优化充电计划并评估配备共享充电站的电动穿梭车的乘客通勤平衡

《TRANSPORTATION RESEARCH PART C-EMERGING TECHNOLOGIES》：Optimizing charging schedules and assessing passenger commuting equilibrium for electric shuttles with shared charging stations

电动公交车共享充电站策略及乘客行为影响研究，提出基于现有公共充电站的优化调度模型，通过混合整数规划确定充电站点和时序，减少充电成本并分析乘客上下车模式变化，案例显示高容量电池可降低乘客均衡成本。

　　

唐一莉|比桑·加达尔|郑在熙|魏毅

加拿大安大略省伦敦市西安大略大学土木与环境工程系

摘要

为了实现社区的脱碳并构建更清洁、更先进的公共交通系统以支持可持续出行，公共交通的电气化正在迅速发展。对于许多社区（如年轻人和老年人）来说，公共交通也是唯一的出行选择。然而，由于复杂的规划和相关成本，经济实惠且可行的充电基础设施和运营仍然是电动公共交通面临的关键挑战。本研究提出了一种基于共享公共充电站的电动公共交通充电策略，而非专门的充电设施。该研究制定了最优充电计划以降低充电成本，并通过通勤用户均衡模型进一步评估充电计划对乘客出行模式的影响。所提出的充电计划优化模型确定了需要充电的服务次数、选定的公共充电站以及充电时间，从而为公共交通车辆的充电计划做出决策。相应的乘客出行模式显示，电池容量更大、状态更好的电动车辆（例如较新的电池）能够降低乘客的单次出行成本。这一策略和模型为电动公共交通的采用和运营提供了新的途径，为交通运营商和政策制定者指明了可持续发展的方向。

引言

由于广泛依赖以碳基燃料为动力的车辆，交通运输行业约占全球二氧化碳排放量的25%（Javanmard等人，2023年）。在这种情况下，电动公交车（e-bus）系统被视为提供经济高效和环保交通方式的关键组成部分。然而，电动公交车的部署在充电基础设施、投资和调度方面带来了重大挑战。典型的电动公共交通系统会在车辆停放时进行夜间充电，但这需要长期且高昂的投资。另一方面，“机会充电”（opportunity charging）作为一种替代策略应运而生，即公交车在指定站点短暂停留期间进行充电（McCabe和Ban，2023年）。此类系统已在多个欧洲和美国城市得到测试和应用（Ashkezari等人，2024年）。尽管“机会充电”在充电地点上提供了灵活性，但它仍然面临着基础设施成本和规划的关键问题，尤其是在建设专用设施、选择充电位置以及确定最适合安装的站点方面。

虽然公共交通系统的专用充电设施需要大量投资和耗时的规划，但公共充电站（尤其是为私人车辆设计的快速充电站）的快速增长为公共交通系统利用现有充电基础设施提供了新的机会。此外，电力不需要物理存储空间，这与加油不同。电池容量和充电技术的快速发展也提高了公共充电站对各种电动公共交通车辆（包括普通公交车和班车）的服务能力。特别是对于社区巴士或校车等班车来说，它们的电池容量较小、能耗较低，且运行时间更为灵活和短距离，这为它们利用公共充电设施提供了潜力。所有这些因素都表明，公共交通系统与公共充电站之间的共享充电策略具有可行性。多项研究探讨了向私人电动车开放充电站以提升投资回报、提高能源利用效率和减少排放的可能性（Heliox，2023年；Liu等人，2024年）。同时，也讨论了资产安全、车队管理和监管政策等挑战，这些都需要长期的组织框架和战略规划（Cenext，2025年）。相反，本研究探讨了在公共充电站进行充电的方案，无需投资和维护专用充电设施。公共充电站可以在公交车的行驶路线上的多个地点进行充电，从而在不大幅绕行的情况下延长其运行范围。

为此，本研究首次尝试提出并研究利用现有公共充电站的电动公交车充电策略，这种方法既经济高效又灵活，利用现有基础设施减少了专用充电站的前期投资。这一策略有助于电动公交车的早期采用，特别是在专用充电设施仍在建设中的地区或正在部署基于社区的电动班车的情况下。此外，本研究还开发了一个乘客出行用户均衡模型，以分析共享充电策略对乘客选择和出行模式的影响，从而为用户提供以乘客为中心的电动公共交通解决方案。因此，本文的贡献有三个方面：首先，我们提出了一种新型的共享充电策略，为电动公交车提供了经济高效且灵活的替代方案；其次，我们开发了一个混合整数规划优化模型来确定最优充电地点和调度方案；最后，我们通过安大略省伦敦市的案例研究展示了这些方法的实际应用效果。结果表明，充电活动显著影响了乘客的出发时间选择和出行模式，电池容量较大且充电次数较少的车辆可以减少排队时间，并缓解高峰时期的拥挤情况。我们还通过比较新旧电池以及不同电价方案下的情景，分析了电池特性和定价策略的影响。

本文的其余部分安排如下：第2节回顾了电动公交车充电基础设施和调度运营的相关文献；第3节描述了问题的背景和配置；第4节和第5节介绍了解决方案方法，包括优化模型和行为不确定性评估；第6节通过通勤e-shuttle服务案例测试了所提出的方法；第7节总结了研究结果并讨论了未来的研究方向。

章节摘录

电动公共交通倡议与充电基础设施

向电动公交车的转型是实现可持续城市交通系统的关键步骤。随着全球城市致力于减少温室气体排放和应对空气污染，电动公交车通过替代传统的柴油动力公交车，提供了一种可行的解决方案（Manzolli等人，2022年）。例如，多伦多交通委员会（TTC）已承诺将其公交车队电气化，并计划在2026年底前采购340辆纯电动汽车。

带有共享充电站的电动班车问题设定

在本研究中，我们考虑了一种由电动车辆组成的通勤巴士或班车服务。这类服务可以作为常规交通网络的补充、 feeder路线或试点项目，可由交通机构或私人实体运营。我们考虑了典型的班车车辆规模（例如可容纳15-30人），此类服务在广泛的城市和郊区地区得到广泛应用。

利用共享充电站优化班车调度

首先，我们开发了一个优化模型来为电动班车车队制定充电计划。对于一组服务行程Φ，该模型确定了每辆电动班车的最优充电计划和服务行程的顺序。服务行程分为充电行程和非充电行程。非充电行程与传统公交车行程相同，而充电行程则包括一次或多次充电站停留。

结合充电行程和非充电行程评估乘客出行模式

上述调度优化模型得出了通勤期间每趟服务行程的相应出发时间和行驶路线。因此，一些行程会包含额外的绕行和充电时间，这会影响乘客的出发时间选择。乘客根据行程相关的成本（包括调度时间成本、拥挤情况和排队成本等）来选择出发时间和乘车方式。

案例研究与计算结果

前几节内容制定了利用共享公共充电站的电动班车最优充电计划及相应的用户均衡模式。在本节中，我们通过一个数值示例分析了电动班车的运行表现和乘客的通勤选择。

结论

本文提出了一个创新的框架，考虑了带有共享充电基础设施的电动班车，并分析了充电运营对乘客和公共交通系统的影响。我们特别关注发车间隔频繁、行驶距离适中的通勤班车服务。我们开发了一个充电调度优化模型和相应的乘客用户均衡模型，以评估充电策略对运营特性和乘客行为的影响。

CRediT作者贡献声明

唐一莉：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、项目管理、方法论设计、资金获取、数据分析、概念构建。比桑·加达尔：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、项目管理、资金获取、数据分析、概念构建。郑在熙：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件开发、项目管理。