电动汽车充电站选址与配置优化项目说明

• 区域与需求点参数：规划区域面积24km²，32个需求点（总计4643人，含各点用户数向量）；用户充电特征（5种剩余电量分布：0.2占比28.1%、0.3占比21.0%、0.4占比18.6%、0.6占比18.1%、0.8占比14.2%）；16个备选充电站节点（对应16个建筑编号）。

• 充电设备参数：电池容量E=18kWh；慢充功率Ps=7kW，单价5000元/个，占地面积含停车位（m²/个）；快充功率Pf=60kW，单价80000元/个，占地面积含停车位（m²/个）。

• 成本与收益参数：单站固定投资成本Cin=10000元/座；折旧率r0=8%，使用年限10年；单位电量利润（动态计算）；辅助设备单价Cs（元/个）；备选站点单位面积价格Cj（元/m²）；设备运维成本比例系数δ；人工成本比例系数Mz。

• 时间参数：电车平均速度40km/h，寻址时间系数1.5（考虑堵车、红绿灯）；寻址时间范围5-20min，排队时间0-20min，停留时间1-8h。

• 算法与约束参数：规划建站数量O（5-12座可选，最终最优为10座）；充电桩数量约束（Nmin≤Njl≤Nmax）；粒子群优化（PSO）算法相关求解参数。

目标：双层规划双目标优化

总成本/收益构成及目标函数核心逻辑：

•上层规划（投资方视角）：目标为年收益最大化，年收益=年充电总收益-年投资与运维成本。其中，年充电总收益=单位电量利润×日总需求电量×365；年投资与运维成本含固定投资折旧、充电桩购置成本、占地成本、辅助设施成本及年运营维护成本。

•下层规划（用户视角）：目标为32个需求点用户总满意度最大化，基于双维度效用函数（融合用户异质性）计算，核心为“需求点-充电站”匹配关系优化，单用户满意度=0.377×基础效用+0.623×服务体验效用（权重来自用户选择模型回归）。

关键计算公式说明：

•年投资与运维成本=固定投资折旧+充电桩购置成本+占地成本+辅助设施成本+年运营维护成本

•充电桩购置成本=Σ(j∈J)Σ(l∈L)Cl×Njl（Cl为l级充电桩单价，Njl为j站l级充电桩数量）

•占地成本=Σ(j∈J)Σ(l∈L)mj×Cj×Njl（mj为l级充电桩占地面积，Cj为j站单位面积价格）

•辅助设施成本=Σ(j∈J)Σ(l∈L)Cs×xjl（xjl为0-1变量，建设l级充电桩则为1）

•年运营维护成=δ×Mz×251×Σ(j∈J)Σ(l∈L(4δ+15)×Pl×Njl（δ为运维系数，Mz为人工系数，Pl为l级充电桩功率）

•基础效用=1.744+1.295×功率标准化值-0.313×寻址时间标准化值；服务体验效用=0.159-0.088×寻址时间标准化值-0.074×排队时间标准化值+0.094×停留时间标准化值

主要约束：

•决策变量约束：aj（0-1变量，j站建站为1）；xjl（0-1变量，j站建l级充电桩为1）；Xij（0-1变量，需求点i选择j站充电为1）。

•站点与设备数量约束：Σ(j∈J)aj=O（O为规划建站数量，最优为10）；Nmin≤Njl≤Nmax（充电桩数量上下限）。

•用户选择约束：Σ(j∈J)Xij=1（每个需求点用户仅选1个充电站）。

采用粒子群优化（PSO）算法求解双层规划模型，核心逻辑如下：

• 算法定位：针对双层规划的复杂优化问题，实现充电站选址（16选10）与快慢充设备配置的同步优化，兼顾双目标平衡。

• 求解流程：初始化粒子群（每个粒子对应一组选址与配置方案）→ 计算上层目标（投资方收益）与下层目标（用户满意度）→ 迭代更新粒子位置与速度（基于个体最优与全局最优解）→ 满足收敛条件后输出最优方案。

• 关键适配：结合指标标准化处理（正向/负向指标转换至[0,1]区间）与效用函数计算，确保用户异质性融入求解过程。

5.1 基础指标计算模块

•寻址时间计算：基于“距离/速度×1.5”（1.5为堵车、红绿灯修正系数）。

• 排队时间计算：基于快充数量确定，参考既有代码逻辑。

• 指标标准化：正向指标（如充电功率）=（原始值-最小值）/（最大值-最小值）；负向指标（如时间类）=1-（原始值-最小值）/（最大值-最小值）。

5.2 目标函数计算模块

•用户满意度计算：输入需求点数据与充电站服务指标，通过双维度效用函数汇总32个需求点总满意度。

• 成本与收益计算：基于设备配置方案、成本参数，计算年总投资成本、年充电收益及年利润。

5.3 PSO算法运行模块

•初始化种群→评估各粒子对应的双层目标值→迭代更新粒子（优化选址与配置方案）→记录迭代过程中的最优解→输出最终方案。

5.4 结果输出模块

• 生成核心结果：选中充电站编号、各站快慢充配置数量。

• 导出指标数据：经济指标（年总收入、年总成本、年利润）、运营指标（年总充电量、用户满意度）。

• 输出对比分析：单层规划与双层规划的指标差异，最优充电站数量分析结果。

6) 效果与产出模块（最终实现效果）

•输出可执行方案：16个备选站点中筛选出10个最优充电站（编号：2、5、8、15、21、22、25、26、27等），及各站快慢充配置方案（如25号站：慢充6个、快充10个；21号站：慢充11个、快充5个等）。

• 核心优化效果：双层规划较单层规划更优，年最优利润达12100977.21元（单层为12028124.58元），年总充电量56711.29kWh（单层为55840.69kWh），用户满意度显著提升；确定最优建站数量为10座（6座时利润达阶段性峰值，超过后资源效率下降）。

• 给出调度可解释结果：  

• 经济指标明细：年总收入14234533.95元，年总投资成本（折旧+运营）2133556.74元。

• 运营指标明细：各充电站设备配置数量、总充电量、用户满意度构成。

• 关键结论：双层规划可平衡投资方收益与用户体验，最优站点数量需控制在10座左右以保障资源利用效率。