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申请/专利权人：吉林大学

摘要：基于机会约束规划的电动公交线路动态无线充电设施布设方法，本发明涉及电动公交线路动态无线充电设施布设方法。本发明的目的是为了解决现有动态无线充电设施的成本较高，如果在整条线路上都布设无线充电板，不仅会产生较大的经济成本，也会造成资源浪费的问题。过程为：步骤一：对公交线路进行划分；步骤二：基于步骤一进行电动公交车线路运行状态描述；步骤三：基于步骤二估计电动公交车耗电量与充电量；步骤四：基于步骤三进行电动公交车电量变化表达；步骤五：基于步骤四建立机会约束规划模型；步骤六：求解机会约束规划模型，获得线路基本单元动态无线充电设施最优布设方案以及对应的最小总布设成本。本发明用于城市交通规划领域。

主权项：1.基于机会约束规划的电动公交线路动态无线充电设施布设方法，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤一：对公交线路进行划分；步骤二：基于步骤一进行电动公交车线路运行状态描述；步骤三：基于步骤二估计电动公交车耗电量与充电量；步骤四：基于步骤三进行电动公交车电量变化表达；步骤五：基于步骤四建立机会约束规划模型；步骤六：求解机会约束规划模型，获得线路基本单元动态无线充电设施最优布设方案以及对应的最小总布设成本；所述步骤一中对公交线路进行划分；具体过程为：将公交线路划分为交叉口区域、站点区域以及路段区域三部分；每个站点区域为一个基本单元，每个站点基本单元的长度等于公交停靠站的长度；每个交叉口区域为一个基本单元，每个交叉口基本单元的长度等于交叉口停车线至排队最远点的距离；公交线路除站点区域与交叉口区域之外的剩余部分被视为路段区域，以Δ为基本长度，单位为m，将每个路段区域划分为若干个路段基本单元；一条公交线路由多个基本单元组成；公交线路单个方向被划分为L个基本单元，基本单元l的长度为单位为m，u表示公交线路上电动公交车的运行方向，u＝0表示上行方向，u＝1表示下行方向；决策变量表示方向u基本单元l布设无线充电设施；表示不布设无线充电设施；所述步骤二中基于步骤一进行电动公交车线路运行状态描述；具体过程为：将公交车由始发站运行至终点站的过程称为一个班次；车辆在全天运营结束后返回车场，在夜间进行补电，直至电池电量达到最大值；第二天从车场出发开始每天的运营；车辆在前一个班次结束时的剩余电量等于本班次始发时的剩余电量，将公交车k全天服务的I个班次按照发车顺序进行编号，分别为1，2，3，……，I；车辆k的第i班次在基本单元l上行程时间ti,k,l的计算分为两种情况：当基本单元l属于站点区域时： 式中：top、tcl为公交车平均开、关门时间s；为平均每位乘客上、下车时间s·人-1；为公交车k第i班次在基本单元l内站点的上车乘客数；为公交车k第i班次到达基本单元l内站点的下车乘客数；当基本单元l属于交叉口或路段区域时： 式中：vi,k,l为公交车k第i班次在基本单元l上的运行速度；为方向u基本单元l的长度；公交车在不同班次、不同基本单元的速度服从不同的概率分布；用fvi,k,l表示vi,k,l的概率密度函数，其中其中与分别表示公交车k第i班次在基本单元l上运行速度的最小值与最大值；所述步骤三中基于步骤二估计电动公交车耗电量与充电量；具体过程为：假设公交车在基本单元l上的速度均匀变化，则加速度与速度的关系为： 式中：为公交车k第i班次在基本单元l终点的速度m·s-1，d为基本单元的终点；为公交车k第i班次在基本单元l起点的速度m·s-1，o为基本单元的起点；ti,k,l为公交车k第i班次在基本单元l的行程时间s；t时刻公交车k第i班次在单元基本单元l的速度vi,k,lt，如公式4所示： 公交车的车轮瞬时功率表达式为： 式中：mi,k,l为公交车k第i班次在基本单元l上的总质量kg；ai,k,l为公交车k第i班次在基本单元l上的加速度m·s-2；g为重力加速度m·s-2；θl为基本单元l的倾斜角度rad；Cr、cr1、cr2为滚动阻力参数；vi,k,lt为时刻t公交车k的第i班次在基本单元l上的运行速度m·s-1；ρair为空气密度kg·m-3；Af为车辆的正面投影面积m2；CD为空气阻力系数；上式中公交车的总质量mi,k,l包括整车固定质量、电池质量以及车内驾驶员质量和乘客质量；在基本单元l，第i班次公交车内乘客数pi,k,l等于公交车从始发站到基本单元l经过的所有站点中，上下车人数差值的累积和； 式中：Zl为从始发站到基本单元l过程中的总站点数；为公交车k第i班次在站点z的上车乘客数；为公交车k第i班次在站点z的下车乘客数；mi,k,l等于车辆的整车固定质量、电池质量、车内驾驶员质量以及乘客质量之和； 式中：m0为不含电池质量的整车固定质量kg；ρB为电池的能量密度kWh·kg-1；B0为电池容量kWh；mdiv为驾驶员的质量kg；mp为每个乘客的平均质量kg；根据公交车车轮瞬时功率计算车辆运行所需的牵引功率以及制动能量回收功率当车辆处于牵引模式时，能量从电动机流向车轮，此时为功率输出，定义为非负值，计算当车辆处于制动模式时，能量由车轮回收进储能装置，此时为功率输入，定义为负值，计算 式中：ηDL、ηEM、ηBAT、ηRB,i,k,l分别为传动系统、电动机系统、电池系统、制动能量回收的效率值； 式中：ε为相关参数；公交车k的第i班次在基本单元l上的实际耗电量等于车辆运行过程中消耗电量与车辆制动时回收电量的差值； 其中公交车k的第i班次在基本单元l上的实际耗电量的单位为kWh；公交车k第i班次在基本单元l上的充电量如公式11； 式中：η+为充电板的转化效率％；为基本单元l布设充电板时，充电板的功率W；其中公交车k第i班次在基本单元l上的充电量的单位为kWh；所述步骤四中基于步骤三进行电动公交车电量变化表达；具体过程为：车辆在运行过程中的电量变化通过电池的荷电状态来表达，用公式12表示： 式中：s为电池的荷电状态％；B′为电池的剩余余量kWh；B0为电池的额定容量kWh；公交车k第i班次在基本单元l起点的soc值为当i＝l＝1时，表示公交车k首班班次在线路始发站时的soc值，等于车辆驶离车场时的soc减去由车场运行到线路始发站过程中的soc变化量，o表示基本单元的起点； 式中：smax为公交车全天初始soc值，即soc的最大值％；为公交车k每天从车场运行至线路始发站的耗电量kWh； 表示公交车k的第i班次到达线路始发站时的soc值；当班次i是公交车k运行的首班班次时，值等于反之值等于 式中：为公交车k的第i-1班次在线路终点站的soc值，d为基本单元的终点；班次i-1是班次i的前一个班次；公交车k第i班次到达基本单元l+1起点的soc值为 式中：为公交车k第i班次在基本单元l上的耗电量kWh；为公交车k第i班次在基本单元l上的充电量kWh；为公交车k第i班次在基本单元l起点的soc值％；所述步骤五中基于步骤四建立机会约束规划模型；具体过程为：优化目标是最小化无线充电设施的总布设成本，总布设成本包括固定成本和可变成本两部分；固定成本是逆变器的成本，由逆变器的单价以及数量决定；可变成本由无线充电板的布设长度决定；如果连续多个基本单元布设无线充电板，则只需安装一个逆变器；因此线路上所需逆变器的个数φ的计算式为： 机会约束规划模型如下： 公式17为优化目标函数，即最小化无线充电设施的总布设成本；其中cvar是单位长度充电板的成本元·m-1，cfix是单个逆变器的成本元·个-1，表示方向u基本单元l的长度m；公式18是对车辆最后一个班次结束后剩余电量的约束；公式19表示对车辆在基本单元l终点剩余电量的约束；α、β是预先给定的置信水平，分别表示事件成立的概率； 表示公交车k运营班次I结束后在基本单元L终点的soc值；表示公交车k运营班次i在基本单元l起点的soc值；smin表示电动公交车电池的soc值下限；表示公交车k运营班次I结束后，返回车场所消耗的电量kWh；分别表示公交车k运营班次i在基本单元l的充电量与耗电量kWh；公式20表示充电板布设总长度小于线路总长度；所述步骤六中求解机会约束规划模型，获得线路基本单元动态无线充电设施最优布设方案以及对应的最小总布设成本；具体过程为：步骤六一：将约束问题转化为无约束问题；具体过程为：设计罚函数如式22、式23、式24所示： 在不同置信水平下，当约束条件不成立时，设定罚函数为1；当约束条件成立时，设定罚函数为0；因此目标函数式17转化为公式25： 式中：cvar是单位长度充电板的成本元·m-1，cfix是单个逆变器的成本元·个-1；表示方向u基本单元l的长度m；τ1、τ2、τ3为惩罚系数；分别是约束条件式18、式19、式20对应的罚函数；步骤六二：采用随机模拟与粒子群算法求解机会约束模型；获得线路基本单元动态无线充电设施最优布设方案以及对应的最小总布设成本。

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