《TRANSPORTATION RESEARCH PART C-EMERGING TECHNOLOGIES》：Infrastructure planning for inductive charging in electrified shuttle systems
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道路公共交通系统（如公交车与接驳车）是城市交通的骨干，具有经济、灵活和可持续的特点，有助于缓解拥堵并减少排放。然而，许多车队仍使用内燃机并产生CO2排放。欧盟规定到2035年所有新增城市公交车必须为零排放。在此背景下，电池电动汽车（EVs
道路公共交通系统（如公交车与接驳车）是城市交通的骨干，具有经济、灵活和可持续的特点，有助于缓解拥堵并减少排放。然而，许多车队仍使用内燃机并产生CO2排放。欧盟规定到2035年所有新增城市公交车必须为零排放。在此背景下，电池电动汽车（EVs）因其低排放或零尾气排放而被广泛认为是最可行的发展路径。但其推广带来了运营挑战：有限的续驶里程需要中途充电，导致停运时间、空间占用以及插电等人工干预。动态无线充电——允许车辆在行驶中充电——可解决上述诸多问题，使电池更小、更轻、更具成本效益，从而提高能源效率和车辆容量。本研究受Modulare intelligente induktive Ladesysteme für autonome Shuttles（MILAS）项目启发，该项目探索在农村市镇部署自主感应充电接驳车。作为德国Bad Staffelstein真实测试平台的一部分，两辆自主电动接驳车在真实服务条件下运行和评估。这些接驳车配备固定式和动态感应充电功能，无需人工干预即可充电。该项目还通过将感应充电站连接到带本地储能的分布式光伏系统来整合可再生能源。这些储能系统在太阳能储备充足时供电，否则回退到主电网，从而引入基于本地供应可用性的可变、时间相关电价。在此项目范围内，研究人员研究此类接驳车系统固定式和动态感应充电基础设施的最优布局。虽然停靠序列和时刻表是固定的，但车辆可以在时间约束内偏离最短路径以访问充电设施。目标是使总基础设施和运营成本最小化。研究人员提出了一个新颖的规划问题，用于确定由固定式和动态感应充电组成的异构充电基础设施的成本最优部署，适用于在固定停靠序列和时刻表上运营的电动接驳车队。该模型首次整合了由本地光伏储能系统引致的可变电价，并允许偏离最短路径以实现部分重叠路线间的基础设施共享。这一组合捕捉了成本、路径灵活性和能源自主性之间的重要现实权衡。研究人员将该问题表述为混合整数规划（MIP），并开发了基于迭代局部搜索（ILS）的可扩展元启发式方法。研究人员通过使用带惰性支配检查的双向标签设定算法的动态规划求解确定车辆级充电和路径决策的子问题。在此背景下，研究人员为固定路径车辆充电问题（FRVCP）贡献了一种新颖的标签算法，其中标签的成本同时取决于距离相关消耗和充电时间相关补充能量。研究人员通过维护局部支配界、利用固定序列弧选择问题的定制版本以及在必要时推导启发式解来控制快速增长的标签树并缓解由离散充电时间索引引起的对称性。研究人员证明，在基准算例上，该方法相比热启动商业求解器将总成本降低最多57%。此外，在德国Hof市的案例研究中，研究人员证明了接驳车队在中等规模网络中感应充电的技术可行性。分析表明，动态感应充电可作为固定式感应系统的有效补充，前提是其安装成本不超过当前感应充电段每米成本的5%。此外，研究人员基于案例研究证明，允许为充电操作绕行可将系统成本降低最多3.9%，而整合分布式太阳能储能可将成本降低超过20%。
研究背景方面，道路公共交通系统（如公交车与接驳车）是城市交通的骨干，具有经济、灵活和可持续的特点，有助于缓解拥堵并减少排放。然而许多车队仍使用内燃机并产生CO
2排放。欧盟规定到2035年所有新增城市公交车必须为零排放，电池电动汽车（EVs）因其低排放或零尾气排放被广泛认为是最可行的发展路径，但其推广带来运营挑战：有限续驶里程需要中途充电，导致停运时间、空间占用及插电等人工干预。动态无线充电允许车辆行驶中充电，可解决上述诸多问题，使电池更小、更轻、更具成本效益，提高能源效率和车辆容量。本研究受MILAS项目启发，该项目探索在农村市镇部署自主感应充电接驳车，作为德国Bad Staffelstein真实测试平台的一部分，两辆自主电动接驳车在真实服务条件下运行和评估，配备固定式和动态感应充电功能，无需人工干预即可充电。该项目还通过将感应充电站连接到带本地储能的分布式光伏系统整合可再生能源，储能系统在太阳能储备充足时供电，否则回退到主电网，引入基于本地供应可用性的可变、时间相关电价。在此项目范围内，研究人员研究此类接驳车系统固定式和动态感应充电基础设施的最优布局，虽然停靠序列和时刻表固定，但车辆可在时间约束内偏离最短路径以访问充电设施，目标是最小化总基础设施和运营成本。现有文献中，一般电动汽车充电研究主要采用宏观视角，而电动公共交通系统文献主要集中于微观方法研究感应充电技术的运营整合，但许多模型假设固定车辆路径、不考虑荷电状态（SoC）动态或忽略绕行充电机会。研究人员提出了一个新颖的规划问题，首次整合由本地光伏储能系统引致的可变电价，并允许偏离最短路径以实现部分重叠路线间的基础设施共享，捕捉成本、路径灵活性和能源自主性之间的重要现实权衡。研究人员将问题表述为混合整数规划（MIP），开发了基于迭代局部搜索（ILS）的可扩展元启发式方法，通过带惰性支配检查的双向标签设定算法的动态规划求解车辆级子问题，并为固定路径车辆充电问题（FRVCP）贡献了新颖的标签算法。研究人员证明该方法相比热启动商业求解器将总成本降低最多57%，并在德国Hof市案例研究中证明接驳车队在中等规模网络中感应充电的技术可行性，表明动态感应充电可作为固定式感应系统的有效补充（前提是安装成本不超过当前每米成本的5%），允许绕行可将系统成本降低最多3.9%，整合分布式太阳能储能可降低成本超过20%。这项研究的重要意义在于为电动接驳系统的异构感应充电基础设施规划提供了集成可变电价与路径绕行的优化框架，并揭示了动态感应充电作为固定式系统补充的条件与潜力。在技术方法方面，研究人员构建了两类算例集：人工算例（基于E-VRP-TW基准改编的Instance Set I、II、III）和真实世界算例（德国Hof市案例研究Instance Set IV，含12辆车服务城市公交线路、10个随机场景、候选固定式充电站及6.09 km分属22个动态充电站的动态充电段）；将问题表述为MIP并用IBM ILOG CPLEX求解作为基准；开发基于ILS的元启发式框架，包含样本-based局部搜索（六种算子：SDS、RSS、S2D、S2S、ADS、ASS）和扰动过程；子问题按车辆分解为资源约束最短路径问题（RCSPP），在车辆特定图上用定制双向A
?算法配合惰性支配检查求解，并采用图剪枝、局部能量界、启发式解和后期处理。研究结果方面，5.1.1节ILS解质量：在Instance Set I全部30个算例上ILS均找到最优解，在Instance Set III上29个算例中两方法最优性差距差异均严格低于2个百分点，多数算例找到相同解，少数算例ILS改进精确方法解1.05–3.56个百分点；5.1.2节扩展至实际规模：ILS框架在一小时内对所有Instance Set II算例找到可行解，相比基准改进最多57%，且随车队规模增加相对优势显著增长，在聚类算例组C1和C2上表现尤为突出；5.1.3节局部搜索算子贡献：所有算子均对样本-based局部搜索有改进贡献，SDS在最多80%的移动中改进解值，ASS极少改进，ADS在随机与聚类混合算例上最多19%的执行中产生ε改进解；5.1.4节数值研究结论：ILS框架能找到优于基准的解并求解多种算例，在极小规模算例上一致找到最优解，所有局部搜索算子均有助于改进局部邻域解。5.2节管理研究结果包括：Result 1表明在当前成本结构下所有评估的车队消耗率场景解均完全依赖固定式充电站而避免建设动态充电基础设施，引入动态充电在高消耗配置下允许电池容量减少12.5%–17.5%，但动态充电主要作为防止不可行的保障机制；Result 2表明按当前感应充电基础设施部署成本，动态感应充电相比固定式感应充电不具备成本竞争力，但当电池资源稀缺时动态充电是确保运营可行性的关键机制；Result 3表明允许车辆在时刻表内偏离最短路径可降低成本最多3.9%，虽然增加的行驶距离导致能源消耗和充电成本上升最多4.2%，但基础设施成本下降最多8%超过该效应并带来净节省，节省源于固定式充电基础设施的整合；Result 4表明光伏系统结合分布式储能提供的价值超过总系统成本的20%（车队消耗率1.0 kWh/km或更高时），分布式系统供应车队总充电需求的60%；Result 5表明当每米段成本低于基准成本0.19�的5%时动态充电段渗透率增加，该效应幅度取决于车队消耗，动态感应充电主要补充而非主导固定式感应充电；Result 6表明电池容量可减少10%而不牺牲运营可行性，若动态充电率可靠提升至100 kW则最多20%的减少仍可行，在高度受限场景中动态充电段的战略部署可促进最多40%的电池容量减少。讨论部分总结：研究人员提出了确定电动接驳车队异构固定式和动态感应充电基础设施最优部署的新颖规划问题，该表述考虑固定停靠序列和时刻表，同时允许车辆进行受控绕行以充电以改善基础设施利用率和灵活性，所提模型易于扩展到异构车队和充电技术。为应对现实算例的计算复杂性，研究人员提供了MIP表述并开发了基于ILS的定制元启发式方法以考虑时变电价，该框架通过动态规划使用带惰性支配检查的双向标签设定算法求解车辆级子问题。研究人员基于改编的E-VRP-TW数据集生成基准算例，证明该方法在解质量上比热启动商业求解器优最多57%。研究人员还进行了受MILAS项目启发的真实世界案例研究，其中自主感应充电接驳车部署在真实测试轨道上，运营洞察和与行业伙伴的咨询为参数校准和场景设计提供了信息。结果表明在当前技术和成本条件下，动态感应充电对于较小市镇的接驳车队相比固定式充电替代方案在经济上不可行；然而允许适度绕行充电可将总系统成本降低最多3.9%，整合分布式光伏储能系统可节省超过20%，突显了将基础设施灵活性与可再生能源整合相结合的潜力。未来研究方向包括：明确避免或解决固定式充电站接驳车之间充电冲突的方法，以及将问题扩展至更大车队和更长运营时刻表。研究结论翻译：研究人员引入了一个新颖的规划问题，用于确定电动接驳车队异构固定式和动态感应充电基础设施的最优部署。该表述考虑了固定停靠序列和时刻表，同时允许车辆进行受控绕行以充电，以改善基础设施利用率和灵活性。所提模型易于扩展到异构车队和充电技术。为应对现实算例的计算复杂性，研究人员提供了混合整数规划表述，并开发了基于迭代局部搜索的定制元启发式方法，使研究人员能够考虑时变电价。该框架通过动态规划使用最先进的双向标签设定算法配合惰性支配检查求解车辆级子问题。研究人员基于改编的E-VRP-TW数据集生成基准算例，证明该方法在解质量上比热启动商业求解器优最多57%。研究人员还进行了受MILAS项目启发的真实世界案例研究，其中自主感应充电接驳车部署在真实测试轨道上。来自运营的洞察和与行业伙伴的咨询为参数校准和场景设计提供了信息。结果表明在当前技术和成本条件下，动态感应充电对于较小市镇的接驳车队相比固定式充电替代方案在经济上不可行。然而，允许适度绕行充电可将总系统成本降低最多3.9%，整合分布式光伏储能系统可节省超过20%——突显了将基础设施灵活性与可再生能源整合相结合的潜力。本研究产生两个主要未来研究方向。第一，在固定式充电站明确避免或解决接驳车之间充电冲突的方法在此特定背景下仍 largely 未探索。为应对此问题，三种通用方法似乎特别有前景：整合一个单独的调度组件向主问题添加组合Benders割；通过探索局部邻域启发式修复冲突解；或通过基于排队的方法明确建模固定式充电站的等待时间。第二，将问题扩展以适应更大车队和更长运营时刻表将有助于将该框架扩展到更大的都市和郊区。研究人员认为此类扩展将需要更宏观的方法，这可能涉及聚合某些变量并主要关注战略性基础设施投资决策，同时抽象或固定运营路径细节以管理原问题的计算复杂性和规模。
