留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于非线性混合充电策略的电动车物流配送路径规划模型

汪山颖 靳文舟

汪山颖, 靳文舟. 基于非线性混合充电策略的电动车物流配送路径规划模型[J]. 交通信息与安全, 2022, 40(2): 116-125. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.02.014
引用本文: 汪山颖, 靳文舟. 基于非线性混合充电策略的电动车物流配送路径规划模型[J]. 交通信息与安全, 2022, 40(2): 116-125. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.02.014
WANG Shanying, JIN Wenzhou. Routing of Electronic Automobileswith Hybrid Nonlinear Charging Strategy for Logistics Distribution[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2022, 40(2): 116-125. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.02.014
Citation: WANG Shanying, JIN Wenzhou. Routing of Electronic Automobileswith Hybrid Nonlinear Charging Strategy for Logistics Distribution[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2022, 40(2): 116-125. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.02.014

基于非线性混合充电策略的电动车物流配送路径规划模型

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.02.014
基金项目: 

国家自然科学基金项目 52072128

详细信息
    作者简介:

    汪山颖(1998—),硕士研究生. 研究方向:交通规划与管理. E-mail:1005319695@qq.com

    通讯作者:

    靳文舟(1960—),博士,教授. 研究方向:交通规划与管理、需求响应公交调度等. E-mail:ctwzhjin@scut.edu.cn

  • 中图分类号: TU4-9

Routing of Electronic Automobileswith Hybrid Nonlinear Charging Strategy for Logistics Distribution

  • 摘要: 经典的车辆路径规划问题(VRP)通常只考虑载重约束和节点约束。随着电动物流车和充电站的增多,考虑充电时间与充电量成非线性关系的电动车路径规划问题(EVRP-NL)的研究在物流配送中也有着非常重要的意义。通过分段计算充电速率简化了以往对充电时间和充电量的非线性充电函数拟合方法,并对拟合函数进行了线性化处理。针对电动车物流配送的特性,构建了以最小化车辆固定成本、行驶成本、快充成本和换电成本之和为目标函数,考虑节点约束、载重约束、电量约束、时间窗约束及充电函数线性化约束的EVRP-NL模型,提出了由换电和非线性快充构成的非线性混合充电策略,其中非线性快充是考虑充电时间与充电量的非线性关系的快充方式。针对模拟算例的计算结果验证了模型的可行性和普适性。针对实际物流算例的计算结果表明,考虑充电时间和充电量非线性关系的混合充电模型可减少35%的充电时间和69%的充电成本,非线性混合充电策略具有显著优越性。对快充电价和换电电价进行控制变量的灵敏度分析后发现, 使用非线性混合充电策略时,随着电价升高,充电方式从电价升高的充电方式转变为电价稳定的充电方式,且电价升高至一定程度,充电方式和充电成本均不再变化。

     

  • 图  1  电动车物流配送路径规划示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of electric vehicle logistics distribution path planning

    图  2  电动车电池充电过程示意图

    Figure  2.  Charging process of electric vehicle battery

    图  3  分段函数拟合充电函数

    Figure  3.  Fitting charging function with piecewise function

    图  4  模拟算例配送路径示意图

    Figure  4.  Schematic diagram of distribution path of simulation example

    图  5  实际算例各点位置示意图

    Figure  5.  Location diagram of each point in the actual examples

    图  6  电价变化对充电电量的影响

    Figure  6.  Influence of electricity price change on charging power

    图  7  电价变化对充电成本的影响

    Figure  7.  Influence of electricity price change on charging cost

    图  8  不同充电策略的充电成本比较

    Figure  8.  Comparison of charging costs of different charging strategies

    图  9  不同充电策略的充电时间比较

    Figure  9.  Comparison of charging time of different charging strategies

    表  1  模型符号说明

    Table  1.   Model symbol description

    集合 符号说明 参数 符号说明 参数 符号说明 变量 符号说明
    V 客户点集合 dij /km i点到j点的距离 cf /元 单次使用车辆固定成本  xijk 当车辆k经过路段(i,j)时,xijk = 1,否则xijk = 0
    F 充电站集合 tij/min i点到j点的行驶时间 Ct /元 单位距离行驶成本 yik 当车辆k在充电站i选择换电时,yik = 1,否则yik = 0
    S 配送中心 ts /min 单次换电时间 pτ /元 单位电量的快充成本 Zik 当车辆k在充电站i选择快充时,zik = 1,否则zik = 0
    O SF r (kW · h/min) 电量消耗率 cs /元 单次换电成本 eaik /(kW · h) 车辆k到达节点i时的电量,iP
    D FV qik 车辆ki点配送的货物量 [ei,li/min 客户点i的时间窗 elik/(kW · h) 车辆k离开节点i时的电量,iP
    E sV Di/kg 客户点i的需求量 [esls]/min 配送中心的时间窗 taik/min 车辆k到达节点i时的时间,iP
    P SFV vs/(min/kg) 单位需求量服务速度 e(t) 电量随充电时间变化的分段函数 tlik/min 车辆k离开节点i时的时间,iP
    K 电动汽车集合 C/kg 车辆的最大载重 M e(t)端点编号的集合,M = {0, 1,…,n} Zin 0-1变量,辅助限定αin的值
    Aij 路段(ij)集合 Q/(kW · h) 车辆的最大电容 An M中端点的横坐标,nM Win 0-1变量,辅助限定 λin 的值
    Bn M中端点的纵坐标,nM αin 分段函数e(t)线性化的系数,αin[0, 1],nM
    λin 分段函数e(t)线性化的系数,λin ∈ [0, 1],nM
    下载: 导出CSV

    表  2  相关参数设置

    Table  2.   Related parameter settings

    参数 取值
    dij /km $\sqrt[2]{\left(y_{j}-y_{i}\right)^{2}-\left(x_{j}-x_{i}\right)^{2}}$
    tij /min $\frac{d_{i j}}{v}, \mathrm{v}=35 / \mathrm{km} / \mathrm{h}$
    ts /min 快充满充时间的10%
    Q/ (r /km) 200
    vs/(kg/min) 1
    Q/(kW · h) 80
    ρτ /元 0.6
    cf /元 100
    ct 0.75
    Cs/元 快充的满充费用
    下载: 导出CSV

    表  3  每种算例的时间参数

    Table  3.   Time parameters of each example

    算例分类 时间比 换电时间/min 最大电容/(kW · h) 耗电率/(kW · h/min) 服务速度/(kg/min) 行驶速度/(km/h)
    RC101 3.50:1 3 24 0.12 0.3 123
    R101 3.652:1 3 24 0.12 0.3 128
    C101 0.680:1 15 120 0.6 1.5 24
    R201 0.840: 1 12 96 0.48 1.2 29
    C201 0.248: 1 40 320 1.6 4 7
    RC201 0.875: 1 11 88 0.44 1.1 31
    下载: 导出CSV

    表  4  模拟算例求解结果

    Table  4.   The solution results of simulation examples

    算例名称 成本/元 运算时间/h Gap/% 充电总量/(kW · h) 充电时间/min 快充次数 换电次数
    RC101 717 0.44 0 8.01 15.88 1 0
    R101 680 0.009 0 0.95 1.89 1 0
    C101 876 8 3.64 138.61 108 2 1
    R201 748 8 1.45 3.51 7.02 1 0
    C201 814 8 7.26 328.05 56.11 2 1
    RC201 902 8 5.18 11.2 56.02 2 0
    下载: 导出CSV

    表  5  模拟算例配送路径

    Table  5.   Distribution path of simulation examples

    路径序号 节点序号
    R1 25-9-25
    R2 25-16-25
    R3 25-13-19-0-20-5-8-17-4-18-11-6-3-7-25
    R4 25-14-1-2-12-10-15-25
    下载: 导出CSV

    表  6  实际算例基础数据

    Table  6.   The basic data of actual examples

    节点编号 需求量/kg 时间窗/min 节点编号 需求量/kg 时间窗/min
    0 159 [30, 180] 15 153 [150, 420]
    1 140 [90, 180] 16 172 [120, 390]
    2 142 [60, 21] 17 178 [120, 390]
    3 146 [0, 240] 18 148 [45,330
    4 142 [30, 330] 19 163 [30, 330]
    5 153 [30, 150] 20 170 [120, 390]
    6 151 [90, 360] 21 161 [90, 330]
    7 166 [30, 300] 22 151 [90, 330]
    8 147 [150, 390] 23 140 [150, 330]
    9 140 [60, 330] 24 143 [120, 390]
    10 158 [60, 330] 25 0 [0, 840]
    11 151 [60, 240] 26 0 [0, 840]
    12 166 [90, 390] 27 0 [0, 840]
    13 170 [60, 330] 28 0 [0, 840]
    14 161 [150, 420]
    下载: 导出CSV

    表  7  电价组别

    Table  7.   electricity price group

    电价组号 cs /元 ρτ /元 电价组号 cs /元 ρτ /元
    1 0.2 10 10
    2 0.3 11 15
    3 0.4 12 20
    4 0.5 13 25
    5 35 0.6 14 30 0.6
    6 0.7 15 35
    7 0.8 16 40
    8 0.9 17 45
    9 1.0 18 50
    下载: 导出CSV
  • [1] CAZZOLA P, GORNER M, SCHUITMAKER R, et al. Global EV outlook 2018: Towards cross modal electrification[M]. Paris: International Energy Agency, 2018.
    [2] QIN H, SU X X, REN T, et al. A review on the electric vehi-cle routing problems: Variants and algorithms[J]. Frontiers of Engineering Management, 2021, 8(3): 370-389 doi: 10.1007/s42524-021-0157-1
    [3] SCHNEIDER M, STENGER A, GOEKE D, et al. The electric vehicle-routing problem with time windows and recharging stations[J]. Transportation Science, 2014, 48(4): 500-520 doi: 10.1287/trsc.2013.0490
    [4] 蔡银怡. 考虑充电策略和非线性能量消耗的电动车配送路径规划研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2020.

    CAI Y Y. Research on electric vehicle routing problem with charging strategy and nonlinear energy consumption[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2020. (in Chinese)
    [5] VERMA A. Electric vehicle routing problem with time windows, recharging stations and battery swapping stations[J]. EURO Journal on Transportation and Logistics, 2018, 7(4): 415-451. doi: 10.1007/s13676-018-0136-9
    [6] KESKIN M, ÇATAY B. Partial recharge strategies for the elec-tric vehicle routing problem with time windows[J]. Transportation Research Part C: Emerging Technologies, 2016, 65(4): 111-127
    [7] 李军, 唐晓宇, 赵长相. 基于充电策略的纯电动公交车辆调度优化[J]. 重庆交通大学学报(自然科学版), 2015, 34(4): 107-112. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CQJT201504021.htm

    LI J, TANG X Y, ZHAO C X. Dispatch optimization of pure electric buses based on charging strategy[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University(Natural Science), 2015, 34(4): 107-112. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CQJT201504021.htm
    [8] UGUR B, MEHMET E. Optimization of electric vehicle recharge schedule and routing problem with time windows and partial recharge: A comparative study for an urban logistics fleet[J]. Sustainable Cities and Society, 2021, 70(7): 102883.
    [9] PENNA P, AFSAR H, PRINS C, et al. A hybrid iterative local search algorithm for the electric fleet size and mix vehicle routing problem with time windows and recharging stations[J]. IFAC Papers OnLine, 2016, 49(12): 955-960. doi: 10.1016/j.ifacol.2016.07.899
    [10] MACRINA G, DI P P L, GUERRIERO F, et al. The green mixed fleet vehicle routing problem with partial battery recharging and time windows[J]. Computers & Operations Research, 2019, 101(1): 183-199.
    [11] 揭婉晨, 杨珺, 杨超. 多车型电动汽车车辆路径问题的分支定价算法研究[J]. 系统工程理论与实践, 2016, 36(7): 1795-1805. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XTLL201607017.htm

    JIE W C, YANG J, YANG C. Research on branch pricing algorithm for multi model electric vehicle routing problem[J]. System engineering theory and practice, 2016, 36(7): 1795-1805. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XTLL201607017.htm
    [12] AMIN C, JULIO M, MUSTAPHA O, et al. Vehicle routing problem for reverse logistics of End-of-Life Vehicles (ELVs)[J]. Waste Management, 2020, 120(1): 209-220
    [13] 蒋珊珊. 考虑路段限行时间窗与灵活子路径的车辆径程优化问题研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2020.

    JIANG S S. Research on vehicle routing optimization considering section restriction time window and flexible sub path[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2020. (in Chinese)
    [14] MONTOYA A, GUERET C, MENDOZA J et al. The electric vehicle routing problem with nonlinear charging function[J]. Transportation Research Part B: Methodological, 2017, 103(9): 87-110
    [15] FROGER A, MENDOZA J, JABALI O, et al. Improved for-mulations and algorithmic components for the electric vehicle routing problem with nonlinear charging functions[J]. Computers & Operations Research, 2019, 104(10): 256-294
    [16] ZUO X R, XIAO Y Y, YOU M, et al. A new formulation of the electric vehicle routing problem with time windows con-sidering concave nonlinear charging function[J]. Journal of Cleaner Production, 2019, 236(1): 1-18.
    [17] 王美芹. 考虑非线性电池折旧的电动车路径规划问题[D]. 北京: 清华大学, 2018.

    WANG M Q. The electric vehicle routing problem considering nonlinear battery depreciation[D]. Beijing: Tsinghua University, 2018. (in Chinese)
    [18] UHRING M, WEI L, SURIYAH M, et al. E-mobility in car parks-guidelines for charging infrastructure expansion planning and operation based on stochastic simulations[C]. 28th International Electric Vehicle Symposium and Exhibition, Goyang, Korea: KINTEX, 2015.
    [19] WANG H F, CHEN Y Y. A genetic algorithm for the simulta-neous delivery and pickup problems with time window[J]. Computers & Industrial Engineering, 2011, 62(1): 122-149
    [20] 宋稚雅. 基于纯电动物流车的城市配送车辆路径问题研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2019.

    SONG Z Y. Research on urban distribution vehicle routing problem based on pure electric logistics vehicle[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2019. (in Chinese)
    [21] 郭放, 杨珺, 杨超. 考虑充电策略与电池损耗的电动汽车路径优化问题研究[J]. 中国管理科学, 2018, 26(9): 106-118. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGGK201809011.htm

    GUO F, YANG J, YANG C. Study on the electric vehicle routing problem in the present of charging strategy and battery consumption[J]. Chinese Journal of Management Science, 2018, 26(9): 106-118. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGGK201809011.htm
  • 加载中
图(9) / 表(7)
计量
  • 文章访问数:  1105
  • HTML全文浏览量:  394
  • PDF下载量:  88
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-10-12
  • 网络出版日期:  2022-05-18

目录

    /

    返回文章
    返回