一种考虑充电需求的重载电动货车高速公路行驶路径规划方法

本发明涉及一种考虑充电需求的重载电动货车高速公路行驶路径规划方法，用于对高速公路上运行的重载电动货车的行驶路径和充电站选择进行科学规划，属于智能交通。

背景技术：

1、在载运装备电动化趋势下，重载货车的电动化也将逐步落地。重载货车是高速路网交通流的重要组成部分，重载货车的电动化对减少高速公路交通能耗和尾气污染都将带来潜在贡献。

2、重载电动货车在高速路网中以长距离行程为主，自身有限的续航里程和较高的电耗水平使其往往需要在途中的专用高压充电站充电，影响其整体通行效率。因此，重载电动货车的行驶路径规划和充电站选择，将影响路网中电动货车的运输时间、运行能耗、以及充电资源利用效率等。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种考虑充电需求的重载电动货车高速公路行驶路径规划方法。该方法的核心思想是，首先构建一套以所有重载电动货车运输总时间(包括货车行驶时间、充电时间、充电等待时间以及进出充电站的延误时间)最小化为目标的混合整数线性规划模型，考虑货车的行驶路径约束、电量消耗约束以及充电时间约束等，来优化重载电动货车的行驶路径和充电站选择。然后设计算法求解该数学模型，主要思路是遍历所有重载电动货车，逐个循环求解分解后的单车规划模型，并不停更新记录所有充电站的充电状态。

2、本发明采用的技术方案具体如下：

3、一种考虑充电需求的重载电动货车高速公路行驶路径规划方法，包括以下步骤：

4、初始化路网，将路网抽象为路段节点集合r、充电站节点集合c和路段集合l；初始化电动货车集合k，确定电动货车的各项参数，包括货车的起终点、路段旅行时间、进出充电站的延误时间、最大电量、最低安全电量、平均每公里电耗ke以及货车单位电量充电时间kc；初始化每个充电站的充电货车数为0；

5、以所有重载电动货车运输总时间最小化为目标函数，结合路径约束、电量消耗约束及充电选择约束求解获得所有重载电动货车的高速公路行驶路径规划结果；其中：

6、所述路径约束包括：

7、约束(1)，对非起终点的节点i，车辆k如果到达节点i，一定会离开节点i；

8、约束(2)，保证车辆k必须从该车的起点出发；

9、约束(3)，保证车辆k必须到该车的终点结束；

10、约束(4)，保证如果车辆k到达充电站i，也必须从充电站i离开；

11、电量消耗约束包括：

12、约束(5)，保证车辆k的剩余电量始终在最低安全电量和最大电量之间；

13、约束(6)，表示经过路段(i，j)时，车辆k在节点i和节点j的剩余电量关系，若节点i充电，则在节点j的剩余电量为最大电量减去路段(i，j)消耗的电量；若节点i未充电，则在节点j的剩余电量为节点i的剩余电量减去路段(i，j)消耗的电量：为车辆k到达节点i时的剩余电量；dij表示路段(i，j)的距离；为一个辅助变量，为一个二进制变量，表示货车是否经过路段(i，j)，当取值为1时表示经过路段(i，j)，取值为0时表示不经过路段(i，j)；为一个二进制变量，表示货车是否在节点i充电，当取值为1时表示在节点i充电，取值为0时表示不在节点i充电；为车辆k的最大电量；

14、约束(7)，限制辅助变量的取值范围，若车辆k经过路段(i，j)，辅助变量取值为0；若车辆k未经过路段(i，j)，辅助变量取值为任意值；

15、充电选择约束包括：

16、约束(8)，保证只有充电站节点才能充电，其他节点不能充电；

17、约束(9)，保证车辆k的充电站必须在其行驶路径上，不能在没有经过的充电站充电；

18、约束(10)，限制同一个充电站服务的电动货车数量，防止出现过度拥挤，等待时间过长；

19、约束(11)，计算车辆k在充电站i的充电时间。

20、进一步地，约束(1)～(4)具体如下：

21、

22、

23、

24、

25、式中：

26、sk为电动货车k的起点，sk∈r；

27、ek为电动货车k的终点，ek∈r。

28、进一步地，约束(5)～(7)具体如下：

29、

30、

31、

32、n为充电站和路段的节点编号集合，n＝r∪c；为车辆k的最大电量；为车辆k的最低安全电量；为车辆k到达节点i时的剩余电量；m大于

33、进一步地，约束(8)～(11)具体如下：

34、

35、

36、

37、

38、式中：ni为充电站最多可以提供服务的货车车辆数；为车辆k的最低安全电量；为车辆k到达节点i时的剩余电量，为车辆k在充电站i的充电时间。

39、进一步地，对约束(6)和约束(11)中进行线性化处理：令将约束(6)和(11)分别改写成(12)、(13)两个约束，并对用约束(14)-(16)对其进行线性化的处理；

40、

41、

42、

43、

44、

45、令将目标函数改为下式：

46、

47、对于需要用约束(17)-(19)对其进行线性化处理；约束(17)-(19)保证了当时，当时，

48、

49、

50、

51、为车辆k通过路段(i，j)所需要的旅行时间；为车辆k在充电站i充电时的等待时间；为车辆k在充电站i从剩余电量到充满所需的充电时间；为车辆k进出充电站造成的延误时间；

52、使目标函数、路径约束、电量消耗约束及充电选择约束构成线性规划模型，求解获得所有重载电动货车的高速公路行驶路径规划结果。

53、进一步地，使目标函数、路径约束、电量消耗约束及充电选择约束构成线性规划模型，求解获得所有重载电动货车的高速公路行驶路径规划结果，具体为：

54、步骤1：求解单车路径规划模型，记录该车通过的路段、选择的充电站以及耗费充电时间；

55、步骤2：更新每一充电站当前提供服务的货车车辆数并更新充电等待时间，判断每一充电站当前提供服务的货车车辆数是否达到最大值，若达到则对应充电站在后续车辆的路径规划中设置为不可选择；

56、依据步骤1～步骤2遍历集合k中的每辆电动货车，求解获得所有重载电动货车的高速公路行驶路径规划结果。

57、进一步地，目标函数具体为：

58、

59、为车辆k通过路段(i，j)所需要的旅行时间；为车辆k在充电站i充电时的等待时间；为车辆k在充电站i从剩余电量到充满所需的充电时间；为车辆k进出充电站造成的延误时间。本发明的有益效果是：

60、本发明提供了一种考虑充电需求的重载电动货车高速公路行驶路径规划方法。主要考虑了车辆路径约束、电量约束、充电时间约束等，建立了一套混合整数线性规划模型用作高速公路电动货车路径规划，并设计了一套启发式算法快速求解该模型。该方法可以合理优化高速公路网络中重载电动货车长距离运输过程中的路径选择和充电站选择问题，从而减小货物的总体运输时间，潜在地可以节约能源消耗减少污染排放，并实现货车充电资源的合理利用，防止出现某个货车充电站过于拥挤、等待时间过长的情况。