费用，选出费用最小的点作为该区域新的配送中心，最后得出配送中心集合，步骤4是在步骤3方案下求出新的配送中心集合的总费用与原方案总费用的比较。

步骤5：比较新、旧配送中心集合的总费用。若前者大于或等于后者，说明已经得到了所求的解，计算可以停止，进入步骤6。如果前者小于后者，说明新电池配送中心的选址方案可以使总费用下降，通过改善配送中心的配送方案，还有可能进一步降低总费用。为了进一步降低总费用，以新的配送***代替原有配送***，返回步骤4。

步骤6：计算停止，得到最终的配送方案。

本发明的有益效果是：本发明首先对换电站***分区，然后采用改进的重心法，确定每一个区域的最优配送中心位置，作为CFLP法的初始方案，提高收敛速度。并兼顾整个选址方案的运行效率，对新旧方案费用进行比较，从而获得最优电池配送中心选址方案，能够为电动汽车换电站***电池配送中心选址和规划提供依据。

附图说明

图1为换电站***第i个区域的换电站分布图；

图2为实施例中换电站网络示意图；

图3为本方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。

设某换电站网络如图2所示，括号中为需求信息，线段所标记数字为换电站之间的距离。要求从12个换电站中选择三个，建立电池配送中心。假设各个配送中心的配送费用率均为1个单位，固定费用均为10个单位。由于电池配送中心的充电功率限制，假设其每天配送量最大为13个单位。换电站与电池配送中心之间运输费用与运输距离和需要从该配送中心配送的需求成积成正比。

1.首先将此换电站***分为三个区域{1，2，3，4，5}、{6，7，8，12}、{1，9，10，11}，通过改进的重心法可以得出CFLP算法的初始解。

以区域{6，7，8，12}为例，并且换电站8所需要的电池量较多，为5，需要从相邻区域的电池配送中心获得一部分供给，假设从本区域配送电池量为13。各换电站的坐标为6(4，3，3.65)、7(3，1.8，0)、8(3，0，1)、12(2，0.3，9)。配送中心到本区域各换电站的运输费用之和为F为：

$F=\underset{j=\mathrm{6,7,8,12}}{\mathrm{\Σ}}{c}_j.w_j.h_j=\underset{j=\mathrm{6,7,8},12}{\mathrm{\Σ}}{c}_j.w_j.{[{(x_0-x_j)}^2+{(y_0-y_i)}^2]}^{1/2}$

$=4*\sqrt{{(x_0-3)}^2+{(y_0-3.65)}^2}+3*\sqrt{{(x_0-1.8)}^2+{y_0}^2}+3*\sqrt{{x_0}^2+{(y_0-1)}^2}+2*\sqrt{{(x_0-0.3)}^2+{(y_0-9)}^2}$

为使F最小，分别对x0，y0求偏导数，并令其等于零，得：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂F}{\∂x_0}=0\\ \frac{\∂F}{\∂y_0}=0\end{array}\right.$

得到结果为由于给位置不是换电站所在位置，所以选取距离

最近的换电站作为配送中心。换电站6、7、8、12距离

的距离分别为：

$d_{6-0}=\sqrt{{(3-1.7728)}^2+{(3.65-2.3729)}^2}=1.7712$

$d_{7-0}=\sqrt{{(1.8-1.7728)}^2+{(0-2.3729)}^2}=2.3731$

$d_{8-0}=\sqrt{{(0-1.7728)}^2+{(1-2.3729)}^2}=2.2422$

$d_{12-0}=\sqrt{{(0.3-1.7728)}^2+{(9-2.3729)}^2}=3.7888$

可以看出，换电站6距离

最近，故选择换电站6的位置作为区域{6，7，8，12}电池配送中心。同理可以得到区域{1，2，3，4，5}、{1，9，10，11}的配送中心位置选为换电站4和换电站9所在位置。则将换电站4，6，9暂设为电池配送中心；

2.以4，6，9为电池配送点，其他各点为需求点，可以求出此情况下的最优配送方案，如表2所示。

表2配送中心布局初始方案

以此方案为初始方案，该配送方案下配送中心集合的总费用为179个单位；

3.电池配送中心4的总费用为：

$u_4=\underset{j=1}{\overset{N_1}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{4j}{h}_{4j}{w}_{4j}+X_4$

$=7\×2+6\×4+3\×2+0\×3+3\×2+10=60$

根据以上初始解，可以看出电池配送中心4的配送换电站为1、2、3、5，如果将配送中心移动到换电站1、2、3、5，各配送中心的总费用分别为：55、50、63、59。即将电池配送中心移动到换电站2的总费用最小。

同理可以计算，对于集合{1，6，8，12}，将电池配送中心移动到6总费用最小。对于集合{1，7，9，10，11}，配送中心设置在换电站10，总费用最小。因此新的电池配送中心设置方案为(2，6，10)；

4.对新方案重复步骤2，3，重新计算。再次计算所得的配送中心方案与原方案相同，说明方案已经满足要求。所以最终电池配送中心的设置位置为{2，6，10}。最终配送方案如表3所示，其总费用为152个单位。

表3配送中心布局最终方案

Claims (4)

1.一种电动汽车换电站***电池配送中心选址方法，其特征在于：

步骤1：将换电站***分区：确定电池配送中心的数量m并对电动汽车换电站***进行分区，分为m个区域；

步骤2：采用改进重心法确定每一个区域的最优电池配送中心位置作为初选配送方案；所述改进的重心法是：选择一个距离重心法所得位置最近的换电站位置作为电池配送中心位置；

步骤3：确定由步骤2得到初选配送方案下配送中心集合总费用，总费用包括固定费用和运输费用之和；

步骤4：将各区域内的电池配送中心移到本区域其它备选换电池地点，选择区域配送中心总费用最小的地点作为新的配送中心，从而形成新的配送方案；

步骤5：比较新、旧配送方案下配送中心集合的总费用；如果前者小于后者，说明新电池配送中心的选址方案可以使总费用下降，通过改善配送中心的配送方案，还有可能进一步降低总费用，为了进一步降低总费用，以新的配送***代替原有配送***，返回步骤4；若前者大于或等于后者，说明已经得到了所求的解，计算可以停止，进入步骤6；

步骤6：计算停止，得到最终选址方案。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2具体为：m个区域内，对于第i个区域有n_i个换电站，分布在不同的坐标点(x_ij、y_ij)上，设配送中心i到换电站j的运输费用率为c_ij，运输费用为F_ij，则：

F_ij＝c_ij·w_ij·h_ij    (1)

式中w_ij为配送中心i为换电站j配送电池的量；h_ij为配送中心i到换电站j的距离，可写成以下形式：

h_ij＝[(x_i0-x_ij)²+(y_i0-y_ij)²]^1/2    (2)

其中，x_i0、y_i0分别为待建配送中心的横坐标和纵坐标；x_ij、y_ij分别为第i个区域换电站j的横坐标和纵坐标；

设配送中心i到本区域各换电站的运输费用之和为F，则：

$F_i=\underset{j=1}{\overset{n_i}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{\mathrm{ij}}.w_{\mathrm{ij}}.h_{\mathrm{ij}}=\underset{j=1}{\overset{n_i}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{\mathrm{ij}}.w_{\mathrm{ij}}.{[{(x_{i0}-x_{\mathrm{ij}})}^2+{(y_{i0}-y_{\mathrm{ij}})}^2]}^{1/2}---\left(3\right)$

为使F_i最小，分别对x_i0，y_i0求偏导数，并令其等于零，得：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂F_i}{\∂x_{i0}}=\underset{j=1}{\overset{n_i}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{\mathrm{ij}}.w_{\mathrm{ij}}.(x_{i0}-x_{\mathrm{ij}}/h_{\mathrm{ij}})=0\\ \frac{\∂F_i}{\∂y_{i0}}=\underset{j=1}{\overset{n_i}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{\mathrm{ij}}.w_{\mathrm{ij}}.(y_{i0}-y_{\mathrm{ij}})/h_{\mathrm{ij}}=0\end{array}\right.---\left(4\right)$

得到i区域电池配送中心的最优位置

如式(5)所示：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{i0}^{*}=\frac{\underset{j=1}{\overset{n_i}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{\mathrm{ij}}.w_{\mathrm{ij}}.x_{\mathrm{ij}}/h_{\mathrm{ij}}}{\underset{j=1}{\overset{n_i}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{\mathrm{ij}}.w_{\mathrm{ij}}/h_{\mathrm{ij}}}\\ y_{i0}^{*}=\frac{\underset{j=1}{\overset{n_i}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{\mathrm{ij}}.w_{\mathrm{ij}}.y_{\mathrm{ij}}/h_{\mathrm{ij}}}{\underset{j=1}{\overset{n_i}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{\mathrm{ij}}.w_{\mathrm{ij}}/h_{\mathrm{ij}}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

由于电动汽车电池配送中心的位置不可以是任意的，只能设在各个换电站所在位置，所以我们选取距离

最近的换电站作为配送中心所在位置(x_i0、y_i0)，即：

 (x_i0，y_i0)＝(x_ij，y_ij)(当且仅当

最小)(6

通过上述改进的重心法依次选定m个区域的配送中心位置，并且以此作为初始方案，作为方案的初始解。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3具体为：假设暂定的配送中心有k个，分别为S₁，S₂，...，S_k，换电站有n个，，从配送中心S_i到换电站j的距离为h_ij，以配送中心集合的总费用U最低为目标，则可构成运输问题模型如下：

$\min U=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}(\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{\mathrm{ij}}{h}_{\mathrm{ij}}{w}_{\mathrm{ij}}+X_i)---\left(7\right)$

$\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{\mathrm{ij}}=D_j,$ j＝1，2，...，n

             (8)

$\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{\mathrm{ij}}\≤M_i,$ i＝1，2，...，k

(9)

w_ij≥0，i＝1，2，...，k，j＝1，2，...，n    (10)

其中，配送中心S_i到换电站j的运输费用率为c_ij，w_ij为配送中心S_i到换电站j配送电池的量；M_i为配送中心S_i的容量；D_j换电站j的需求量，X_i是配送中心的固定费用；

通过求解上述问题，可以求得初始选址方案下的配送方案，可以将每个配送中心配送的换电站可以表述为N_i＝{j：X_ij≠0}，j＝1，2，...，k

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4具体为：将其中的电池配送中心移到其他备选地点，寻求可能的改进方案；假设没有被选择为电池配送中心的换电站集合为L_i，在这些地点设置配送中心的固定费用分别为

其中t_l∈L_i，则以t_i为新的电池配送中心设置地点时，N_i内的总费用为：可以求得

若

说明步骤4的调整结果优于原结果，令s′_i＝t_i；否则令s_i′＝s_i。s_i指原方案下的配送中心，对于所有k个区域重复上述过程，得到新的配送中心集合{s_i′}。

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