高校学生社区共享充电设施引入及充电问题改善研究——以江苏大学为例

陈冬成 陈风莹 孙聪俊

基金项目：江苏大学第十九批大学生科研课题拟立资助项目(项目编号：19C267)

作者：陈冬成(2001),女，广西贵港人，江苏大学管理学院本科在读，物流管理方向；

摘要：以江苏大学为研究对象，将江苏大学校区（本部）进行区域划分，确定若干布局点和需求点，以及布局点间的距离，再通过对集合覆盖模型建立以充电范围全覆盖且数量最少为目标函数的集合覆盖模型，求解后确定最终共享充电设施的具体布局；并针对电动自行车充电所存在的问题，结合现实需求，提出一套高校电动自行车规范化充电及管理的方式，给高校学生提供便捷、安全及优越的环境，形成切实有效的高校电动自行车合理充电机制。

关键词：集合覆盖模型 共享充电设施 设施选址 充电方式及管理

0. 引言

近年来，由于倡导环保、资源节约型友好社会，电动自行车作为一种高效、价格低廉、环保的交通工具，越来越受到了人们的欢迎，尤其是在大学校园，使用电动自行车也成为一种趋势。虽然在校园内电动自行车的使用给学生生活带来许多便利，但是给电动车充电却成为亟待解决的问题。首先是充电存在的问题：校园内电动自行车充电存在混乱的状态，充电不规范，高校不同于居民社区，电动自行车充电设备并不齐全，在大学宿舍私拉电线、随意乱拉电线、充电时充电线缠绕等问题屡见不鲜，这种现象的长期存在，使得火灾发生的概率极大提高，并且线路老化及充电负荷过大也易引发火灾，存在安全隐患；其次是充电难的问题：校内外供充电的地方少，不能满足多台电动车共同充电的需求；然后是充电的便利性问题：共享充电桩的需求是有的，因为电动车在被使用的时间越长，电池耗电速度加快，处于不方便充电的环境等因素促进这种需求，并且车主临时充电的需求也会促进共享充电桩的使用；最后是校内外充电站收费的合理性问题：校园内外充电商户收费不合理现象，出现“垄断经济”。

共享经济作为社会经济发展新形态在许多行业得到了广泛应用，充电领域也不例外。引入电动自行车共享充电桩，不仅可以使高校能够规范化的管理电动自行车，而且统一的充电停放位置，使得大学生充电更将方便快捷，而且充电收费也更加合理低廉，重要的是大大降低因不规范充电引起的校园火灾发生的概率。因此。高校引入共享充电桩能有效解决和改善电动自行车充电问题。

1. 共享充电设施布局模型简介

(1)集合覆盖原理概述

从已知若干个需求点的位置和需求量中选择若干个位置作为设施布局点,以满足各需求点的服务需求,并且要使得所投建的设施点数目为最小^[1]。即用尽可能少的设施去覆盖所有的需求点,如图1所示。

图1 集合覆盖模型

(2)建立模型

设: 表示该区域中的所有需求点集合, ;

表示该区域中具有建设条件的布局点集合, ;

表示第i个需求点的需求量；

表示被选为布局点j的供给能力;

表示为布局点j所能覆盖的需求节点i的集合；

表示为可以覆盖需求节点i的设施节点j的集合;

节点需求中被分配给设施点j的部分^[2]。

形成的数学模型可表示为

(1)

s.t. (2)

(3)

(3)模型求解

由于集合覆盖模型是多项式复杂程度的非确定性(NPC)问题，无法通过多项式算法计算精确结果^[2]。当规模较小时，可通过枚举法或隐枚举法得到模型的最优解,但在实际问题中,往往需求点数n和可供选择的布局点数m较大，也可能有n=m的情况。因此，集合覆盖模型可以通过启发式算法对模型进行求解，这种算法是最常用也是最简单的一个近似算法,主要步骤如下:

第一步:初始化。令所有的 (已分配的需求),并确定集合 和集合 ；

第二步:选择下一个布局点。在M中选择 且 的元素最多的点 为设施点,即 ,令 ,并在M集合中剔除节点 。

第三步:确定节点j’的覆盖范围。将 中的元素按 的模从小到大的顺序指派给 ,直至 的容量为 或 为空。其中,对于 且 ,将 指派给 的方法为:若 ;,则令 在 和 中剔除需求点 。若 ,则令

第四步:当N或M为空时停止;否则,重新确定集合A(j)和集合B(i),转第二步。

2. 算例分析

2.1校园内充电桩布局分析

江苏大学（本部）位于江苏省镇江市京口区，学校占地面积达3000余亩，校园主要分为学生生活区，教学区和教职工区三部分。根据校园学生公寓楼、教学楼、道路、以及建筑群的距离等因素将江苏大学（本部）大致划分为8个区域，如图2。其中区域1、2,、3、5、6以学生公寓建筑为主，4、7主要为教学区，8为教职工区域。经实地调查，8个区域中每个区域都具备建设充电设施的空间和需求，因此将8个区域全部做为电动自行车共享充电桩的布局点和需求点。设电动自行车在接收到充电警示后骑行的距离为700米，即将共享充电桩的服务半径定为700米。

图2 校园布局划分图

2.2充电设施布局分析

1. 确定模型

2. 模型求解

， ，根据图3中两区域之间的最短距离和最大服务半径为700米的约束，确定集合 和 ，如表1所示。

图3 布局点覆盖距离关系

表1 候选点服务范围

区域号
1	1,3	1,3
2	2,5,6	2,5,6
3	1,3	1,3
4	4	4
5	2,5,6,7	2,5,6,7
6	2,5,6,7,8	2,5,6,7,8
7	5,6,7,8	5,6,7,8
8	6,7,8	6,7,8

因为 ， 为最大，所以选取 。在考虑无容量约束的情况下，则将区域2,5,7,8指派给区域6服务。

此时， ， ,重新确定集合 和 后如表2所示：

表2 候选点范围

区域号
1	1,3	1,3
2
3	1,3	1,3
4	4	4
5
6
7
8

因为 , 为最大,所以选取 。则将区域1,3指派给区域1服务。

同理，在迭代一次得到 。最后，结果得到 。

因此，根据计算结果我们可以将江苏大学校园的区域1,4和6做为电动自行车共享充电设施布局点

3. 充电设施布置及管理

(1)充电桩排布设计

电动自行车具有行驶自由的交通特性，驾驶员也具有贪图方便的行为习惯，调研发现电动自行车停车场普遍是小规模停放、分散停放、就近停放。因此，对电动自行车充电桩排布设计时，应均匀分布空间，起到规范停车的作用^[3]。经市场调查发现，类似于“插排式”类型的充电桩较为适用，如图4所示。充电桩呈直线排布，也可根据实际情况略微调整弧度；根据一个普通成年人骑行电动自行车时的左右空间宽度，将排列在横杆上的充电口的记那个距离设置为1.3米。每一列充电桩中间设置一个控制台，用于控制充电口的电源连接，而且充电桩两侧均可进行充电。

排布方式应选择布局点非机动车停车区域安装电动自行新车共享充电桩。为了最大可能进行资源利用，可以在充电区域留出一部分不安装充电桩区域给临时停放或等待充电的车辆。这样的排布方式既能在有限的空间布置更多的充电口，尽可能满足更多的需求，也能规范学生安全放车，防止私拉电缆或随意停放产生的安全隐患。

图4 插排式充电桩

(2)充电方式

首先是支付方式。由于移动支付已经较为普遍，而且服务对象是在校大学生，因此电动自行车充电桩采用微信或支付宝支付既能提高服务效率，也在一定程度上迎合了年轻人的心理。

其次是充电时间。一般电动自行车充电时间是5至10小时，当电充满时允许继续充电1.5小时，最长不超过12小时。因此，将充电桩充电时间时间分为两档，分别是6小时收费1元，12小时收费2元。

最后是充电服务。由于支付方式采用手机移动支付，可以通过关注充电厂商公众号，在每次进行充电时，提供用户所剩充电时间，方便用户及时取车。以来保护电池安全，而来及时提醒用户取车防止无效占有充电位置。

整个充电过程完全属于自助，用户在空闲的充电口位置将电动自行车车身与横杆垂直停放，连接充电器，对应每个充电接口有一个二维码，通过微信或支付宝扫描二维码弹出充电选项页面，选项为不同充电时间，6小时一元或者12小时两元。用户根据自身需求选择充电时间。点击确认键进入支付信息确认界面，界面信息包括此次充电消费金额、充电量和时间等, 车主确认后进入下一界面, 发生错误可以直接选择退出充电。充电完成后断开充电器即可。

4. 结论

本文以江苏大学（本部）为例，提出引入电动自行车共享充电设施，着重解决和改善校园充电问题，主要研究结论如下：

以集合覆盖模型为研究方法，在校园内确定若干需求点的情况下，选取最少数量的布局点建设共享充电设施保证服务范围全面覆盖和避免过度覆盖。在以江苏大学的8个需求点为实例进行研究，最后得到需要在编号为1,4,6三个需求点布局电动自行车共享充电设施。

在对充电设施进行排布时采用“插排式”类型。该模式有利于均匀分配空间，合理利用资源，同时也更能引导在校大学生规范停车，安全充电；在设计充电方式时，为用户提供手机移动支付的支付方式，两档充电选择的充电时间和智能提醒的充电服务。

参考文献:

[1] 孙焰.现代物流管理技术[M].上海.同济大学出版社，2004.8

[2]赖垠淳,徐辉,庄埴栩,陈晓铜,徐晓洁,刘子晴.集合覆盖模型在京东快递配送中心选址问题中的研究[J].江苏商论,2019(10):29-34.

[3]潘鸣宇,孙绪坤,李香龙,陈海洋,王伟贤,袁小溪,陈振.基于成本控制的集合覆盖模型的充电桩布局优化[J/OL].现代电力:1-8[2021-05-09].

[4]廖洋. 电动自行车停车空间设计研究[D].广西大学,2020.