基于AHM和TOPSIS的電動汽車充電設施選址研究

張麗巖，楊 穎，馬 健

（蘇州科技大學 土木工程學院，江蘇 蘇州 215006）

0 引言

近年來，中國社會城市交通擁堵、城市污染嚴重及資源浪費的問題日益明顯，共享經濟不斷發展，居民意識到綠色出行的重要性，我國新能源汽車數量快速增長，國務院常務會議強調支持新能源汽車產業與信息科技等產業高度融合，推進充換電基礎設施建設，鼓勵國際投資合作，加大對新能源汽車使用的政策支持。盡管如此，在電動汽車的發展與推廣過程中，仍面臨著巨大的問題挑戰，尤其是普遍存在的電動汽車充電樁的規劃建設與布局問題，一直制約著電動汽車的飛速發展。首先，部分發達城市等地區的電動汽車數量快速增長，但是充電樁建設規模嚴重不足，不能夠滿足城市居民需求。其次，在許多地區即使有政府政策的大力支持，人們對于電動汽車的接受程度仍然不高，使得電動汽車的增長總體情況仍有很大提升空間。最后，還存在充電樁客戶滿意度低、布局不合理、設施故障以及充電效率低等問題，導致充電設施的服務利用率較差。

科學合理地確定充電設施的位置及規模影響著充電樁的運營效益、充電效率、運營高效性、安全性以及客戶滿意程度等問題，對未來電動汽車行業規劃發展以及居民生活便捷性、環保性有重要意義。因此，對于城市電動汽車充電設施的選址研究，提出充電樁選址評價指標體系以及選址模型，將為電動汽車充電樁的規劃建設提供一定的理論參考，使城市充電樁選址更為合理，從而擴大城市電動汽車未來發展空間。

魯莽等比較了電動汽車幾種充電方式的特點，對未來我國電動汽車充電的商業模式及發展前景進行了初步研究。趙明宇等通過分析電動汽車充電容量總體需求的影響，建立了以交流充電樁建設管理成本最小、電動汽車上路運營成本和充電等待成本為目標函數的交流充電樁建設模式，多場景運營模式和商業運營模式。葛少云等人利用Voronoi圖劃分充電站服務區域，計算充電站服務半徑，根據每個充電站的最大服務半徑確定選址方案。舒俊等用二進制代碼對充電站的站點和容量進行編碼，以生成初始種群，通過選擇、交叉、變異等操作，找到適應度最高的個體作為全局最優解，即最優位置和容量。Holzman討論了在網絡設施選址中，以用戶與設施位置距離的平方和最小為目標，運用網絡規劃的基本原理建立選址模型，并結合具體情況進行了討論和擴展。

1 充電樁選址模型建立

充電樁選址評估主要包括三大步驟：首先，運用模型確定評價指標因素的權重；其次，設計評估方法對充電樁選址進行綜合評價。基于本次評價的目的以及評價指標體系的特點分析，本文選擇改進的屬性層次模型AHM賦權法確定充電樁選址評價指標各因素的權重。接著利用TOPSIS，結合評價矩陣以及研究獲得的各指標權重，獲得最終選址結果。

1.1 建立充電樁選址評價體系層次結構

為了便于評價工作的實施以及評價數據的整理，使用AHM屬性層次模型，將評價指標體系分為目標層(A)、準則層(B)、對象層(C)。

本文針對充電樁選址評價，評價指標的選取以蘇州市充電樁的基本功能為基礎，同時根據蘇州市交通因素、公共設施因素、經濟因素、客戶服務要求等選出合理的評價指標準則層及對象層等，然后用AHM模型對對象層賦予權重，通過研究得出充電站選址評價指標體系，如表1所示。

表1 充電站選址評價指標體系

1.2 構建兩兩比較判斷矩陣及確定權重

在建立評價指標體系后，確定上下層指標之間的隸屬關系。對于同一水平的指標，構造成對比較的判斷矩陣，對指標的重要性進行比較，并按1~9的比例標度打分。

在屬性判斷矩陣中，由層次分析矩陣中的比例標度a轉化得到μ。轉換公式為：

其中：k為大于2的正整數，β≥1，通常取β=1或2，當β→∞時，為極端情況；當a=k>1時，μ=1，當a=1時，μ=0.5，a<1時，μ=0。對于符合條件的μ為相對屬性測度，并且由其組成的n階矩陣為屬性判斷矩陣(μ)。

本文充電樁選址評價AHP與AHM判斷矩陣如表2所示。

表2 充電樁選址評價AHM判斷矩陣與AHP判斷矩陣

表3 充電樁選址評價層次結構及權重

1.3 TOPSIS排序

2 實證求解

在此，以某城市核心規劃區為例，要在該城市核心規劃區建設充電站并示范運行。經過初步篩選，擬定12個備選地址，按照順序分別標記為地址U，地址U，地址U，……，地址U。根據《電動汽車充電基礎設施發展指南（2015-2020）》，對我國電動汽車保有量的預測可得，2020年電動汽車的滲透率約為2%。經調查研究得知2018年某城市4個區域的燃油汽車保有量分別為35 730、53 782、63 314、47 782輛，按5%的年均增長率和2%的電動汽車滲透率計算可得2020年各區域汽車保有量和電動汽車數量，如表4所示。

表4 某城市規劃區電動汽車發展預測

電動汽車基建發展指南中規定，每2 000輛電動汽車至少配套建設一座公共充電站，由表4可知2020年該城市A、B、C、D交通小區電動汽車的總數目為4 014輛，應建設3座或3座以上的充電站，考慮到未來充電站的規劃建設應適度超前，擬建4座公共充電站。直流快充和交流慢充按1∶4設置，直流快速充電樁的個數不少于95個。

2.1 指標下決策值

本次研究由20位專家對備選站址各項指標進行打分，打分采用5分制。評審專家由充電樁行業專家，物流、交通專業學生和使用電動汽車的用戶組成，打分結果取平均值，由于不同類型會產生不同的打分結果，對指標數據進行規范化處理，結果如表5所示。

2.2 與正負理想點的距離

根據表5的規范化處理后的決策值，得到各指標與正負理想點距離，如表6所示。

表5 規范處理后的決策值

表6 指標的正負理想點

由此可以確定各個充電樁選址方案(U,U,…,U)與正負理想點的距離，得到的綜合排序結果如表7所示。

表7 綜合評價排序結果

通過上述計算結果可知，U、U、U、U這4個站址為最佳充電站選址方案。