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电动汽车分时租赁系统建模仿真与分析

王丽丽  
【摘要】:在全球经济显著下滑、产能结构性过剩的大环境下,分享经济突破了传统经济局限,构建了多赢体系,提升了资源利用效率,从而获得快速发展。随着城市饱和度的不断加重,汽车共享作为分享经济的典型代表,在全球新一轮科技革命和产业变革中获得广泛关注,逐渐成长为需求最迫切、行业成熟度最高的领域,率先成为我国发展分享经济的切入点。作为汽车共享行业中的重要成员,电动汽车分时租赁是消费者通过租车平台对电动汽车进行分享活动的一个复杂系统,它主要利用移动互联网、全球定位等信息技术构建网络服务平台,为用户提供短途(短时)自助式车辆预定、车辆取还、费用结算等服务。电动汽车分时租赁受益于政府在政策、研发和产业化层面的大力支持,它不仅能够满足人们的日常交通需求,降低其产生的负面影响,而且能促进供给侧结构性改革,优化资源配置,助力绿色出行。本文研究内容围绕系统视角和产品视角,对电动汽车分时租赁系统进行宏观到微观层面的深入探讨。具体而言,从系统视角出发,研究分时租赁扩散问题,通过引入基建影响因素、外部环境因素和边际效应系数,构建基于复杂网络的广义Bass模型,再根据现有电动汽车分时租赁数据进行拟合,讨论扩散作用机理并进行预测。从产品视角出发,其一探讨内部充电情景下(企业自用充电桩)的电动汽车分时租赁系统中租赁商、电动汽车和消费者的交互行为,利用多智能体技术(multi-agent based)构建可控制、可重复运行的租车—还车运营系统,分析不同需求下的还车策略,讨论不同调配距离对租赁商利润的影响;其二讨论外部充电情景下(公共充电桩)的充电站布局合理性,这种布局既要满足充电需求又要保证消费者总出行时间最短。本文通过收集大量数据和文献分析,应用复杂网络理论、创新扩散理论和系统科学理论,分别建立电动汽车分时租赁扩散模型、租赁商运营策略模型、公共充电站布局优化模型,对电动汽车分时租赁展开系统性的研究,并取得了如下研究成果:(1)建立了基于BA无标度网络的广义Bass分时租赁扩散模型。仿真结果显示,我国分时租赁市场容量2025年将达到352.74亿元,其中北京市分时租赁车队规模在2025年将达到6.13万辆。另外,基建系数的降低会对分时租赁扩散产生较大影响,而外部环境因素会产生阻碍分时租赁扩散的情形。该模型为后续的政策制定提供了量化分析支撑。(2)构建了车辆调配优化模型和电动汽车分时租赁运营系统ABM模型,提出了相应的系统设计思路。仿真结果显示,通过构建调配系统使得较小车队规模也可以为较大数量的消费者提供用车服务。在不同需求情景下,当租赁商车队和停车位规模都较小时选择员工还车模式对于租赁商和消费者都是双赢;但是当车队和停车位规模都比较大时,消费者还车模式更优。当车队规模较小而停车位数量较大时,两种还车模式无太大差异。另外,调配距离的长短对租赁商运营系统也有着重要影响。在两种还车模式中,当调配距离等于10km时租赁商利润最大。该模型为辅助租赁商运营决策提供了有效参考。(3)建立了消费者总出行时间最短模型和公共充电站布局ABM模型,制定出了北京市公共充电站布局优化方案。仿真结果表明,采用Space-L构建优化后的北京市充电网络,其网络重要性、网络强度、连通度和传递效率有所增强。同时应该减少空闲率较高地区的充电站,增加运营压力较大地区的充电站,使得整体绕行率降低到8.5%,平均排队等待仿真时间降低到0.011。该模型为提高充电便利性和减少消费者耗用时间提供了一定的参考依据。通过本文的系统研究,力求达到和形成以下三个方面的特色和创新:(1)从复杂网络和创新扩散视角出发,探索分时租赁扩散的内在机制。现有文献对我国电动汽车扩散的研究主要基于国外电动汽车背景或调查数据展开,但是我国电动汽车的发展情况同国外存在一定的差距,因此国外的相关研究结果不太适用于我国电动汽车发展场景。本文通过梳理我国分时租赁发展存在的实际问题,结合国内相关数据,从宏观层面展现电动汽车分时租赁扩散的复杂性,引入无标度网络概念和边际效应系数刻画消费者租车的动态过程,分析该过程的动态性与影响因素之间的因果关系,改变市场容量不变的假设,预测了分时租赁行业未来的发展趋势,对我国分时租赁扩散研究进行了有效补充。由于相关数据设置尽可能贴合了现实,使得模拟结果更加具有实际参考价值,为推动分时租赁产业发展给出了具体的应用措施。(2)从产品视角构建分时租赁商运营系统ABM模型。已有文献主要通过传统建模优化方法对分时租赁系统进行研究,但是往往只考虑到局部最优。本文基于Agent的建模方法,对分时租赁模式的整体系统中包含众多异质性且具有适应性行为的主体进行系统分析,构建满足消费者用车需求的动态调配系统和运营模型,比较了不同需求情景下的租赁商还车策略和运营情况,弥补了已有文献忽略不同需求情景和调配距离对租赁商利润影响的不足之处,有利于提高分时租赁服务质量和消费者满意度。(3)从网络层面建立总出行时间最短优化模型和公共充电站布局ABM模型。现有文献主要围绕充电站布局进行研究,忽略了分析已建充电站的合理性。本文构建电动汽车、充电站和充电需求之间交互活动的动态智能体模型,利用复杂网络方法对已有充电网络进行抽象,对其特征量进行数学分析和评估。同时采用相关时间因素分析目前已建充电站布局的合理性,对充电站容量进行优化配置,解决了已建充电网络合理性无法准确描述的困境,进一步提高充电的便利性,更好地推动电动汽车分时租赁行业的快速发展。


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